低照度視頻圖像的車速計算方法探索

王迪 丁星兵 朱文霞 何仲華

摘要 在基于視頻圖像的車速計算中，當目標車輛處于夜間或隧道內等低照度條件下時，往往無法通過常規的跟蹤點設置及方法計算出正確的車速，文章通過大量的資料收集、理論分析并結合實際驗證試驗結果，分析了低照度條件下車輛光軌的成因，討論了跟蹤點的優選設置方案，驗證了標尺正確的測量位置，并形成了使用光軌作為計算標尺的低照度視頻圖像的車速計算方法。

關鍵詞 低照度視頻圖像；車速計算；光軌

中圖分類號 TP319文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0001-04

0 引言

隨著科技的不斷發展及國家對建設法治社會的迫切要求，越來越多的監控攝像頭安裝于城市的大街小巷，但局限于監控設備的硬件條件，當快速移動的目標車輛處于夜間或隧道內等低照度條件下時，監控設備拍攝記錄下來的目標車輛運動軌跡往往是模糊不清的，這類視頻無法使用常規方法進行計算，或使用常規方法計算但得到的計算結果誤差較大，不能滿足使用要求，當面對公安交管部門委托的事故案件需要處理上述類型視頻時，現階段的技術手段就顯得捉襟見肘了。鑒于上述窘境，同時也是基于司法鑒定實踐的切實需要，我們亟須研究并開發出一套具有可操作性、誤差率較低的低照度視頻的車速計算方法。

1 理論分析

1.1 光軌成因

在低照度條件下，一般視頻攝錄設備為了保證拍攝的畫面相對明亮清晰，在光圈不能無限增大的前提下，只能通過降低快門速度從而達到更大進光量的效果，因為放慢的快門速度，使得在視頻畫面內快速移動的物體產生拖影[1]，在這里快速移動的物體指的便是交通事故涉事車輛，視頻畫面內車輛形成拖影的同時，前照燈和后位燈同時也形成發光的拖影，俗稱光軌。

1.2 跟蹤點設置位置的選擇

根據跟蹤點位于光軌的位置（如圖1所示），跟蹤點設置位置的選擇有以下備選方案：

（1）前－前（前照燈光軌前端，后位燈或制動燈光軌前端）。

（2）后－后（前照燈光軌后端，后位燈或制動燈光軌后端）。

（3）中－中（前照燈光軌中點，后位燈或制動燈光軌中點）。

（4）前－后（前照燈光軌前端，后位燈或制動燈光軌后端）。

（5）后－前（前照燈光軌后端，后位燈或制動燈光軌前端）。

（6）前－中（前照燈光軌前端，后位燈或制動燈光軌中點）。

（7）后－中（前照燈光軌后端，后位燈或制動燈光軌中點）。

（8）中－前（前照燈光軌中點，后位燈或制動燈光軌前端）。

（9）中－后（前照燈光軌中點，后位燈或制動燈光軌后端）。

圖1 跟蹤點位于光軌的位置標示圖

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

（1）前－前（前照燈光軌前端，后位燈或制動燈光軌前端）。

（2）后－后（前照燈光軌后端，后位燈或制動燈光軌后端）。

（3）中－中（前照燈光軌中點，后位燈或制動燈光軌中點）。

（4）前－后（前照燈光軌前端，后位燈或制動燈光軌后端）。

（5）后－前（前照燈光軌后端，后位燈或制動燈光軌前端）。

（6）中－后（前照燈光軌中點，后位燈或制動燈光軌后端）。

因燈軌中點的位置需要人為在視頻畫面內確定，相較于燈軌前、后端點其明暗界線清晰，燈軌中點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，排除跟蹤點選擇光軌中點位置的方案后，剩余以下備選方案：

（1）前－前（前照燈光軌前端，后位燈或制動燈光軌前端）。

（2）后－后（前照燈光軌后端，后位燈或制動燈光軌后端）。

（3）前－后（前照燈光軌前端，后位燈或制動燈光軌后端）。

（4）后－前（前照燈光軌后端，后位燈或制動燈光軌前端）。

根據上述光軌成因分析可知，光軌其實質是燈光在視頻畫面內的拖影，而來自燈光的光線無法擺脫燈具實體而在空氣中形成具體的象形（丁達爾現象除外）并被攝像機捕獲，因此前照燈光軌最前端對應的位置不可能向前超過車輛前照燈的最前端，前照燈光軌最后端對應的位置因為燈具的物理隔絕不可能向后超過車輛前照燈的最后端，但事實上，由于車輛行駛方向與產生拖影的方向相反，前照燈光軌的最后端其實并非當前幀下實際前照燈后端所在的位置，而是之前數幀生成的拖影后端的位置；同理，后位燈（制動燈）光軌最前端對應的位置因為燈具的物理隔絕不可能向前超過車輛后位燈（制動燈）的最前端，后位燈（制動燈）光軌最后端對應的位置不可能向后超過車輛后位燈（制動燈）的最后端，但事實上，由于車輛行駛方向與產生拖影的方向相反，后位燈（制動燈）光軌的最后端其實并非當前幀下實際后位燈（制動燈）后端所在的位置而是之前數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（制動燈）光軌后端作為跟蹤點的方案進行車速計算，計算誤差將是很大的（詳見下文驗證試驗部分）。

通過以上理論分析，為避免燈光拖影對跟蹤點位置設置的影響，選擇“前－前”（前照燈光軌前端，后位燈或制動燈光軌前端）這一方案更加符合客觀規律。

2 確定跟蹤點測量位置

2.1 前照燈和后位燈（制動燈）的構造

在確定前照燈和后位燈具體的測量位置前，應先了解前照燈和后位燈的基本構造。前照燈的光學系統由燈泡（光源）、反射鏡和配光鏡三部分組成[2]，根據真實交通事故車輛調查及網上調查的車型情況，總結車輛前照燈結構形式的分類如下：

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

（2）按照安裝數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）按照前照燈與信號燈是否布置為一個整體可分為整體式前照燈和分體式前照燈。

后位燈的光學系統與前照燈類似，由燈泡（光源）、反射鏡和配光鏡三部分組成，但后位燈的結構相對更簡單一些，某些車型的后位燈沒有設置反射鏡。根據真實交通事故車輛調查及網上調查的車型情況，總結車輛后位燈（制動燈）結構形式的分類如下：

（1）按照燈泡（光源）的不同分為白熾燈、鹵素燈、LED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）按照后位燈與制動燈是否共用同一個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面設計制造有反光裝飾構造，這些反光裝飾構造不與后位燈或制動燈的燈腔連通，不具備主動反光的能力，而是為了美觀和提供被動反光，“前，前”方案中的標尺長度顯然不應將其包含在內，測量時應注意予以區分。

2.2 側視投影邊界曲線

通過調查并對各種類型前照燈和后位燈（制動燈）進行側視圖投影拍攝可以發現，絕大多數車輛的前照燈側視投影的最前端并非燈泡（光源），也不是配光鏡，而是反光鏡，因為車輛造型的不同反光鏡的前端側視投影邊界也呈現出不同的形狀和曲線，同樣的絕大多數車輛的后位燈（制動燈）側視投影的最前端也并非燈泡（光源），而是反光鏡的前端邊緣，因為車輛造型的不同反光鏡的前端側視投影邊界也呈現出不同的形狀和曲線。

2.3 靜態測試

為了更加貼近實際工作中遇到的情況，研究人員做了夜間車輛開燈側面情況與白天的靜態對比，并分別標記出具體的測量位置。

通過觀察可以看出：夜晚車輛前照燈點亮時，前照燈整體發光，區分不出前照燈的內部構造及燈泡所處的具體位置，且發光體前端邊緣并非燈泡（LED燈條）實際發光的位置，而是整個前照燈整體燈框的最前端。

后位燈因內部構造呈現出條狀發光，可以區分上、下兩處發光條及相應反光鏡前端點的位置，該后位燈在車身側面有反光構造，在沒有其他光線照射的情況下，其自身不發光，測量時不應包含其長度。

2.4 測量原則

根據以上靜態測試結果可知，前照燈白天目測情況下最前端為反光鏡最前端，夜間開燈后由于環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。因此前照燈的測量位置應為整體燈框側視投影的最前端，后位燈（制動燈）的測量位置較為明朗，即為后位燈（制動燈）反光鏡側視投影的前端邊緣。

基于前述對車輛燈具的調查分析及靜態測試結果可以得到如下測量原則（以乘用車為例）：

（1）因前照燈光學系統組成相對簡單，雖然前照燈造型繁多，光源各異，但測試結果都趨于一致，即以前照燈整體燈框側視投影的最前端為測量基準。

（2）測量后位燈（制動燈）前端時，以后位燈（制動燈）反光鏡側視投影的前端邊緣為測量基準，注意區分后位燈和制動燈不同的點亮位置，注意區分反光構造（本身不發光）。

（3）因不同車型的車燈造型各異，實際測量時應因車而異，采用靜態對比的方式確定測量的具體位置。

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

3 動態驗證

3.1 試驗方案設計

通過模擬試驗，獲得設置于試驗車輛上的測試儀器車速數據作為比對基準，使用相機對垂直于（或近似垂直于）測試路段的車輛行駛軌跡進行拍攝，獲得模擬視頻，分別測量試驗車輛不同跟蹤點的間距，相應地依次采用不同跟蹤點設置方案對試驗車輛通過測試路段的運動軌跡進行跟蹤，導出跟蹤點坐標，利用“時間插值法”精確計算模型[3]對車速進行計算并繪制時間—速度曲線，與測試儀器車速數據進行比對分析。

3.2 試驗結果

試驗車輛跟蹤點間距測量如表1。

根據上文跟蹤點設置位置選擇的備選方案，對應將跟蹤點間距長度一一代入視頻車速計算模型中計算，繪制時間—速度曲線，并將各個備選方案的計算結果與測試儀器車速數據一同繪入圖2中。

把每種方案與測試基準值的連續差值繪入圖3中。

從圖2、圖3中可以看出，所有備選方案的時間—速度曲線趨勢與測試基準值的趨勢一致，在測試段內均為“勻速－減速”的運動狀態，但“后－前”和“前－后”兩個方案的誤差較大，其余4個方案的誤差相對較小，排除“后－前”和“前－后”兩個方案后，將剩余4個方案與測試基準值的連續差值繪入同一圖中并縮短縱坐標量程，如圖4所示。

將優選備選方案與基準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”方案與測試基準值的誤差最小，最大誤差絕對值2.69%，最小誤差絕對值0.03%，絕對平均誤差0.75%。

“中－中”方案與測試基準值的誤差較小，最大誤差絕對值3.31%，最小誤差絕對值0.53%，絕對平均誤差2.16%。

“后－后”方案與測試基準值的誤差較大，最大誤差絕對值5.13%，最小誤差絕對值1.93%，絕對平均誤差3.38%。

“中－后”方案與測試基準值的誤差最大，最大誤差絕對值9.04%，最小誤差絕對值4.69%，絕對平均誤差7.03%。

研究人員利用上述相同方法對車速分別為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（制動燈）的車輛進行了測試比對，比對結果均一致，即跟蹤點設置位置的最優方案為“前－前”，這與前述對光軌的理論分析及靜態測試的結論一致，同時也印證了“前－前”方案相對應的前照燈和后位燈具體的測量位置為前照燈整體燈框側視投影的最前端及后位燈（制動燈）反光鏡側視投影的前端邊緣這一結論的正確性。

4 結合司法鑒定實踐的思考

綜上全文，并結合司法鑒定實踐的一些思考和注意事項：

（1）跟蹤點的選擇采用“前－前”方案最為合理，且經試驗驗證該方案的誤差較小。

（2）依據測量原則對事故車輛前、后燈距進行現場測量，必要時采用靜態對比的方式確定具體的測量位置。

（3）根據車輛運動軌跡在視頻畫面內的位置，盡量選取能夠看到車輛正側面或近似正側面的行駛區段進行跟蹤計算。

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

（5）該文討論的是目標車輛在視頻畫面內做直線或近似直線運動的情形，若目標車輛在視頻畫面內做曲線運動，則應參照車輛做曲線運動的修正策略[4]對計算結果進行修正。

5 結語

基于視頻圖像的車速鑒定技術越來越廣泛地運用到實際交通事故處理過程中，低照度視頻的車速計算是視頻車速計算中的難點。該文對低照度視頻的車速計算方法進行了科學驗證和深入研究，基于理論分析、大數據量的樣本分析及試驗驗證，提出了光軌成因及如何運用光軌進行車速計算的科學方案。

參考文獻

[1]鐘正新. 妙用時間合成方法拍光軌[J]. 照相機， 2022（5）： 27-29.

[2]吳露露， 趙志星. 淺談汽車前照燈燈光設計、驗證流程[J]. 汽車實用技術， 2017（4）： 158-162.

[3]倪志海， 飛海靜， 王迪， 等. 基于視頻圖像的車速精確計算數學模型研究[J]. 公路交通科技（應用技術版）， 2015（3）： 297-300.

[4]飛海靜， 倪志海， 王迪， 等. 視頻圖像中車輛曲線運動速度計算模型的修正[J]. 云南師范大學學報（自然科學版）， 2016（6）： 40-45.