摘要 在運(yùn)用視頻資料計(jì)算車速時(shí)，逐幀播放視頻過程常遇到跳幀或停頓等異?，F(xiàn)象，而視頻播放器本身所帶的讀取文件信息相關(guān)功能軟件卻不能正確識(shí)別跳幀或停頓現(xiàn)象，導(dǎo)致其提供的文件信息和實(shí)現(xiàn)信息不符，尤其計(jì)算車速所必需的幀速率，如不能正確地識(shí)別視頻的實(shí)際幀速率，計(jì)算結(jié)果將得不到保證?；诖藛栴}，文章將通過視頻跟蹤點(diǎn)坐標(biāo)值像素差之間的數(shù)值大小關(guān)系來分析、計(jì)算視頻的實(shí)際幀速率，為使視頻資料計(jì)算車速時(shí)誤差盡可能小、使計(jì)算值盡可能地接近實(shí)際值提供了一種切實(shí)可行的方法。

關(guān)鍵詞 視頻車速；幀速率；像素差值；視頻停頓；視頻掉幀

中圖分類號(hào) TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）15-0001-05

0 引言

在通過視頻計(jì)算車速過程中，常常遇到視頻播放不流暢，播放過程中有停頓、跳躍或者整個(gè)視頻是加速（或減速）播放現(xiàn)象，也常遇到同一視頻使用不同播放器打開時(shí)顯示視頻幀速率卻不一樣。為了解決不同播放器顯示幀速率不一致問題，找出視頻實(shí)際的幀速率，該文將闡述通過視頻像素差值判斷視頻是否有跳幀和（或）停頓現(xiàn)象，并為視頻跳幀和（或）停頓后如何計(jì)算視頻的實(shí)際幀速率提供一種行之有效的解決方法。

1 方法論

用運(yùn)動(dòng)跟蹤軟件Kinovea 打開視頻文件，選取目標(biāo)車輛為跟蹤對(duì)象，在跟蹤對(duì)象上選取幾乎在同一水平高度有明顯特征且易于分辨的兩個(gè)特征點(diǎn)，逐幀跟蹤特征點(diǎn)隨視頻移動(dòng)的位置，導(dǎo)出跟蹤點(diǎn)的X 軸、Y 軸像素坐標(biāo)值和時(shí)間坐標(biāo)。

分別計(jì)算X 軸及Y 軸值終值減去初值的絕對(duì)值，選擇兩絕對(duì)值數(shù)值大的坐標(biāo)值為計(jì)算數(shù)據(jù)。確定X 軸（或Y 軸）為計(jì)算數(shù)據(jù)后，依次計(jì)算相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)的差值，找出相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)差值的最小值，如果某個(gè)差值近似于其他差值的n 倍，說明此差值處前后兩幀間跳了n?1 幀，以此類推，可以確定跳幀的位置和幀數(shù)；如果差值為“0”，說明此差值視頻有停頓。

2 視頻跳幀數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Kinovea 軟件對(duì)某小型普通客車（以下簡(jiǎn)稱甲車）肇事碰撞前一段時(shí)間內(nèi)，在甲車前、后輪輪芯處分別設(shè)置跟蹤點(diǎn)，逐幀播放直視頻，并導(dǎo)出甲車前、后輪輪芯X 軸、Y 軸像素坐標(biāo)值和時(shí)間坐標(biāo)原始值Excel 數(shù)據(jù)表，如圖1 所示。

觀察甲車坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在X 軸上數(shù)據(jù)變化較大，在Y軸上變化較小，故實(shí)例中選取X 軸為計(jì)算數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)變化說明甲車在X 軸線方向上的位移大于Y 軸上的位移，從視頻中車輛運(yùn)行軌跡也能證實(shí)這一結(jié)論。

在數(shù)據(jù)表中，將X 軸數(shù)據(jù)前值減后值即X0?X1、X1?X2、X2?X3 等以此類推，將連續(xù)兩坐標(biāo)值的差值分別放于X0、X1、X2、X3 等數(shù)值后。

觀察發(fā)現(xiàn)數(shù)值總體呈現(xiàn)遞減排列，此為Kinovea 軟件視頻像素“ 近大遠(yuǎn)小” 現(xiàn)象，同時(shí)也觀察到X 軸數(shù)據(jù)前值減后值所得的結(jié)果忽大忽小，根據(jù)車輛行駛時(shí)在極短時(shí)間內(nèi)是近似勻速運(yùn)動(dòng)的原理，理論上差值所得結(jié)果應(yīng)為或遞增或遞減或均等數(shù)列，數(shù)據(jù)一致性不強(qiáng)說明視頻有跳幀和（或）停頓現(xiàn)象。

仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，數(shù)值排列為“ 小—大大—小—大大”循環(huán)，且“ 大” 的近似“ 小” 兩倍左右。根據(jù)上述方法論，數(shù)值“ 小” 的即為該視頻真正的一幀，而數(shù)值近似“ 小”的兩倍處說明視頻播放過程中跳了一幀，原視頻此處應(yīng)為2 幀。

同樣通過圖1，開始跟蹤甲車運(yùn)行軌跡時(shí)，序號(hào)為“0”，此時(shí)數(shù)據(jù)表上顯示時(shí)間為“0：00：55：63”，當(dāng)時(shí)間走過一秒即“0：00：56：63” 時(shí)序號(hào)為“15”。這就是Kinovea 軟件因不能識(shí)別出視頻有“ 跳幀” 現(xiàn)象，默認(rèn)此視頻幀速率為153.2 補(bǔ)幀后和未補(bǔ)幀計(jì)算車速比較將甲車補(bǔ)幀后和未補(bǔ)幀（原視頻）車速進(jìn)行綜合比較如圖3。

由圖3 可見同一起事故中甲車的兩組車速數(shù)據(jù)趨勢(shì)大體相同，但未補(bǔ)幀前車速數(shù)值跳動(dòng)較大，而補(bǔ)幀后車速數(shù)值幾乎呈一條光滑曲線，數(shù)據(jù)中少數(shù)個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)有跳動(dòng)現(xiàn)象，多為視頻圖像分辨率較低、視頻圖像模糊或視頻有抖動(dòng)現(xiàn)象，在跟蹤過程中由人為原因引起的跟蹤點(diǎn)位選擇不一致所導(dǎo)致的誤差。

4 視頻停頓數(shù)據(jù)處理

選取另一播放過程有停頓現(xiàn)象的視頻文件，運(yùn)用Kinovea 軟件對(duì)某型號(hào)小型轎車（以下簡(jiǎn)稱丙車）肇事碰撞過程內(nèi)，在丙車前、后輪輪芯處分別設(shè)置跟蹤點(diǎn)，逐幀播放直至碰撞結(jié)束，導(dǎo)出數(shù)據(jù)表，如圖4。觀察丙車運(yùn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在X 軸上數(shù)據(jù)變化較大，在Y 軸上變化較小，故實(shí)例中選取X 軸為計(jì)算數(shù)據(jù)。將X 軸數(shù)據(jù)前值減后值即X0-X1、X1-X2、X2-X3 等以此類推，將連續(xù)兩坐標(biāo)值的差值分別放于X1、X2、X3、X4 等數(shù)值后（見圖4）。觀察發(fā)現(xiàn)數(shù)值總體呈現(xiàn)遞增排列，

未見有數(shù)值是其前、后數(shù)值的倍數(shù)關(guān)系，說明視頻播放過程中沒有跳幀現(xiàn)象，同時(shí)也看數(shù)值中有許多“0”（見圖4），差值為“0” 處前后兩幀X 軸和Y 軸數(shù)值完全一致（見圖4），說明此處視頻圖像未走動(dòng)，這就是視頻逐幀播放過程有停頓現(xiàn)象的原因，但視頻時(shí)間卻與等差關(guān)系在跳動(dòng)。

同樣通過圖4，開始跟蹤丙車運(yùn)行軌跡時(shí)，序號(hào)為“0”，此時(shí)數(shù)據(jù)表上顯示時(shí)間為“0：00：02：72”，當(dāng)時(shí)間走過一秒即“0：00：03：72” 時(shí)序號(hào)為“25”，這就是Kinovea軟件因不能識(shí)別出視頻停頓現(xiàn)象，默認(rèn)此視頻幀速率為25 幀的原因，然而經(jīng)過上述分析此視頻有停頓現(xiàn)象，真正幀速率并不是25 fps。

要確定視頻真實(shí)幀速率，需將視頻停頓（即重復(fù)無效）的幀刪除，再計(jì)算X 軸或Y 軸連續(xù)兩坐標(biāo)值的差值的變化規(guī)律，若差值連續(xù)、平順刪除所停頓的幀后，剩下的即為視頻真正的幀速率，若差值存在倍數(shù)關(guān)系，說明視頻播放過程中有跳幀現(xiàn)象，還需將所跳幀補(bǔ)上后才為視頻真實(shí)的幀速率。

將圖5 中丙車跟著數(shù)據(jù)中停頓幀刪除，數(shù)據(jù)處理完成后得圖6，可見開始跟蹤丙車運(yùn)行軌跡時(shí)，序號(hào)為“0”，此時(shí)時(shí)間為“0：00：02：72”，當(dāng)時(shí)間走過一秒即“0：00：03：72”時(shí)序號(hào)為“20”，說明此視頻真實(shí)的幀速率為20 幀，而不是文件信息所顯示的25 幀，視頻播放時(shí)一秒內(nèi)停頓了5幀。刪除停頓幀后再將X 軸數(shù)據(jù)前值減后值未見倍數(shù)關(guān)系，說明此視頻僅存在停頓現(xiàn)象，不存在跳幀現(xiàn)象。用上述3.1 條車速計(jì)算方法，計(jì)算丙車原始數(shù)據(jù)及處理后數(shù)據(jù)的車速，車速合并對(duì)比如圖6 所示。

由圖6 可見丙車原始數(shù)據(jù)及處理后數(shù)據(jù)兩次計(jì)算車速數(shù)據(jù)趨勢(shì)大體相同，但原始數(shù)據(jù)車速數(shù)值跳動(dòng)較大，且圖像停頓處車速數(shù)值不連續(xù)存在斷點(diǎn)現(xiàn)象，為圖像停頓處X、Y 軸坐標(biāo)值前后值相等，即Xn?Xn+1=0，Yn?Yn+1=0，運(yùn)用公式（2）計(jì)算車速時(shí)，因公式分母為0 致使公式不能計(jì)算所致。

而處理后數(shù)據(jù)車速數(shù)值幾乎呈一條光滑曲線，數(shù)據(jù)中少數(shù)個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)有跳動(dòng)現(xiàn)象，多為視頻圖像分辨率較低、視頻圖像模糊或視頻有抖動(dòng)現(xiàn)象，在跟蹤過程中由人為原因引起的跟蹤點(diǎn)位選擇不一致所導(dǎo)致的誤差。

5 視頻跳幀和停頓數(shù)據(jù)綜合處理

上述描述的是僅有跳幀或停頓現(xiàn)象，而當(dāng)視頻同時(shí)存在跳幀和停頓現(xiàn)象時(shí)，因兩種情況同時(shí)存在一跳一停現(xiàn)象，會(huì)出現(xiàn)兩種結(jié)果：

（1）視頻跳幀數(shù)和掉幀數(shù)一致，導(dǎo)致視頻文件信息顯示的幀速率與視頻實(shí)際幀速率一致，此種現(xiàn)象較少。

（2）視頻跳幀數(shù)和掉幀數(shù)不一致，導(dǎo)致視頻文件信息顯示的幀速率與視頻實(shí)際幀速率不一致，此種現(xiàn)象較為常見。

跳幀數(shù)和掉幀數(shù)一致時(shí)只是時(shí)間一致，而跟蹤點(diǎn)的數(shù)據(jù)不是有規(guī)律的連續(xù)，若不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理直接計(jì)算車速，車速數(shù)值間跳動(dòng)較大，而車輛行駛時(shí)在極短時(shí)間內(nèi)是近似勻速運(yùn)動(dòng)，若極短時(shí)間內(nèi)連續(xù)數(shù)值跳動(dòng)較大說明是不符合邏輯的。

跳幀數(shù)和掉幀數(shù)不一致時(shí)更需要按上述車速計(jì)算方法，先將停頓的幀刪除，在根據(jù)掉幀的倍數(shù)補(bǔ)上所掉的幀，才使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，更接近真實(shí)值。經(jīng)驗(yàn)證，為了客觀、真實(shí)、準(zhǔn)確、連續(xù)地計(jì)算車速，當(dāng)視頻同時(shí)存在跳幀和停頓現(xiàn)象時(shí)，不管跳幀數(shù)和掉幀數(shù)是否一致，均需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后才能計(jì)算車速。

6 結(jié)語

如何準(zhǔn)確使用有停頓、掉幀視頻來計(jì)算車輛的行駛速度，是道路交通事故鑒定工作的一大技術(shù)難題，該文創(chuàng)新性地提出了通過視頻像素差值判斷停頓、掉幀及停頓、掉幀后車速計(jì)算方法，文中深入分析了視頻圖像幀速率異常的原因及停頓、掉幀后計(jì)算視頻真實(shí)幀速率的處理辦法，并通過實(shí)例完整演示計(jì)算肇事車輛的行駛速度。經(jīng)大量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)用的檢驗(yàn)，采用此方法可以客觀、真實(shí)、準(zhǔn)確、連續(xù)計(jì)算出車輛的行駛速度，為視頻車速計(jì)算提供了強(qiáng)大的保障，也為視頻車速計(jì)算增添了一種行之有效的新方法。

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