基于现场再现的模糊图像帧分析车速鉴定

杨伟民　王同建　孟军伟

摘 要：现行的基于视频图像的车速鉴定方法，主要适用于清晰视频图像情况，而对于模糊视频图像则在鉴定分析过程中难以实现标定距离的准确测量，具有一定的局限性。在具体分析现行标准方法局限性的基础上，经过大量的交通事故鉴定实践与探索，提出了基于现场再现定位的模糊视频图像帧分析车速鉴定的方法，阐述了该方法的原理，给出了具体工作流程，并针对不同的现场环境与条件进一步将再现定位测量细分为直接测量法和间接测量法，有效地实现了不同情况下对目标车辆标定距离的精确定位测量以及帧分析的车速鉴定。最后，通过两个典型案例分别对上述方法进行了应用验证，从而保障了鉴定意见更为公正、客观和准确。

关键词：车速鉴定 现场再现定位 模糊视频图像 图像帧分析

1 引言

在交通事故处理中，车辆行驶速度是责任认定的重要依据。在交警部门委托第三方鉴定机构进行鉴定的案件中，几乎全部都会包含有车辆行驶速度鉴定事项。在传统的基于事故形态的车辆速度鉴定方法中，主要是应用能量守恒定律、动量守恒定律和经验公式，存在着一定的局限性。现行的“GB/T33195-2016《道路交通事故车辆速度鉴定》”标准中给出的滑动摩擦系数参考值主要源自日本学者在上世纪八十年代以前公布的相关数据[1]。随着时代的发展，现有车辆的车型、结构及材料均已经发生了很大变化，上述参考值与现在的车辆和道路状况已不相符，因而由此计算得到的车辆速度自然会与实际车速存在较大偏差。

此外，近些年来在普通道路的交通事故中，涉及电动两轮车或电动三轮车的事故数量持续上升，已到达事故总量的85%以上。但现行的相关标准中，并未给出这两种车辆翻倒后的车身滑动摩擦系数参考值，因而要想根据其倒地滑移距离来鉴定车速，只能参考标准中翻倒摩托车的车身滑动摩擦系数参考值。以此得出的结果，往往要比基于视频图像的车速鉴定结果以及由EDR数据记录的车速值偏高[2]，准确性不高，有时偏差甚至达到20%以上。

随着警用摄像头及各种民用监控的日益普及，视频图像资料已出现在大量案件的鉴定材料中，基于视频图像的车辆行驶速度技术鉴定目前得到了广泛应用。在依据公安部发布的现行标准“GA/T1133-2014《基于视频图像的车辆行驶速度技术鉴定》”鉴定车速过程中，对视频图像的清晰度有较高的要求，然而在现实中由于交通事故的偶发性和时间地点的不确定性等，往往在案发现场或附近所提取的固定式视频图像中有60%以上的会因光线、距离、像素等原因的影响，存在着图像模糊不清的现象，难以满足相关标准的适用条件，使得基于视频图像的车速鉴定工作难度大大增加，准确性降低。

因此，如何有效地利用这些模糊的视频图像资料，实现车速的准确鉴定，已成为事故车辆速度鉴定中的重要研究课题。为此，本文提出了一种基于现场再现定位的模糊视频图像帧分析的车速鉴定方法，通过还原再现事故现场各对象在视频图像帧画面中的位置，实现对目标车辆在帧间运动距离的精确标定，从而克服了现有鉴定方法中存在的问题与局限性，有利于提高车速鉴定结果的公正性、客观性和准确性。

2 基于视频图像鉴定车辆速度的标准方法

2.1 车辆速度鉴定的标准方法

在GA/T1133-2014《基于视频图像的车辆行驶速度技术鉴定》中规定了基于视频图像鉴定车速的标准方法。

第一步：设定参照物（即选取特征点），分为设定道路环境参照物和设定目标车辆参照物两种方法。不论采用何种方法，均需设定两个参照物。为确定目标车辆通过两个参照物之间的图像帧数，通常还需设定一个虚拟参照物。

第二步：测量所设定的两个参照物之间的距离作为标定距离。

第三步：逐帧播放视频图像，确定视频图像的帧率和目标车辆通过标定距离的图像帧数，计算目标车辆通过标定距离的时间。

第四步：运用速度计算公式计算目标车辆的行驶速度。

2.2 设定参照物的原则

在上述标准中规定了在视频图像关注区域内设定参照物的原则[3]。

（1）道路环境参照物应尽量选取车行道分界线、人行横道线、路口导向线、路侧电线杆、灯杆、树木等具有明显特征的固定物；

（2）目标车辆参照物应选取目标车辆前后端点、前后轮轮心、前后灯具端点、车窗玻璃前后端点、轮胎与地面接触点等特征位置；

（3）虚拟参照物的设定应便于确定目标车辆通过该空间位置所用的时间，宜将虚拟参照物设定在与目标车辆某一特征点、道路环境参照物某一边缘或端点重合的位置。

2.3 标准方法设定参照物的适用条件及其局限性分析

委托人提供的车辆速度鉴定视频图像资料，一般有车载式视频图像和固定式视频图像两种。

车载式视频图像适用于设定道路环境参照物的方法鉴定车速。视频摄像头安装在车体上，随目标车辆同步运动，故可清晰记录道路上的标线、路侧的树木和灯杆等固定物，可以方便地选取上述固定物作为参照物进行车速鉴定。

固定式视频图像适用于设定目标车辆参照物的方法鉴定车速。由于受到设备精度、安装位置以及光照条件所限，委托方所提供的视频图像资料中有一少部分是清晰可辨的，而大部分则不够清晰甚至模糊不清。对于清晰可辨的这部分视频图像，也可依据标准方法设定目标车辆参照物并進行车速鉴定。对于像素较低、摄像头距离事发地点较远以及光线条件较差导致的视频图像模糊的情况，由于无法清晰观察目标车辆的车身特征点，故难以依据标准方法进行参照物设定及车速鉴定。即便勉强选定了参照物，也会因参照物边界虚化不清和测量定位不准，而导致车速鉴定结果误差较大。由此可见，对于模糊的视频图像来说，依据上述标准方法鉴定车速，客观上存在着一定的不足和局限性。

鉴于上述原因，本文在多年理论研究和事故鉴定实践的基础上，提出了一种基于现场再现定位的模糊视频图像帧分析的车速鉴定方法。这对于克服现行标准方法在实践中的局限性，提高车速鉴定的准确性具有重要意义。

3 基于现场再现定位的模糊视频图像帧分析车速鉴定方法的原理与实现

基于现场再现定位的模糊视频图像帧分析的车速鉴定方法（以下简称为模糊图像车速鉴定法）主要是通过对现场固定式视频资料中模糊图像帧内容的分析，设定参照物并确定目标车辆通过两个参照物相对应空间位置的图像帧数，利用现场再现定位测量技术手段定位，对空间位置进行现场定位及距离测量，将其作为标定距离，实现特殊条件下的目标车辆行驶速度的鉴定。该方法主要涉及到光学透镜成像原理及其相应的计算方法、现场再现定位测量原理与技术方法等，分别介绍如下。

3.1 透镜成像原理与现场再现定位测量原理方法

3.1.1 透镜成像原理

固定式视频图像资料由安装在路侧的固定摄像机拍摄得到，其摄像头成像基本原理是透镜成像原理[4]。下面以一个理想的薄透镜对物体成像的基本光路示意图来说明相关原理，如图1所示。

假设一个物体的高度为x1，到透镜中心的距离为s1，透镜的焦距为f。物体在透镜另一侧成像，成像高度为x2，到透镜中心的距离为s2。由图可见，从物体出发，穿过透镜中心的光线与光轴成夹角，在透镜两侧形成两个相似三角形，根据近轴近似原则，当光线与光轴的夹角足够小时，可以把近似为。于是，可以得到以下公式：

经变形后得到：

数值M即为透镜对物体成像的放大倍数，同时也是像距和物距之间的比例。对于固定焦距摄像头而言，对物体产生的放大倍数是特定的，它由系统本身的结构决定，不受外界因素干扰。

在图1中，当物距s1远远大于相距s2，并且物体的高度x1远远大于透镜直径时，从物体出发，通过透镜中心的光线和通过透镜边缘的两条光线将无限接近，近似处在同一直线。此时，可近似将透镜等效为一个点，记为O。从物体上不同的两个点A和B出发穿过透镜的两条光线近似与线段AB构成一个顶点为O的三角形，如图2所示。

3.1.2 现场再现定位测量原理

摄像头镜头部分由多片透镜构成，物体通过镜头生成的光学图像投射到图像传感器表面上，转为电信号，转换后变为数字图像信号[5]。根据上文所述及光的直线传播理论，通过摄像头观察，当两个物距不同的物体完全重合时，两个物体的高度与其到摄像头的距离成正比关系。将两个物体简化为两条相互平行的线段AB、CD，将摄像头简化为点O。则线段CD、AB与分别通过点C和点A、点D和点B进入摄像头O的两条光线构成两个相似三角形，如图2所示。设线段CD的长度为k，线段AB的长度为h，线段0A的长度为p1，线段OC的长度为p2，线段OE的长度为d1，线段OF的长度为d2，线段EF的长度为r。根据相似三角形的性質，有以下比例关系：

模糊图像车速鉴定法中的间接测量法即是基于相似三角形的这一性质而实现的。在图2中，设X为线段OC上任意一点，Y为线段OD上任意一点。则在OE的长度及∠BAO的角度确定的情况下，不论点X、点Y在任何位置，均可在自O点出发，分别通过点X和点Y的两条射线上实现对A点及B点的唯一定位。模糊图像车速鉴定法中的直接测量法便基于这一性质而实现的。

3.2 现场再现定位测量方法及工作流程

现场再现定位测量需借助委托方提供的固定式视频图像和摄像机拍摄的实时画面，在原始事发现场进行。为方便阐述，下面将委托方提供的固定式视频图像简称为“现场视频”，将摄像机拍摄的实时画面简称为“实时画面”。流程如下。

第一步，记录现场视频帧率并调整摄像机参数。通过视频解析工具，解析现场视频帧率f并记录，确认拍摄事故现场视频图像的摄像机内部参数是否发生改变。如果参数已发生改变，则应复原至与现场视频拍摄参数相一致。

第二步，确认摄像头的位置与拍摄角度。打开实时画面并同时播放现场视频，通过比对两者画面中的特征固定物的位置、比例大小等参数的比对，确认摄像头的原始位置和拍摄角度是否发生了变化。若发生了变化，则需要进行还原，以保证在实时画面关注区域内显示出在现场视频中设定的参照物。

第三步，设定目标车辆参照物及道路环境参照物并记录图像帧数。首先，设定目标车辆参照物，播放现场视频，根据现场视频的画质条件及拍摄内容，选取目标车辆特征点作为目标车辆参照物，记为G。其次，设定道路环境参照物，逐帧观察视频画面，当目标车辆参照物G与道路环境固定物a的某一特征位置在画面中重合时，将道路环境固定物a的特征位置设定为道路环境参照物A。同理，可设定道路环境参照物B。记录G通过以A和B作为参照确定的标定距离的画面帧数n。

第四步，确定目标车辆参照物运动轨迹。根据事故现场照片、现场视频、碰撞接触点地面位置、事发现场道路状况及车流状况等客观存在，确定目标车辆参照物G事发时在事故现场的运动轨迹，为方便现场再现定位，可将其运动轨迹垂直投影在现场路面上并予以标记。

第五步，标定距离的现场再现定位测量与车速计算。针对不同情况，分别选用如下的直接测量法或间接测量法对标定距离进行现场再现定位测量，并将测得标定距离带入速度计算式进行车速鉴定，具体如下。

3.3 现场再现定位测量方法与车速计算

3.3.1 现场再现定位测量

本文依据摄像头、现场环境以及道路状况的不同，将模糊图像车速鉴定法中现场再现定位测量方法分为直接测量法和间接测量法两种。直接测量法适用于道路车流量较小，在实施交通管制后不影响道路通行的情况。间接测量法则适用于道路车流量较大，或视频摄录头移除、损坏等不能还原的情况。

（1）直接测量法。

直接测量法的实施需要借助一个可移动且便于在实时画面中观察其特征点的再现参照物，将再现参照物上的特征点设定为P。方法步骤如下：

首先，要确保P沿工作流程第四步确定的目标车辆参照物G的轨迹运动。

其次，通过实时画面观察，当P与道路环境参照物A重合时，再将P所在的位置标记为C；当P与另一个道路环境参照物B重合时，再将P所在的位置标记为D。C与D之间的距离即为标定距离，如图3所示。

最后，实际测量C与D间的距离，作为车速计算的参数。

（2）间接测量法。

在间接测量法中，设定摄像头的位置为O点，目标车辆参照物为G点，道路环境参照物分别为A和B两点，由O点出发通过A点的射线与G点运动轨迹的交点为C，由O点出发通过B点的射线与G点运动轨迹的交点为D，如图3所示。

该方法的具体测量步骤如下：

首先，要求所设定的道路环境参照物A点和B点的连线必须平行于目标车辆参照物G点的运动轨迹，即AB//CD。

其次，分别测量A、B两点之间的距离SAB、摄像头O点与A点的距离SOA以及摄像头O与C点间的距离SOC；或运用相似三角形的性质测量其他相关边长或距离。

第三，运用相似三角形的性质，即式（3）计算标定距离S的值。

3.3.2 车速计算

运用上述两种方法测定的标定距离S即为目标车辆特征部位事发时在特定时间t的实际运动距离，时间可由以上工作流程第一步解析的视频帧率f和第三步记录的画面帧数n求知，即。根据运动学公式，目标车辆的行驶速度为：

4 模糊图像车速鉴定法在实践中分析与应用

4.1 直接测量法在车速鉴定中应用

20××年11月23日，某号牌轻型自卸货车（甲车）自××路南侧工厂驶出左转过程中，恰逢某号牌轻型栏板货车（乙车）沿行驶至此，两车发生碰撞。委托方提供事发路段固定式视频图像一段，委托对乙车事故发生时的行驶速度进行鉴定。

经对视频图像的检验，因视频画面模糊，目标车辆车身特征点无法辨识，不具备设定车辆参照物鉴定车速的条件，也不具备设定道路环境参照物鉴定车速的条件。标准方法不能实现对乙车行驶速度的鉴定，于是采用了“模糊图像车速鉴定法中的直接测量法”。

首先，将乙车左前灯具发出的灯光前边缘设定为目标车辆参照物G。经对乙车的检验，G的距地高度为0.65m。其次，将反光桶西侧边缘距地高度0.65m的位置设定为道路环境参照物A，将交通标志立柱距地高度0.65m的位置设定为道路环境参照物B。

第三，确定目标车辆参照物G事故时的运动轨迹在现场道路中央隔离护栏以北0.7m平行于中央隔离护栏的垂直平面上。

第四，在各参数设定后，运用直接测量法标记C、D，并测量出标定距离S为15m。

经过对视频图像的逐帧检验，视频图像帧率f为25帧/秒，目标车辆参照物G自标记点C运动至标记点D所用画面帧数为26帧，即时间t=26/f=1.04s。根据式（4）计算乙车事故发生时的行驶速度。

≈14.4m/s≈52km/h （5）

应用表明，该方法很好地克服了在模糊视频图像中原有标准方法进行车速鉴定的局限性，简捷地解决了因图像模糊而造成的车速鉴定结果精度不高的问题。

4.2 间接测量在车速鉴定中应用

20××年7月25日，某号牌小型普通客车（客车）沿××路由西向东行驶至××大桥西侧时，与人力三轮车发生追尾碰撞。委托方提供事发路段固定式视频图像一段，委托对客车事故发生时的行驶速度进行鉴定。

经对视频图像的检验，事故发生在夜间，视频模糊，不具备设定目标车辆参照物和道路环境参照物鉴定车速的条件。因此，无法应用标准方法及直接测量法实现对客车速度的鉴定。于是，在此采用了“间接测量法”。

经事发地点实地调查，视频摄像头安装于道路北侧沿街商铺墙体上，安装位置并未发生变化，事发时客车的运动轨迹与道路中央隔离护栏平行，能够满足间接测量法的前提条件。

将客车左侧车窗玻璃前下角设定为车辆参照物G，经现场测量，摄像头到G的运动轨迹的垂直距离D=27.3m，G的运动轨迹与道路中央隔离护栏之间的距离R=4.7m，中央隔离护栏立柱等间距分布，相邻立柱中心点之间的距离为2m。

逐帧播放事发路段固定式視频图像，检验到G与道路中央隔离护栏第m个立柱重合时，将该画面帧数记为1，逐帧检验，G与第m+7个护栏重合时，将画面帧数记为n，21

≈16.9m （6）

据此，运用式（4）计算客车事故发生时的行驶速度v：

≈20.11m/s≈72.4km/h （7）

≈21.13m/s≈76.1km/h （8）

将计算结果取整数后可得，客车发生事故时的行驶速度应介于72km/h～77km/h之间。

通过该方法的应用，实现了在视频摄录设备无法还原情况下对目标车辆车身特征点在特定时间内运动距离的准确测量，克服了因外部条件发生改变而无法采用直接测量法进行车速鉴定的技术难题，为办案机关事故处理提供了科学依据和数据支持。

5 结语

本文所提出的“基于现场再现定位的模糊视频图像帧分析的车速鉴定方法”，在事故鉴定的实践已得到应用，并且获得了较好的效果。该方法所提出的直接测量法和间接测量法，弥补了标准方法对于模糊视频图像无法直接设定参照物鉴定车速的局限性与不足，实现了基于现场再现定位的模糊视频图像帧分析对车辆行驶速度的准确鉴定，解决了“鉴定不能”和“鉴定不准”的难题，提高了鉴定意见的公正性、客观性和准确性。

参考文献：

[1]GB/T33195-2016  道路交通事故车辆速度鉴定[S].

[2]冯浩，陈建国，赵桂范，等.电动两轮车侧翻倒地滑动摩擦系数实验研究[J].中国司法鉴定，2013（01）： 82-87.

[3]GA/T1133-2014 基于视频图像的车辆行驶速度技术鉴定[S].

[4]丁英伟.对“凸透镜成像”问题的探究[J].中小学实验与装备，2013，23（06）：4-5.

[5]刘崧，戚小平，钟双英. CCD摄像机原理及应用[J].中国有线电视，2005（14）：1417-1419.