基于OpenGL的视频车速解算虚拟仿真试验

ｓｐｅｃｔｉｖｅ（ｆｏｖｙ，ａｓｐｅｃｔ，ｚＮｅａｒ，ｚＦａｒ）模 拟 相 机 参 数，
其中“ｆｏｖｙ”表示视野的角度，范围在 ０°～１８０°，角
度越大，视 野 越 开 阔，物 体 在 视 口 中 显 示 越 小；
“ａｓｐｅｃｔ”为宽高比，默认值为 １；“ｚＮｅａｒ”表示视点
与近裁面 的 距 离，“ｚＦａｒ”表 示 视 点 与 远 裁 面 的 距
据统计，２０１９年我国共发生了 ２４７６４６起交 通事故，造成 ６２７６３人死亡和 ２５６１０１人受伤［１］。 超速行驶与 速 度 控 制 不 当 是 事 故 的 重 要 诱 因［２］， 因此，车速鉴定是查明事故原因、判定事故责任的 关键。目前道路交通事故车速鉴定主要通过车辆 运动 －动 力 学［３］、动 量 守 恒［４］、事 故 库 数 据 （经 验）［５］、计算机 差 分 仿 真 计 算 ［６］、监 控 ［７］与 车 载 摄 像［８］的视频图像车速解算和车载记录设备数据读 取 ［９］等方法，其 中 基 于 视 频 图 像 的 车 速 检 测 方 法 技术简单、成本低、画面直观，提取出的车速、运动 轨迹等事故信息信服度高［１０］，是事故鉴定的优选 方案。
３．ＣｈｉｎａＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＰｒｅｓｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｔｈｅｒｅａｌｖｅｈｉｃｌｅｔｅｓｔｃａｎｎｏｔａｃｃｕｒａｔｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｓｐｅｅｄ ａｎｄｃａｎｎｏｔｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｅｒｒｏｒｒａｎｇｅｏｆｔｈｅｔｒａｆｆｉｃａｃｃｉｄｅｎｔｖｉｄｅｏｓｐｅｅｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｃｅｎｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＯｐｅｎＧＬ３ＤｍｏｄｅｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｂｕｉｌｔｂｙｔｈｅＶｉｓｕａｌ Ｃ＋＋ ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｔｈｅａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｍｏｔｉｏｎｏｆｖｉｒｔｕａｌｖｅｈｉｃｌｅ，ｄｉｇｉｔａｌｅｄｉｔｉｎｇｏｆｓｃｅｎｅａｎｄｆｒｅｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｆｖｉｓｕａｌａｎｇｌｅａｒｅｒｅａｌｉｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｖｉｄｅｏｉｍａｇｅｏｆｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｍｏｔｉｏｎｏｆｖｅｈｉｃｌｅｉｓｒｅｃｏｒｄｅｄｂｙ
１ ０
０ ０
０ ｃｏｓＡ ｓｉｎＡ ０
ＲＸ（Ａ） ＝
０ －ｓｉｎＡ ｃｏｓＡ ０
０ ０
０ １
（３）
ｃｏｓＡ ０ ｓｉｎＡ ０
０ １ ０ ０
ＲＹ（Ａ） ＝
－ｓｉｎＡ ０ ｃｏｓＡ ０
０ ０ ０ １
（４）
ｃｏｓＡ －ｓｉｎＡ ０ ０
ｓｉｎＡ ＲＺ（Ａ） ＝
０ ０
ｃｏｓＡ ０ ０
０ ０
基于视频图像的事故车速检测方法本质是通 过帧差研究车辆运行的时空关系 。 ［１１］ 根 据 摄 像 位置与参照物选取将视频图像车速解算方法大致 分为道路固 定 摄 像 与 车 体 参 照 物、道 路 固 定 摄 像 与环境参照物和本车车载摄像与环境参照物 ３ 种［１２］，而车辆纵向行驶距离在空间上形成的透视 关系会导致车速解算偏差 。 ［１３］ 确切的车 速 解 算 误差范围是视频图像事故鉴定公正性的关键。李 鹏［１４］通过相 机 标 定 和 对 检 测 区 域 进 行 网 格 划 分 来解算图像车速，宋涛等［１５］提出一种基于运动矢 量直方图反 映 车 辆 运 动 速 度 的 大 小 的 方 法，最 终 经实车测试车速误差范围约为 １０％。Ｈａｎ［１６］通过 比较基于车载摄像和基于 ＧＰＳ的估计车速，以证 明视频车速解算的适用性。Ｋｉｍ等［１７］采用 Ｖｂｏｘ 测试基于视频图像的事故车速解算误差。然而无 论实车试验、ＧＰＳ或 Ｖｂｏｘ验证都不能消除车速控 制误差和传感器检测误差，运用不确定的“真实车 速”去验 证 车 速 解 算 误 差 缺 少 说 服 力。 基 于 可 视 化的车辆运动仿真模拟试验可以精确控制车速， 完成不同车速下的视频车速解算误差分析。
车辆运行场景仿真系统。系统通过 ＯｐｅｎＧＬ图形
接口将 ３Ｄ ＭＡＸ绘 制 的 车 辆、道 路 等 三 维 模 型
（“．３ＤＳ”）导入系统，并实现三维模型在 ＶＣ＋＋窗
口的可 视 化、可 编 辑 化 与 良 好 的 交 互 性，具 体
如下。
１．１ 三维模型的几何变换与空间运动
在 ＯｐｅｎＧＬ开发环境中 ｇｌＬｏａｄＭａｔｒｉｘ（）命令用
来指定 Ｍ 矩阵为当前加载矩阵，而 ｇｌＭｕｌｔＭａｔｒｉｘ（）
命令通过其他变换命令矩阵与当前矩阵 Ｍ 相乘
生成新的矩阵 Ｍ。
Ｘｘ Ｙｘ Ｚｘ ＸＯ
Ｍ
＝
Ｘｙ
Ｙｙ
Ｚｙ
ＹＯ
Ｘｚ
Ｙｚ
Ｚｚ
ＺＯ
０ ０ ０ １
（１）
２４
Ｘｘ Ｙｘ Ｚｘ 其中 Ｍ１ ＝ Ｘｙ Ｙｙ Ｚｙ 表示三维图形几何变换
Ｘｚ Ｙｚ Ｚｚ
１ｚ
Ｘｚ ０
Ｙｚ ０
Ｚｚ ０
ＺＯ １
Ｘｘ Ｙｘ Ｚｘ ＸＯ ＋ｘ
Ｘｙ
ＹｙＺｙＹＯ ＋ｙ NhomakorabeaＸｚ
Ｙｚ
Ｚｚ
ＺＯ
＋ｚ
０ ０ ０ １
（２）
调用旋转函数 ｇｌＲｏｔａｔｅｆ（Ａ，ｘ，ｙ，ｚ）进行三维图
形的方向变换，其中 （ｘ，ｙ，ｚ）坐标来确定旋转轴，
参数 Ａ表 示 旋 转 角 度。如 式 （２）所 示，ＲＸ（Ａ）、 ＲＹ（Ａ）、ＲＺ（Ａ）分别为绕 ３个坐标轴旋转变换之后 的矩阵。
ＸＯ 的 ３个轴向量，Ｍ２＝ ＹＯ表示模型顶点。
ＺＯ
调用平移函数 ｇｌＴｒａｎｓｌａｔｅｆ（ｘ，ｙ，ｚ）进行三维图
形的位移变换，如式（１）所示，其中参数 ｘ、ｙ、ｚ分
别表示对象沿 ３个坐标轴移动的偏移量。
１ ０ ０ ｘ Ｘｘ Ｙｘ Ｚｘ ＸＯ
０
１
０
ｙ
Ｘｙ
Ｙｙ
Ｚｙ
ＹＯ ＝
０ ０
０ ０
１ ０
收稿日期：２０２０－０９－３０ 基金项目：陕西省重点研发计划项目（２０２０ＺＤＬＧＹ１６－０８）；国家级大学生创新创业训练计划项目（Ｓ２０２０１０７１００２４） 作者简介：韩天园，男，硕士研究生，主要从事交通事故与安全研究，Ｅｍａｉｌ：２２９４４９８３３６＠ｑｑ．ｃｏｍ；通讯作者 张琼，女，博
士，主要从事交通安全研究，Ｅｍａｉｌ：５９４２６８６６８＠ｑｑ．ｃｏｍ。
本文引用格式：韩天园，王鹏，许江超，等．基于 ＯｐｅｎＧＬ的视频车速解算虚拟仿真试验［Ｊ］．重庆理工大学学报（自然科学），２０２１，３５（６）： ２２－２８．
Ｃｉｔａｔｉｏｎｆｏｒｍａｔ：ＨＡＮＴｉａｎｙｕａｎ，ＷＡＮＧＰｅｎｇ，ＸＵＪｉａｎｇｃｈａｏ，ｅｔａｌ．ＡＶｉｒｔｕａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎＯｐｅｎＧＬＶｉｄｅｏＳｐｅｅｄＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］． ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ），２０２１，３５（６）：２２－２８．
韩天园１，王 鹏２，许江超１，蔡鹏亮１，张 琼３
（１．长安大学 汽车学院，西安 ７１００００；２．中国汽车技术研究中心有限公司，北京 １０００７０； ３．人民交通出版社股份有限公司，北京 １０００１１）
摘 要：针对实车试验无法精准控制行驶车速而不能探究交通事故视频车速解算误差范围 的问题，基于 ＶｉｓｕａｌＣ＋＋平台搭建 ＯｐｅｎＧＬ三维模型环境后开发了车辆运行场景仿真系统。实 现了虚拟车辆的自主运动、场景的数字化编辑和视角的自由切换，并通过相机模型模拟记录车 辆纵向运动的视频图像以研究视频车速解算的准确性。结果表明：通过道路固定摄像与车体参 照物、道路固定摄像与环境参照物和本车车载摄像与环境参照物 ３种方法解算车速的最大误差 分别为 １％、２．２％和 ２％。基于双因素方差分析发现，车辆实际速度对解算结果相对误差的影 响不显著（α＝０．０５）。 关 键 词：事故车速；运行场景仿真；相机模型；方差分析 中图分类号：Ｕ４９１．３１；Ｕ４９５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－８４２５（２０２１）０６－００２２－０７
１ ０ ０ １
（５）
调用缩放函数 ｇｌＳｃａｌｅｆ（ｘ，ｙ，ｚ）进行三维图形
的尺寸变换，如式（１）所示，其中参数 ａ、ｂ、ｃ为沿 ３
个坐标轴缩放的比例因子。
ｘ ０ ０ ０ Ｘｘ Ｙｘ Ｚｘ ＸＯ
０
ｙ
０
０
Ｘｙ
Ｙｙ
Ｚｙ
ＹＯ ＝
０ ０
０ ０
ｚ ０
０ １
Ｘｚ ０
Ｙｚ ０
Ｚｚ ０
ＺＯ １
ａＸｘ ａＹｘ ａＺｘ ａＸＯ
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）
２０２１年第 ３５卷第 ６期 Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．６ ２０２１
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８４２５（ｚ）．２０２１．０６．００３
基于 ＯｐｅｎＧＬ的视频车速解算虚拟仿真试验
Ａ ＶｉｒｔｕａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎＯｐｅｎＧＬ ＶｉｄｅｏＳｐｅｅｄＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
ＨＡＮＴｉａｎｙｕａｎ１，ＷＡＮＧＰｅｎｇ２，ＸＵＪｉａｎｇｃｈａｏ１，ＣＡＩＰｅｎｇｌｉａｎｇ１，ＺＨＡＮＧＱｉｏｎｇ３
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，Ｃｈａｎｇ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００００，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣｈｉｎａＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７０，Ｃｈｉｎａ；
例如 ＣａｒＳｉｍ、Ｐｃｃｒａｓｈ等目前流行的仿真软 件主要应用 于 车 辆 动 力 性 仿 真，而 在 车 辆 可 视 化 运动性仿真 试 验 中 人 机 交 互 性 差、视 觉 表 现 不 逼 真［１８－１９］。随着虚 拟 现 实 技 术 与 信 息 技 术 的 快 速 发展，基于 ＯｐｅｎＧＬ的三维虚拟仿真被广泛应用于 现代 机 械 运 动 控 制［２０］。３ＤＭＡＸ 三 维 模 型 通 过 ＯｐｅｎＧＬ实现三维图像可视化和漫游 。 ［２１］ 本文基 于 ＶｉｓｕａｌＣ＋＋平 台 搭 建 ＯｐｅｎＧＬ三 维 模 型 环 境 后，开发了车 辆 运 行 场 景 仿 真 系 统 以 研 究 基 于 视 频车速解算方法的准确性。
离，如图 １所示。通过调整透视投影各参数实现
相机模型参数的设置。
图 １ ｇｌｕＰｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ（）函数透视关系
１ 车辆运行场景仿真系统的开发
车辆运行场景仿真是指车辆三维模型在虚拟
道路场景中 运 动 的 可 视 化 仿 真，为 模 拟 相 机 对 车
辆发生道路交通事故时的空间运动过程的视频图
像，考虑该视 频 图 像 解 算 事 故 车 速 和 探 究 解 算 结
果的可靠性，基于 ＶｉｓｕａｌＣ＋＋与 ＯｐｅｎＧＬ开发了
ｂＸｙ
ｂＹｙ
ｂＺｙ
ｂＹＯ
ｃＸｚ
ｃＹｚ
ｃＺｚ
ｃＺＯ
０ ０ ０ １
（６）
１．２ 相机模型的参数设置与视图变换
１．２．１ 虚拟相机模型构建
实际相机 拍 摄 实 质 是 一 个 透 视 投 影 过 程，不
同的横向视角和焦距大小参数有不同拍摄效果，
其中镜头决定视角和焦距大小。
在 ＯｐｅｎＧＬ中，则通过透视投影 函 数 ｇｌｕＰｅｒ
韩天园，等：基于 ＯｐｅｎＧＬ的视频车速解算虚拟仿真试验
２３
ｃａｍｅｒａｍｏｄｅｌｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｖｉｄｅｏｓｐｅｅｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ ｅｒｒｏｒｏｆｖｅｈｉｃｌｅｓｐｅｅｄｉｓ１％，２．２％ ａｎｄ２％ ｂｙｒｏａｄｆｉｘｅｄｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙａｎｄｃａｒｂｏｄｙｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，ｒｏａｄ ｆｉｘｅｄ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｒｅｆｅｒｅｎｃｅ， ａｎｄ ｖｅｈｉｃｌｅｍｏｕｎｔｅｄ ｃａｍｅｒａ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｗｏｆａｃｔｏｒＡＮＯＶＡ，ｔｈｅａｃｔｕａｌｓｐｅｅｄｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｈａｓｎｏｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｆｅｃｔ ｏｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｒｅｓｕｌｔｓ（α＝０．０５）． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｃｃｉｄｅｎｔｓｐｅｅｄ；ｒｕｎｓｃｅｎｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃａｍｅｒａｍｏｄｅｌ；ＡＮＯＶＡ