王迪 丁星兵 朱文霞 何仲華

摘要 在基于視頻圖像的車速計(jì)算中，當(dāng)目標(biāo)車輛處于夜間或隧道內(nèi)等低照度條件下時(shí)，往往無(wú)法通過(guò)常規(guī)的跟蹤點(diǎn)設(shè)置及方法計(jì)算出正確的車速，文章通過(guò)大量的資料收集、理論分析并結(jié)合實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，分析了低照度條件下車輛光軌的成因，討論了跟蹤點(diǎn)的優(yōu)選設(shè)置方案，驗(yàn)證了標(biāo)尺正確的測(cè)量位置，并形成了使用光軌作為計(jì)算標(biāo)尺的低照度視頻圖像的車速計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞 低照度視頻圖像；車速計(jì)算；光軌

中圖分類號(hào) TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）14-0001-04

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展及國(guó)家對(duì)建設(shè)法治社會(huì)的迫切要求，越來(lái)越多的監(jiān)控?cái)z像頭安裝于城市的大街小巷，但局限于監(jiān)控設(shè)備的硬件條件，當(dāng)快速移動(dòng)的目標(biāo)車輛處于夜間或隧道內(nèi)等低照度條件下時(shí)，監(jiān)控設(shè)備拍攝記錄下來(lái)的目標(biāo)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡往往是模糊不清的，這類視頻無(wú)法使用常規(guī)方法進(jìn)行計(jì)算，或使用常規(guī)方法計(jì)算但得到的計(jì)算結(jié)果誤差較大，不能滿足使用要求，當(dāng)面對(duì)公安交管部門委托的事故案件需要處理上述類型視頻時(shí)，現(xiàn)階段的技術(shù)手段就顯得捉襟見(jiàn)肘了。鑒于上述窘境，同時(shí)也是基于司法鑒定實(shí)踐的切實(shí)需要，我們亟須研究并開發(fā)出一套具有可操作性、誤差率較低的低照度視頻的車速計(jì)算方法。

1 理論分析

1.1 光軌成因

在低照度條件下，一般視頻攝錄設(shè)備為了保證拍攝的畫面相對(duì)明亮清晰，在光圈不能無(wú)限增大的前提下，只能通過(guò)降低快門速度從而達(dá)到更大進(jìn)光量的效果，因?yàn)榉怕目扉T速度，使得在視頻畫面內(nèi)快速移動(dòng)的物體產(chǎn)生拖影[1]，在這里快速移動(dòng)的物體指的便是交通事故涉事車輛，視頻畫面內(nèi)車輛形成拖影的同時(shí)，前照燈和后位燈同時(shí)也形成發(fā)光的拖影，俗稱光軌。

1.2 跟蹤點(diǎn)設(shè)置位置的選擇

根據(jù)跟蹤點(diǎn)位于光軌的位置（如圖1所示），跟蹤點(diǎn)設(shè)置位置的選擇有以下備選方案：

（1）前－前（前照燈光軌前端，后位燈或制動(dòng)燈光軌前端）。

（2）后－后（前照燈光軌后端，后位燈或制動(dòng)燈光軌后端）。

（3）中－中（前照燈光軌中點(diǎn)，后位燈或制動(dòng)燈光軌中點(diǎn)）。

（4）前－后（前照燈光軌前端，后位燈或制動(dòng)燈光軌后端）。

（5）后－前（前照燈光軌后端，后位燈或制動(dòng)燈光軌前端）。

（6）前－中（前照燈光軌前端，后位燈或制動(dòng)燈光軌中點(diǎn)）。

（7）后－中（前照燈光軌后端，后位燈或制動(dòng)燈光軌中點(diǎn)）。

（8）中－前（前照燈光軌中點(diǎn)，后位燈或制動(dòng)燈光軌前端）。

（9）中－后（前照燈光軌中點(diǎn)，后位燈或制動(dòng)燈光軌后端）。

圖1 跟蹤點(diǎn)位于光軌的位置標(biāo)示圖

其中“前－中”“后－中”“中－前”“中－后”情況類似，故簡(jiǎn)化為一種類型，由“中－后”代替，則備選方案確定如下：

（1）前－前（前照燈光軌前端，后位燈或制動(dòng)燈光軌前端）。

（2）后－后（前照燈光軌后端，后位燈或制動(dòng)燈光軌后端）。

（3）中－中（前照燈光軌中點(diǎn)，后位燈或制動(dòng)燈光軌中點(diǎn)）。

（4）前－后（前照燈光軌前端，后位燈或制動(dòng)燈光軌后端）。

（5）后－前（前照燈光軌后端，后位燈或制動(dòng)燈光軌前端）。

（6）中－后（前照燈光軌中點(diǎn)，后位燈或制動(dòng)燈光軌后端）。

因燈軌中點(diǎn)的位置需要人為在視頻畫面內(nèi)確定，相較于燈軌前、后端點(diǎn)其明暗界線清晰，燈軌中點(diǎn)位置的確定人為因素影響較大，考慮可操作性和降低人為因素干擾的前提下，排除跟蹤點(diǎn)選擇光軌中點(diǎn)位置的方案后，剩余以下備選方案：

（1）前－前（前照燈光軌前端，后位燈或制動(dòng)燈光軌前端）。

（2）后－后（前照燈光軌后端，后位燈或制動(dòng)燈光軌后端）。

（3）前－后（前照燈光軌前端，后位燈或制動(dòng)燈光軌后端）。

（4）后－前（前照燈光軌后端，后位燈或制動(dòng)燈光軌前端）。

根據(jù)上述光軌成因分析可知，光軌其實(shí)質(zhì)是燈光在視頻畫面內(nèi)的拖影，而來(lái)自燈光的光線無(wú)法擺脫燈具實(shí)體而在空氣中形成具體的象形（丁達(dá)爾現(xiàn)象除外）并被攝像機(jī)捕獲，因此前照燈光軌最前端對(duì)應(yīng)的位置不可能向前超過(guò)車輛前照燈的最前端，前照燈光軌最后端對(duì)應(yīng)的位置因?yàn)闊艟叩奈锢砀艚^不可能向后超過(guò)車輛前照燈的最后端，但事實(shí)上，由于車輛行駛方向與產(chǎn)生拖影的方向相反，前照燈光軌的最后端其實(shí)并非當(dāng)前幀下實(shí)際前照燈后端所在的位置，而是之前數(shù)幀生成的拖影后端的位置；同理，后位燈（制動(dòng)燈）光軌最前端對(duì)應(yīng)的位置因?yàn)闊艟叩奈锢砀艚^不可能向前超過(guò)車輛后位燈（制動(dòng)燈）的最前端，后位燈（制動(dòng)燈）光軌最后端對(duì)應(yīng)的位置不可能向后超過(guò)車輛后位燈（制動(dòng)燈）的最后端，但事實(shí)上，由于車輛行駛方向與產(chǎn)生拖影的方向相反，后位燈（制動(dòng)燈）光軌的最后端其實(shí)并非當(dāng)前幀下實(shí)際后位燈（制動(dòng)燈）后端所在的位置而是之前數(shù)幀生成的拖影后端的位置。

故若選擇含有前照燈光軌后端和（或）后位燈（制動(dòng)燈）光軌后端作為跟蹤點(diǎn)的方案進(jìn)行車速計(jì)算，計(jì)算誤差將是很大的（詳見(jiàn)下文驗(yàn)證試驗(yàn)部分）。

通過(guò)以上理論分析，為避免燈光拖影對(duì)跟蹤點(diǎn)位置設(shè)置的影響，選擇“前－前”（前照燈光軌前端，后位燈或制動(dòng)燈光軌前端）這一方案更加符合客觀規(guī)律。

2 確定跟蹤點(diǎn)測(cè)量位置

2.1 前照燈和后位燈（制動(dòng)燈）的構(gòu)造

在確定前照燈和后位燈具體的測(cè)量位置前，應(yīng)先了解前照燈和后位燈的基本構(gòu)造。前照燈的光學(xué)系統(tǒng)由燈泡（光源）、反射鏡和配光鏡三部分組成[2]，根據(jù)真實(shí)交通事故車輛調(diào)查及網(wǎng)上調(diào)查的車型情況，總結(jié)車輛前照燈結(jié)構(gòu)形式的分類如下：

（1）按照燈泡（光源）的不同分為白熾燈、鹵素?zé)?、氙氣燈、LED燈、激光大燈等。

（2）按照安裝數(shù)量的不同分為兩燈制前照燈和四燈制前照燈。

（3）按照配光鏡的形狀不同可分為：圓形、矩形和異形前照燈。

（4）按照前照燈與信號(hào)燈是否布置為一個(gè)整體可分為整體式前照燈和分體式前照燈。

后位燈的光學(xué)系統(tǒng)與前照燈類似，由燈泡（光源）、反射鏡和配光鏡三部分組成，但后位燈的結(jié)構(gòu)相對(duì)更簡(jiǎn)單一些，某些車型的后位燈沒(méi)有設(shè)置反射鏡。根據(jù)真實(shí)交通事故車輛調(diào)查及網(wǎng)上調(diào)查的車型情況，總結(jié)車輛后位燈（制動(dòng)燈）結(jié)構(gòu)形式的分類如下：

（1）按照燈泡（光源）的不同分為白熾燈、鹵素?zé)簟ED燈等。

（2）按照配光鏡的形狀不同可分為圓形、矩形和異形后位燈。

（3）按照后位燈與制動(dòng)燈是否共用同一個(gè)配光鏡可分為整體式后位燈和分離式后位燈。

值得注意的是，某些車型的后部燈具在車輛的外側(cè)面設(shè)計(jì)制造有反光裝飾構(gòu)造，這些反光裝飾構(gòu)造不與后位燈或制動(dòng)燈的燈腔連通，不具備主動(dòng)反光的能力，而是為了美觀和提供被動(dòng)反光，“前，前”方案中的標(biāo)尺長(zhǎng)度顯然不應(yīng)將其包含在內(nèi)，測(cè)量時(shí)應(yīng)注意予以區(qū)分。

2.2 側(cè)視投影邊界曲線

通過(guò)調(diào)查并對(duì)各種類型前照燈和后位燈（制動(dòng)燈）進(jìn)行側(cè)視圖投影拍攝可以發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)車輛的前照燈側(cè)視投影的最前端并非燈泡（光源），也不是配光鏡，而是反光鏡，因?yàn)檐囕v造型的不同反光鏡的前端側(cè)視投影邊界也呈現(xiàn)出不同的形狀和曲線，同樣的絕大多數(shù)車輛的后位燈（制動(dòng)燈）側(cè)視投影的最前端也并非燈泡（光源），而是反光鏡的前端邊緣，因?yàn)檐囕v造型的不同反光鏡的前端側(cè)視投影邊界也呈現(xiàn)出不同的形狀和曲線。

2.3 靜態(tài)測(cè)試

為了更加貼近實(shí)際工作中遇到的情況，研究人員做了夜間車輛開燈側(cè)面情況與白天的靜態(tài)對(duì)比，并分別標(biāo)記出具體的測(cè)量位置。

通過(guò)觀察可以看出：夜晚車輛前照燈點(diǎn)亮?xí)r，前照燈整體發(fā)光，區(qū)分不出前照燈的內(nèi)部構(gòu)造及燈泡所處的具體位置，且發(fā)光體前端邊緣并非燈泡（LED燈條）實(shí)際發(fā)光的位置，而是整個(gè)前照燈整體燈框的最前端。

后位燈因內(nèi)部構(gòu)造呈現(xiàn)出條狀發(fā)光，可以區(qū)分上、下兩處發(fā)光條及相應(yīng)反光鏡前端點(diǎn)的位置，該后位燈在車身側(cè)面有反光構(gòu)造，在沒(méi)有其他光線照射的情況下，其自身不發(fā)光，測(cè)量時(shí)不應(yīng)包含其長(zhǎng)度。

2.4 測(cè)量原則

根據(jù)以上靜態(tài)測(cè)試結(jié)果可知，前照燈白天目測(cè)情況下最前端為反光鏡最前端，夜間開燈后由于環(huán)境光較暗而前照燈很明亮，明亮燈光的照射使得前照燈燈框也起到了反光鏡的作用。因此前照燈的測(cè)量位置應(yīng)為整體燈框側(cè)視投影的最前端，后位燈（制動(dòng)燈）的測(cè)量位置較為明朗，即為后位燈（制動(dòng)燈）反光鏡側(cè)視投影的前端邊緣。

基于前述對(duì)車輛燈具的調(diào)查分析及靜態(tài)測(cè)試結(jié)果可以得到如下測(cè)量原則（以乘用車為例）：

（1）因前照燈光學(xué)系統(tǒng)組成相對(duì)簡(jiǎn)單，雖然前照燈造型繁多，光源各異，但測(cè)試結(jié)果都趨于一致，即以前照燈整體燈框側(cè)視投影的最前端為測(cè)量基準(zhǔn)。

（2）測(cè)量后位燈（制動(dòng)燈）前端時(shí)，以后位燈（制動(dòng)燈）反光鏡側(cè)視投影的前端邊緣為測(cè)量基準(zhǔn)，注意區(qū)分后位燈和制動(dòng)燈不同的點(diǎn)亮位置，注意區(qū)分反光構(gòu)造（本身不發(fā)光）。

（3）因不同車型的車燈造型各異，實(shí)際測(cè)量時(shí)應(yīng)因車而異，采用靜態(tài)對(duì)比的方式確定測(cè)量的具體位置。

其他類型道路車輛（商用車、摩托車、電動(dòng)自行車等）的照明、信號(hào)裝置與乘用車大同小異，測(cè)量原則可參照乘用車，對(duì)于有特殊形式照明、信號(hào)裝置的車輛，因具體問(wèn)題具體分析，采用靜態(tài)對(duì)比的方式確定測(cè)量的具體位置。

3 動(dòng)態(tài)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)模擬試驗(yàn)，獲得設(shè)置于試驗(yàn)車輛上的測(cè)試儀器車速數(shù)據(jù)作為比對(duì)基準(zhǔn)，使用相機(jī)對(duì)垂直于（或近似垂直于）測(cè)試路段的車輛行駛軌跡進(jìn)行拍攝，獲得模擬視頻，分別測(cè)量試驗(yàn)車輛不同跟蹤點(diǎn)的間距，相應(yīng)地依次采用不同跟蹤點(diǎn)設(shè)置方案對(duì)試驗(yàn)車輛通過(guò)測(cè)試路段的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤，導(dǎo)出跟蹤點(diǎn)坐標(biāo)，利用“時(shí)間插值法”精確計(jì)算模型[3]對(duì)車速進(jìn)行計(jì)算并繪制時(shí)間—速度曲線，與測(cè)試儀器車速數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)車輛跟蹤點(diǎn)間距測(cè)量如表1。

根據(jù)上文跟蹤點(diǎn)設(shè)置位置選擇的備選方案，對(duì)應(yīng)將跟蹤點(diǎn)間距長(zhǎng)度一一代入視頻車速計(jì)算模型中計(jì)算，繪制時(shí)間—速度曲線，并將各個(gè)備選方案的計(jì)算結(jié)果與測(cè)試儀器車速數(shù)據(jù)一同繪入圖2中。

把每種方案與測(cè)試基準(zhǔn)值的連續(xù)差值繪入圖3中。

從圖2、圖3中可以看出，所有備選方案的時(shí)間—速度曲線趨勢(shì)與測(cè)試基準(zhǔn)值的趨勢(shì)一致，在測(cè)試段內(nèi)均為“勻速－減速”的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，但“后－前”和“前－后”兩個(gè)方案的誤差較大，其余4個(gè)方案的誤差相對(duì)較小，排除“后－前”和“前－后”兩個(gè)方案后，將剩余4個(gè)方案與測(cè)試基準(zhǔn)值的連續(xù)差值繪入同一圖中并縮短縱坐標(biāo)量程，如圖4所示。

將優(yōu)選備選方案與基準(zhǔn)值的誤差百分比繪入圖5中，如圖5所示。

從圖4、圖5可以看出：

“前－前”方案與測(cè)試基準(zhǔn)值的誤差最小，最大誤差絕對(duì)值2.69%，最小誤差絕對(duì)值0.03%，絕對(duì)平均誤差0.75%。

“中－中”方案與測(cè)試基準(zhǔn)值的誤差較小，最大誤差絕對(duì)值3.31%，最小誤差絕對(duì)值0.53%，絕對(duì)平均誤差2.16%。

“后－后”方案與測(cè)試基準(zhǔn)值的誤差較大，最大誤差絕對(duì)值5.13%，最小誤差絕對(duì)值1.93%，絕對(duì)平均誤差3.38%。

“中－后”方案與測(cè)試基準(zhǔn)值的誤差最大，最大誤差絕對(duì)值9.04%，最小誤差絕對(duì)值4.69%，絕對(duì)平均誤差7.03%。

研究人員利用上述相同方法對(duì)車速分別為35 km/h、40 km/h、45 km/h、50 km/h、60 km/h、65 km/h、75 km/h、80 km/h的，分別裝有不同類型前照燈和后位燈（制動(dòng)燈）的車輛進(jìn)行了測(cè)試比對(duì)，比對(duì)結(jié)果均一致，即跟蹤點(diǎn)設(shè)置位置的最優(yōu)方案為“前－前”，這與前述對(duì)光軌的理論分析及靜態(tài)測(cè)試的結(jié)論一致，同時(shí)也印證了“前－前”方案相對(duì)應(yīng)的前照燈和后位燈具體的測(cè)量位置為前照燈整體燈框側(cè)視投影的最前端及后位燈（制動(dòng)燈）反光鏡側(cè)視投影的前端邊緣這一結(jié)論的正確性。

4 結(jié)合司法鑒定實(shí)踐的思考

綜上全文，并結(jié)合司法鑒定實(shí)踐的一些思考和注意事項(xiàng)：

（1）跟蹤點(diǎn)的選擇采用“前－前”方案最為合理，且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該方案的誤差較小。

（2）依據(jù)測(cè)量原則對(duì)事故車輛前、后燈距進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，必要時(shí)采用靜態(tài)對(duì)比的方式確定具體的測(cè)量位置。

（3）根據(jù)車輛運(yùn)動(dòng)軌跡在視頻畫面內(nèi)的位置，盡量選取能夠看到車輛正側(cè)面或近似正側(cè)面的行駛區(qū)段進(jìn)行跟蹤計(jì)算。

（4）該文討論的視頻情形是相機(jī)鏡頭光軸線垂直于（或近似垂直于）測(cè)試路段車輛行駛軌跡的情況，若車輛行駛軌跡與相機(jī)鏡頭光軸線呈一定角度，則需另做討論。

（5）該文討論的是目標(biāo)車輛在視頻畫面內(nèi)做直線或近似直線運(yùn)動(dòng)的情形，若目標(biāo)車輛在視頻畫面內(nèi)做曲線運(yùn)動(dòng)，則應(yīng)參照車輛做曲線運(yùn)動(dòng)的修正策略[4]對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。

5 結(jié)語(yǔ)

基于視頻圖像的車速鑒定技術(shù)越來(lái)越廣泛地運(yùn)用到實(shí)際交通事故處理過(guò)程中，低照度視頻的車速計(jì)算是視頻車速計(jì)算中的難點(diǎn)。該文對(duì)低照度視頻的車速計(jì)算方法進(jìn)行了科學(xué)驗(yàn)證和深入研究，基于理論分析、大數(shù)據(jù)量的樣本分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了光軌成因及如何運(yùn)用光軌進(jìn)行車速計(jì)算的科學(xué)方案。

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