火場視頻內容深度解析初探

李紅宇，劉冠華，王明直，樊武龍，侯欣雨

公安部物證鑒定中心，北京 100038

當前火災案事件調查多依賴現場勘查與痕跡物證提取分析，依據火災痕跡物證形成機理與證明作用，反推起火部位、起火點、起火時間、起火原因、可燃物、火勢蔓延方向等，從而還原火災發展歷程、分析重建火災現場，為案事件定性與偵破提供技術支撐。近年來，隨著監控成像設備的廣泛應用，現場勘查人員通常可獲取火災現場附近的監控視頻，在保障提取合法性、影像真實性的基礎上，監控視頻特有的客觀性、直觀性、持續性、聯動性，可幫助勘查人員對火災發生、發展過程有較清晰的認識，視頻影像亦可作為影像資料證據用于案件的偵查與訴訟。學者們針對監控視頻在火災案事件調查中的應用作了相關探究，但多停留在個案視頻分析應用[1]、視頻提取方案及視頻應用原則方面[2-3]的介紹。例如：王鑫等介紹了應用視頻監控對一起鴨棚火災的調查過程，并分析了視頻監控在火災調查中的作用及使用注意事項[4]；王俊杰介紹了視頻監控錄像的特點、在火災調查中的應用方法及原則等[5]。但對于如何深度挖掘視頻承載的火場歷程信息，得到可指導現場勘驗及提供偵查線索方面的研究還遠遠不夠。

起火初期視頻承載大量關于起火部位、起火時間、起火原因、可燃物的隱藏信息，筆者力求深度挖掘起火初期視頻中關于火焰、煙氣、背景物品光亮等信息，總結各類火場視頻內容解析關注要點，進行火場視頻內容深度解析，以作為現場勘查與案事件調查的重要輔助手段，為重點勘驗部位確定、關鍵痕跡物證提取、起火信息判定等提供線索與支撐。

1 近距離火焰視頻內容深度解析

通過分析起火初期火焰變化的近距離視頻，勘查人員可輕易獲取起火部位、起火時間等信息，但視頻中承載的起火物種類、是否使用助燃劑等關鍵信息還可進一步深度挖掘。在天津港“8·12”特大火災爆炸事故調查中，通過對起火初期近距離火焰視頻內容的深度解析與偵查試驗驗證，判斷起火原因為固體燃燒，扭轉了前期液體燃燒導致起火的調查方向，為現場處置與原因調查節約了寶貴時間及大量人力、物力、財力。因此，在進行近距離火焰視頻內容深度解析時，應重點分析火焰燃燒特征，力求對起火物種類進行初判。

氣體、液體、固體三類物質燃燒特征不同，可作為起火物種類初判的依據。(1)氣體燃燒特征。氣體燃燒是反應最劇烈、速度最快的燃燒，具有很強的擴散性。可燃氣體與空氣混合越充分，擴散性越強，危害范圍越大。若可燃氣體與空氣混合比例處于爆炸比例范圍內，可直接發展為氣體爆炸，破壞力極強。(2)液體燃燒特征。可燃液體燃燒不是液體本身燃燒，而是液體受熱形成蒸氣進行燃燒反應的蒸發燃燒，閃燃、沸溢、噴濺是液體燃燒的主要特征[6]。閃燃指可燃液體揮發出的蒸氣與空氣混合達到一定濃度時，遇到引火源或達到閃點發生的一閃即滅的燃燒，燃燒產物瞬間膨脹又明顯回縮是其主要表現形式。圖1所示為典型閃燃現象，它是發生液體燃燒的先兆表現。當可燃液體黏度較大或含有水分(乳化水、水墊)時，由于燃燒放熱造成液面以下部分液體或水分達到沸點，沸騰液體或水蒸氣不易由下而上穿過液面，則產生沸溢或噴濺現象。液態烴類燃燒常伴有閃燃現象，醚類燃燒常伴有明顯沸騰狀，重質石油產品發生燃燒則常伴有沸溢與噴濺現象[7]。(3)固體燃燒特征。固體燃燒是火災最主要的燃燒形式，可分為蒸發燃燒、表面燃燒、分解燃燒、熏煙燃燒(陰燃)、動力燃燒(爆炸)等多種形式[7]，其燃燒特征與可燃物性質密切相關。有些固體可燃物的燃燒同時包含兩種或兩種以上形式，如在適當的外界條件下，木材、紡織品、紙張等燃燒存在表面燃燒、分解燃燒、熏煙燃燒等不同形式。

圖1 某縱火案件中火焰閃燃現象

當現場勘查人員獲取到火災初期近距離火焰視頻時，可依據氣體、液體、固體可燃物燃燒特征，觀察燃燒劇烈程度、燃燒速度等對可燃物種類進行初判。如觀察到火焰迅速蔓延或快速布滿整個空間，則重點勘查是否為可燃氣體燃燒并尋找氣體泄漏源；當觀察到閃燃、沸溢、噴濺中任一燃燒現象，應著重發現、提取液體可燃物或考慮現場存在液體助燃劑；固體燃燒特征復雜，可采用排除氣體、液體可燃物燃燒的方法或開展偵查試驗進行確定。對可燃物種類的初判可為現場勘查重點提供方向，為偵查提供線索，為案事件調查節約寶貴時間。

2 遠距離火焰視頻內容深度解析

對于可能記錄了起火初期火焰變化的遠距離視頻，如何排除其他光源的干擾，對火焰進行準確識別是此類視頻深度解析的重點。在燃燒過程中，火焰的顏色、形狀等都在不斷變化，可利用視頻幀及幀間的關聯性，提取火焰的顏色特征、形態特征與運動特征，并依此對火焰進行準確識別。

2.1 依據顏色特征識別火焰

火焰由焰心、內焰、外焰組成，溫度由內向外依次增高。焰心由未燃燒的可燃氣體組成，無光亮反應，呈黑色；內焰由未完全燃燒的氣體組成，為火焰最明亮的部分；外焰是氣體完全燃燒的部分，幾乎無光，但有較強的熱輻射。火焰整體一般呈紅色調，隨溫度升高，內焰呈現亮白色或淡藍色，由內向外依次變黃、變橙、變紅[8]，常見火焰顏色及形態如圖2所示。

圖2 常見火焰顏色及形態特征

在利用視頻影像中火焰顏色特征對火焰進行識別時，可在RGB、HSV和YcbCr任一色彩空間上提取疑似火焰的像素點，并采集相同環境條件下真實火焰像素點，通過比對真實火焰與視頻內提取的火焰像素點或開展偵查試驗對火焰進行識別。需注意R、G、B相關性較強，像素點提取易受環境光及攝影設備本身影響。視頻中火焰的顏色特征提取方法較簡單，但不同材料燃燒火焰的顏色差異性較大，需在觀察分析大量試驗樣本的基礎上使用該方法，一般作為火焰識別的輔助分析手段。

2.2 依據形態、運動特征識別火焰

從視覺角度看，火焰具有極不規則的形狀、一定的閃爍頻率與尖角特征。火焰形狀隨環境條件、可燃物性質、燃燒程度變化而不同，表現出宏觀穩定、微觀波動的特征，即火焰中心短時間內處于較穩定的狀態與位置，火焰外圍產生非剛性跳動并具有一定的頻率，即閃爍頻率，一般范圍為8～10 Hz[8]。燃燒產生的氣體溫度高、密度低，與周圍空氣的密度差會產生浮力，使火焰整體向上并在尾端呈現尖角，如圖2所示。

與火焰不同，環境中的光源，如電燈、車燈等一般形狀規則，具有宏觀穩定、微觀亦穩定的形態特征，不會產生邊緣跳動的現象。當觀察到一定時間內光源形狀不規則、邊緣跳動明顯時，可初步判定此光源為火焰，進而根據其出現時間、火焰大小、燃燒現象等分析火源性質。當視頻內需觀察的對象距離較遠時，可能無法準確捕捉火焰整體形狀，但因其具有的尖角特征區別于常見光源一般具有的圓角、鈍角或直角特征，可以此作為識別火焰的有效判據。在進行尖角特征解析時，需對視頻圖像進行降噪處理以凸顯觀察目標本體特征，判斷其是否具有尖角特征，尖角為火焰尖角還是由噪聲或毛刺引起的尖角，從而判斷光源是否為火焰。

3 煙氣視頻內容深度解析

一般火災初期會產生大量煙氣，當火場周圍監控不能直接拍到火焰時，煙氣是判斷起火部位的重要依據，甚至一定程度上可反映火勢情況。以燃燒生成的熱量作為驅動力，煙氣同時具有上浮和熱脹雙重流動特征。燃燒越劇烈，分子運動速度越快，煙氣密度越小，其與周圍常溫空氣密度差加大，產生的浮力隨之增大，自下而上流動速度加快，這在橫向氣流較弱的情況下最為明顯。火災煙氣一般流動速度見表1[9]。由表1可知，在不受外界環境條件影響時，煙氣垂直流動速度遠大于水平流動速度。

表1 火災煙氣一般流動速度

煙氣在上升飄散過程中，形狀不斷發生變化，其輪廓和邊界逐漸模糊，體積不斷擴大，但煙氣發生源的位置，即火源位置短時間內穩定不變，可根據視頻影像中煙氣流動方向和速度，對起火部位與火勢情況進行初判。本文默認視頻監控在較高位置，根據煙氣上升飄散規律，當煙氣由視頻畫面下方進入時，主要表現為煙氣的垂直流動，表明起火部位與監控攝像頭的水平距離較近，且位于煙氣水平流動方向的反方向；當煙氣由視頻畫面左側或右側進入時，主要表現為煙氣水平方向的流動，表明起火部位處于煙氣進入視頻畫面的一側，且與攝像頭的水平距離較遠；當煙氣由視頻畫面上方進入時，表明監控位置附近有墻面或物品遮擋，起火部位距離較遠，煙氣高位流動遇到障礙后向下翻卷進入視頻畫面。

有條件時可對煙氣流動速度進行估算，并依據煙氣流動速度與起火時間階段的映射關系，對火災階段與火勢大小進行初判。選取視頻畫面中無移動、有標志性的建筑點位或物品進行定位與測量，并對視頻圖像進行校正與比例換算。在視頻影像中選取幾粒可追蹤運動軌跡的煙塵粒子，定位其某段時間內水平或垂直運動始點與末點在視頻影像中的點坐標、距離、角度等信息，并通過時間戳計算運動時間，對煙氣水平或垂直流動速度進行估算，依據表1推斷火勢大小及燃燒階段。需注意的是，擴散開的煙氣具有薄紗效應，會使背景的高頻細節信息產生衰減[10]。另外，視頻影像中的煙氣顏色不僅與煙氣組成相關，煙氣濃度及背景光照對其影響也較大，因此魯棒性較差，不推薦通過深度解析煙氣顏色來獲取火場信息。

4 背景物品視頻內容深度解析

當監控視頻無法直接獲取火源及煙氣變化信息時，火場內背景物品表面存在的反射光亮可一定程度反映起火時間及起火部位等火場關鍵信息。2018年7月15日，河南省某五金雜貨商店發生火災，通過深度解析室內監控視頻可發現，視頻時間3時26分57秒時貨架上某線圈塑料包裝及金屬梯上部出現橙紅色光亮變化，表明此時該房間出現火光，該房間起火時間為視頻時間3時26分57秒左右。在火災現場，背景物品具有的光滑平面或曲面對火光進行反射，可在一定程度上反映起火部位。如圖3貨架中線纜的塑料包裝，出現光亮變化的位置靠近監控方向，因此起火部位位于監控方向一側。粗糙材質或有遮擋的背景物品因漫反射現象明顯，一般僅能反映火源的出現、存在、滅失等過程現象，難以用于分析起火部位。因此，在利用背景物品光亮變化幫助分析起火時間與部位時，需重點關注具有光滑表面的物品，并逐幀分析其光亮變化，獲取發生光亮變化的時間與位置，以分析推斷起火準確時間和起火部位。

當火場環境昏暗，難以發現背景物品明顯的光亮變化時，可通過觀察環境整體光亮反應判斷是否有火源存在。因火焰具有的閃爍與跳動性，環境光亮會出現類似的頻閃或明暗交替現象，頻率與火焰閃爍頻率正相關。當觀察到環境光亮有此現象時，可初步判斷附近有火焰出現，再根據現場勘查進一步確定起火部位等。

圖3 某火災現場背景物品光亮變化

5 結論

本文提出深度挖掘火場起火初期視頻中關于火焰、煙氣、背景物品光亮等的解析要點或分析方法，以得出可支撐確定起火部位、起火時間、起火原因、可燃物的隱藏信息，為現場勘查與案事件調查提供幫助，主要結論如下：(1)對近距離火焰視頻內容進行深度解析，可根據氣體、液體、固體三類物質燃燒特征的不同，通過分析火焰燃燒特征判斷可燃物種類、有無助燃劑及火災性質等，為案事件定性及現場勘查重點提供方向。(2)對遠距離火焰視頻內容進行深度解析，可根據火焰的顏色特征、形態特征(不規則形狀、尖角特征)與運動特征(閃爍)等，排除常見光源的干擾，以準確識別火焰，為還原火焰出現、存在等現象提供支撐。(3)對煙氣視頻內容進行深度解析，可根據煙氣流動方向對起火部位進行初判，通過測定視頻內某些煙塵粒子的速度初步判定起火階段或條件，幫助整體把握火場情況。(4)對背景物品視頻內容進行深度解析，應重點關注具有光滑表面的平面或曲面背景物品，分析其出現光亮變化的時間與位置，為判定起火時間與起火部位提供幫助。

需注意的是，本文提出的深度解析火場視頻內容的要點與方法，在實際使用時應根據案事件具體情況進行選擇。由此解析出的各類信息，不作為判定起火部位、起火時間、起火原因、可燃物等的唯一證據，應作為現場勘查與案事件分析的輔助手段，為其提供線索、指明方向或佐證分析，從而為案事件的分析與調查提供支撐。