火场视频内容深度解析初探

李红宇，刘冠华，王明直，樊武龙，侯欣雨

公安部物证鉴定中心，北京 100038

当前火灾案事件调查多依赖现场勘查与痕迹物证提取分析，依据火灾痕迹物证形成机理与证明作用，反推起火部位、起火点、起火时间、起火原因、可燃物、火势蔓延方向等，从而还原火灾发展历程、分析重建火灾现场，为案事件定性与侦破提供技术支撑。近年来，随着监控成像设备的广泛应用，现场勘查人员通常可获取火灾现场附近的监控视频，在保障提取合法性、影像真实性的基础上，监控视频特有的客观性、直观性、持续性、联动性，可帮助勘查人员对火灾发生、发展过程有较清晰的认识，视频影像亦可作为影像资料证据用于案件的侦查与诉讼。学者们针对监控视频在火灾案事件调查中的应用作了相关探究，但多停留在个案视频分析应用[1]、视频提取方案及视频应用原则方面[2-3]的介绍。例如：王鑫等介绍了应用视频监控对一起鸭棚火灾的调查过程，并分析了视频监控在火灾调查中的作用及使用注意事项[4]；王俊杰介绍了视频监控录像的特点、在火灾调查中的应用方法及原则等[5]。但对于如何深度挖掘视频承载的火场历程信息，得到可指导现场勘验及提供侦查线索方面的研究还远远不够。

起火初期视频承载大量关于起火部位、起火时间、起火原因、可燃物的隐藏信息，笔者力求深度挖掘起火初期视频中关于火焰、烟气、背景物品光亮等信息，总结各类火场视频内容解析关注要点，进行火场视频内容深度解析，以作为现场勘查与案事件调查的重要辅助手段，为重点勘验部位确定、关键痕迹物证提取、起火信息判定等提供线索与支撑。

1 近距离火焰视频内容深度解析

通过分析起火初期火焰变化的近距离视频，勘查人员可轻易获取起火部位、起火时间等信息，但视频中承载的起火物种类、是否使用助燃剂等关键信息还可进一步深度挖掘。在天津港“8·12”特大火灾爆炸事故调查中，通过对起火初期近距离火焰视频内容的深度解析与侦查试验验证，判断起火原因为固体燃烧，扭转了前期液体燃烧导致起火的调查方向，为现场处置与原因调查节约了宝贵时间及大量人力、物力、财力。因此，在进行近距离火焰视频内容深度解析时，应重点分析火焰燃烧特征，力求对起火物种类进行初判。

气体、液体、固体三类物质燃烧特征不同，可作为起火物种类初判的依据。(1)气体燃烧特征。气体燃烧是反应最剧烈、速度最快的燃烧，具有很强的扩散性。可燃气体与空气混合越充分，扩散性越强，危害范围越大。若可燃气体与空气混合比例处于爆炸比例范围内，可直接发展为气体爆炸，破坏力极强。(2)液体燃烧特征。可燃液体燃烧不是液体本身燃烧，而是液体受热形成蒸气进行燃烧反应的蒸发燃烧，闪燃、沸溢、喷溅是液体燃烧的主要特征[6]。闪燃指可燃液体挥发出的蒸气与空气混合达到一定浓度时，遇到引火源或达到闪点发生的一闪即灭的燃烧，燃烧产物瞬间膨胀又明显回缩是其主要表现形式。图1所示为典型闪燃现象，它是发生液体燃烧的先兆表现。当可燃液体黏度较大或含有水分(乳化水、水垫)时，由于燃烧放热造成液面以下部分液体或水分达到沸点，沸腾液体或水蒸气不易由下而上穿过液面，则产生沸溢或喷溅现象。液态烃类燃烧常伴有闪燃现象，醚类燃烧常伴有明显沸腾状，重质石油产品发生燃烧则常伴有沸溢与喷溅现象[7]。(3)固体燃烧特征。固体燃烧是火灾最主要的燃烧形式，可分为蒸发燃烧、表面燃烧、分解燃烧、熏烟燃烧(阴燃)、动力燃烧(爆炸)等多种形式[7]，其燃烧特征与可燃物性质密切相关。有些固体可燃物的燃烧同时包含两种或两种以上形式，如在适当的外界条件下，木材、纺织品、纸张等燃烧存在表面燃烧、分解燃烧、熏烟燃烧等不同形式。

图1 某纵火案件中火焰闪燃现象

当现场勘查人员获取到火灾初期近距离火焰视频时，可依据气体、液体、固体可燃物燃烧特征，观察燃烧剧烈程度、燃烧速度等对可燃物种类进行初判。如观察到火焰迅速蔓延或快速布满整个空间，则重点勘查是否为可燃气体燃烧并寻找气体泄漏源；当观察到闪燃、沸溢、喷溅中任一燃烧现象，应着重发现、提取液体可燃物或考虑现场存在液体助燃剂；固体燃烧特征复杂，可采用排除气体、液体可燃物燃烧的方法或开展侦查试验进行确定。对可燃物种类的初判可为现场勘查重点提供方向，为侦查提供线索，为案事件调查节约宝贵时间。

2 远距离火焰视频内容深度解析

对于可能记录了起火初期火焰变化的远距离视频，如何排除其他光源的干扰，对火焰进行准确识别是此类视频深度解析的重点。在燃烧过程中，火焰的颜色、形状等都在不断变化，可利用视频帧及帧间的关联性，提取火焰的颜色特征、形态特征与运动特征，并依此对火焰进行准确识别。

2.1 依据颜色特征识别火焰

火焰由焰心、内焰、外焰组成，温度由内向外依次增高。焰心由未燃烧的可燃气体组成，无光亮反应，呈黑色；内焰由未完全燃烧的气体组成，为火焰最明亮的部分；外焰是气体完全燃烧的部分，几乎无光，但有较强的热辐射。火焰整体一般呈红色调，随温度升高，内焰呈现亮白色或淡蓝色，由内向外依次变黄、变橙、变红[8]，常见火焰颜色及形态如图2所示。

图2 常见火焰颜色及形态特征

在利用视频影像中火焰颜色特征对火焰进行识别时，可在RGB、HSV和YcbCr任一色彩空间上提取疑似火焰的像素点，并采集相同环境条件下真实火焰像素点，通过比对真实火焰与视频内提取的火焰像素点或开展侦查试验对火焰进行识别。需注意R、G、B相关性较强，像素点提取易受环境光及摄影设备本身影响。视频中火焰的颜色特征提取方法较简单，但不同材料燃烧火焰的颜色差异性较大，需在观察分析大量试验样本的基础上使用该方法，一般作为火焰识别的辅助分析手段。

2.2 依据形态、运动特征识别火焰

从视觉角度看，火焰具有极不规则的形状、一定的闪烁频率与尖角特征。火焰形状随环境条件、可燃物性质、燃烧程度变化而不同，表现出宏观稳定、微观波动的特征，即火焰中心短时间内处于较稳定的状态与位置，火焰外围产生非刚性跳动并具有一定的频率，即闪烁频率，一般范围为8～10 Hz[8]。燃烧产生的气体温度高、密度低，与周围空气的密度差会产生浮力，使火焰整体向上并在尾端呈现尖角，如图2所示。

与火焰不同，环境中的光源，如电灯、车灯等一般形状规则，具有宏观稳定、微观亦稳定的形态特征，不会产生边缘跳动的现象。当观察到一定时间内光源形状不规则、边缘跳动明显时，可初步判定此光源为火焰，进而根据其出现时间、火焰大小、燃烧现象等分析火源性质。当视频内需观察的对象距离较远时，可能无法准确捕捉火焰整体形状，但因其具有的尖角特征区别于常见光源一般具有的圆角、钝角或直角特征，可以此作为识别火焰的有效判据。在进行尖角特征解析时，需对视频图像进行降噪处理以凸显观察目标本体特征，判断其是否具有尖角特征，尖角为火焰尖角还是由噪声或毛刺引起的尖角，从而判断光源是否为火焰。

3 烟气视频内容深度解析

一般火灾初期会产生大量烟气，当火场周围监控不能直接拍到火焰时，烟气是判断起火部位的重要依据，甚至一定程度上可反映火势情况。以燃烧生成的热量作为驱动力，烟气同时具有上浮和热胀双重流动特征。燃烧越剧烈，分子运动速度越快，烟气密度越小，其与周围常温空气密度差加大，产生的浮力随之增大，自下而上流动速度加快，这在横向气流较弱的情况下最为明显。火灾烟气一般流动速度见表1[9]。由表1可知，在不受外界环境条件影响时，烟气垂直流动速度远大于水平流动速度。

表1 火灾烟气一般流动速度

烟气在上升飘散过程中，形状不断发生变化，其轮廓和边界逐渐模糊，体积不断扩大，但烟气发生源的位置，即火源位置短时间内稳定不变，可根据视频影像中烟气流动方向和速度，对起火部位与火势情况进行初判。本文默认视频监控在较高位置，根据烟气上升飘散规律，当烟气由视频画面下方进入时，主要表现为烟气的垂直流动，表明起火部位与监控摄像头的水平距离较近，且位于烟气水平流动方向的反方向；当烟气由视频画面左侧或右侧进入时，主要表现为烟气水平方向的流动，表明起火部位处于烟气进入视频画面的一侧，且与摄像头的水平距离较远；当烟气由视频画面上方进入时，表明监控位置附近有墙面或物品遮挡，起火部位距离较远，烟气高位流动遇到障碍后向下翻卷进入视频画面。

有条件时可对烟气流动速度进行估算，并依据烟气流动速度与起火时间阶段的映射关系，对火灾阶段与火势大小进行初判。选取视频画面中无移动、有标志性的建筑点位或物品进行定位与测量，并对视频图像进行校正与比例换算。在视频影像中选取几粒可追踪运动轨迹的烟尘粒子，定位其某段时间内水平或垂直运动始点与末点在视频影像中的点坐标、距离、角度等信息，并通过时间戳计算运动时间，对烟气水平或垂直流动速度进行估算，依据表1推断火势大小及燃烧阶段。需注意的是，扩散开的烟气具有薄纱效应，会使背景的高频细节信息产生衰减[10]。另外，视频影像中的烟气颜色不仅与烟气组成相关，烟气浓度及背景光照对其影响也较大，因此鲁棒性较差，不推荐通过深度解析烟气颜色来获取火场信息。

4 背景物品视频内容深度解析

当监控视频无法直接获取火源及烟气变化信息时，火场内背景物品表面存在的反射光亮可一定程度反映起火时间及起火部位等火场关键信息。2018年7月15日，河南省某五金杂货商店发生火灾，通过深度解析室内监控视频可发现，视频时间3时26分57秒时货架上某线圈塑料包装及金属梯上部出现橙红色光亮变化，表明此时该房间出现火光，该房间起火时间为视频时间3时26分57秒左右。在火灾现场，背景物品具有的光滑平面或曲面对火光进行反射，可在一定程度上反映起火部位。如图3货架中线缆的塑料包装，出现光亮变化的位置靠近监控方向，因此起火部位位于监控方向一侧。粗糙材质或有遮挡的背景物品因漫反射现象明显，一般仅能反映火源的出现、存在、灭失等过程现象，难以用于分析起火部位。因此，在利用背景物品光亮变化帮助分析起火时间与部位时，需重点关注具有光滑表面的物品，并逐帧分析其光亮变化，获取发生光亮变化的时间与位置，以分析推断起火准确时间和起火部位。

当火场环境昏暗，难以发现背景物品明显的光亮变化时，可通过观察环境整体光亮反应判断是否有火源存在。因火焰具有的闪烁与跳动性，环境光亮会出现类似的频闪或明暗交替现象，频率与火焰闪烁频率正相关。当观察到环境光亮有此现象时，可初步判断附近有火焰出现，再根据现场勘查进一步确定起火部位等。

图3 某火灾现场背景物品光亮变化

5 结论

本文提出深度挖掘火场起火初期视频中关于火焰、烟气、背景物品光亮等的解析要点或分析方法，以得出可支撑确定起火部位、起火时间、起火原因、可燃物的隐藏信息，为现场勘查与案事件调查提供帮助，主要结论如下：(1)对近距离火焰视频内容进行深度解析，可根据气体、液体、固体三类物质燃烧特征的不同，通过分析火焰燃烧特征判断可燃物种类、有无助燃剂及火灾性质等，为案事件定性及现场勘查重点提供方向。(2)对远距离火焰视频内容进行深度解析，可根据火焰的颜色特征、形态特征(不规则形状、尖角特征)与运动特征(闪烁)等，排除常见光源的干扰，以准确识别火焰，为还原火焰出现、存在等现象提供支撑。(3)对烟气视频内容进行深度解析，可根据烟气流动方向对起火部位进行初判，通过测定视频内某些烟尘粒子的速度初步判定起火阶段或条件，帮助整体把握火场情况。(4)对背景物品视频内容进行深度解析，应重点关注具有光滑表面的平面或曲面背景物品，分析其出现光亮变化的时间与位置，为判定起火时间与起火部位提供帮助。

需注意的是，本文提出的深度解析火场视频内容的要点与方法，在实际使用时应根据案事件具体情况进行选择。由此解析出的各类信息，不作为判定起火部位、起火时间、起火原因、可燃物等的唯一证据，应作为现场勘查与案事件分析的辅助手段，为其提供线索、指明方向或佐证分析，从而为案事件的分析与调查提供支撑。