視頻偵查中空間測量時的像素點位演算原理算法及實際應用

沈 鑒 王樹剛 趙小林 陳 薇

（廣東中一司法鑒定中心聲像檢驗室，廣東 深圳 518033）

一、研究背景

在視頻偵查中畫面內容每個像素點對應的實際內容并非完整信息，在多幀觀察中不動的物體其像素基本沒有改變，但在多幀觀察中物體發生移動時，該物體表面及邊緣背景的像素會發生明暗度和色彩上的變換，尤其在對視頻中的物體進行測量時，如何找到該物體的準確邊緣縮小測量誤差是本文的關鍵講述之處：

二、研究目標和方法思路

首先要了解視頻偵查中畫面內容每個像素點對應的實際內容并非完整信息的含義。通常情況下我們所接觸到的電視、監控、網絡圖像、手機照片等真實的自然畫面均來源于相機、監控、攝像頭等拍攝錄制，究其根本均屬于光電轉換中CCD成像探測器［1］所映射的信息。在實際記錄中拍攝肉眼所看到的畫面和模擬攝像頭對實際場景進行拍攝時的視場完全不同（如圖1所示）：

圖1 模擬攝像頭成像前后的場景與像素記錄信息比對圖

從圖2中明確看出自然場景映射至CCD靶面上時，每個感光單元對應的實際成像為該位置上所有顏色的平均值，同時因為成像基本單元為像素時，在定位時會存在像素定位點與像素顯示的不同。

圖2 單個像素實際場景和成像圖

如圖3所示，成像為3*3個像素點時，1號像素定位點位置位于該像素的左上方（0.0），其內容顯示為1號框區域（0.0，1.0，0.1，1.1）；而7號像素定位點位置位于7號的左上方（0.2），其內容顯示為1號框區域（0.2，1.2，0.3，1.3）；然而成像為3*3個像素點時，實際上3.0、3.1、3.2、0.3、1.3、2.3、3.3點位在像素定位上是不存在的，因為在該像素定位點右下方并不存在像素。所以在進行測量時，點位選擇應該位于你所選定測量像素的左上方，而不是右下方。

圖3 像素定點圖

像素點的定位，如圖4所示，測量以黑色直線做參考線時，測量點位的選擇應位于第一個黑色線像素的右上方至最末一個灰色像素的右上方。而在畫面中拍攝較遠位置時，遠處物體成像會造成邊緣虛化的現象，這是由于邊緣位于1個像素之內形成的，此時測量定位時，應充分觀察被測量物體與其背景的像素RGB值，原圖有清晰的邊緣，而在攝像頭成像中邊緣發生了虛化。該像素上成像既有前面的被觀測物體又有物體后面的背景，相互交織的顏色融合在一起，形成了有別于被觀測物體的黑色和后面背景的白色的灰色圖像。取好點位后與原圖進行上下比較，用紅線將原圖所在位置進行上下標注。

圖4 測量圖

三、實戰應用過程與結果

針對2018年9月28日發生的海底撈火鍋內發現異物（如圖5所示），嫌疑人在用餐期間所存疑的反常行為的科學認定，所用方法為圖像幾何校正法［2］和基于單目視覺的空間目標位置測量。對提供的檢材進行場景觀察：在提供的檢材文件“35號桌方向.mp4”視頻文件中視頻播放總長度為01：10：06，因該案件需對嫌疑人進行行為認定無需與北京時間進行誤差校正，該案件中嫌疑人對象于視頻播放時間00：19：18入座視頻中正上方靠左餐臺開始就餐，00：41：21中止就餐行為并與現場服務人員進行交涉。送檢方要求對嫌疑人就餐中00：38：47的行為進行認定所夾持放入鍋內的是否為紙巾，整個事件在視頻中記錄清晰完整，無噪聲干擾、斷點、跳幀等異常，具備鑒定條件。

圖5 海底撈火鍋內發現異物現場圖

在對嫌疑人00：38：47前后行為進行觀察時發現，嫌疑人所在位置距離攝像頭較遠，所夾持物品表現像素較少，僅能觀察為白色團狀物品，無法有效認定為紙巾。結合其行為發現，在取得該物品時，嫌疑人有明顯的向后靠、軀干離開臺面的異常行為。但因所處位置的關系，無法有效的用圖像差異和行為描述進行說明。觀察其手部活動時發現，其所處位置正上方有光源直射其臺面，其手部活動在臺面上形成明顯陰影。同時嫌疑人取得可疑物品時因為軀干后傾，其手部形成的陰影明顯有別于其正常就餐時手部陰影。所以掌握嫌疑人在取得可疑物品時其手部所在空間位置成為該存疑事件中的關鍵，如圖6所示。嫌疑人在取得可疑物品時其手部所在空間位置需對場景進行三維測量后得到，但因手部處于懸空狀態，取其手部陰影遮擋臺面位置再對手部進行現場空間試驗是此次鑒定的主要步驟。觀察整個場景發現，場景中的線性對象非直線狀態，進行直線比對時發現呈弧線變化，推論該攝像頭應為廣角鏡頭，同時在廣角變形圖像上進行三維測量會存在較大誤差。

圖6 嫌疑人取得可疑物品時手部位置

對提供的檢材嫌疑人活動時間00：38：47前后進行截取片段，并進行鏡頭校正，對校正后的檢材片段進行三維空間測量（在測量檢測中，應以場景中具備立方體結構為基準測量點，目測場景中具備立方體結構的為就餐臺面，是以現場就餐臺面可視共6個點位在三維測量界面中標注出后，將實際現場數據導入三維測量中進行點位數據填寫，填寫完畢后點擊“計算位置坐標”會出現藍色校對邊框進行確認，確認藍色校對邊框與臺面各邊角位置完全吻合后開始計算未知坐標）。

對提供檢材存疑片段校正后圖像進行像素認定：取存疑行為發生時的畫面對其像素進行認定，將手部陰影取其最下點位進行標注后取得的數據與該臺面在無任何遮擋物體時進行數據比對計算，因是同一位置在多幀時的比對，僅需取同一位置在不同幀上的數值。

為保證所得數據的客觀真實和最大限度有利于嫌疑人（陰影占臺面越多越有可能夾持物品為臺面物品），取臺面陰影最大值（即RGB數據中最小值）對比臺面無活動時邊緣數據之差確定此時手部陰影入侵臺面數據，同時以該陰影位置與手部邊緣最大高度之差確定手部所處高度數據：畫面中測得，手部下邊緣距離臺面28.6mm，同時該位置上像素點位對應實際高度距離為14.3mm/像素，高度誤差為±7.15mm，實際手部下邊緣距離臺面誤差范圍為21.45-35.75mm。根據臺面形成陰影部位藍色值（亮度取照RGB藍色數值）最小值位置像素為195，臺面完全無遮擋狀態下該位置像素藍色值為247，結合該位置像素點位對應實際縱深距離為83.78mm/像素，得出手部陰影在臺面占比最大為（247-195）/247*83.78≈17.63mm；如依照亮度最大值255為參數（即臺面為純白色，此時陰影相對臺面顏色較247差值更大，陰影臺面占比更多，有利于嫌疑人），結合該位置像素點位對應實際距離為83.78mm/像素，得出手部陰影在臺面占比最大為（255-195）/255*83.78=18.72mm，誤差范圍為17.63-18.72mm。

將所得數據結合現場試驗，確定在存疑活動時，嫌疑人的手部具體空間位置。嫌疑人在存疑活動時在允許的容差范圍內活動時，手部空間高度符合、陰影成像符合的狀態下，無法使用手持物品夾持任何非臺面物品。如嫌疑人發生任何夾持臺面活動時的陰影，與實際視頻中觀察不符。確定在該空間位置上手部及手持物品時在臺面上陰影情況清晰無誤；確定視頻中具體陰影表現結合現場試驗吻合（如圖7所示）。

圖7 嫌疑人在00：38：47前后存疑行為時手部夾持物品非臺面物品