视频侦查中空间测量时的像素点位演算原理算法及实际应用

沈 鉴 王树刚 赵小林 陈 薇

（广东中一司法鉴定中心声像检验室，广东 深圳 518033）

一、研究背景

在视频侦查中画面内容每个像素点对应的实际内容并非完整信息，在多帧观察中不动的物体其像素基本没有改变，但在多帧观察中物体发生移动时，该物体表面及边缘背景的像素会发生明暗度和色彩上的变换，尤其在对视频中的物体进行测量时，如何找到该物体的准确边缘缩小测量误差是本文的关键讲述之处：

二、研究目标和方法思路

首先要了解视频侦查中画面内容每个像素点对应的实际内容并非完整信息的含义。通常情况下我们所接触到的电视、监控、网络图像、手机照片等真实的自然画面均来源于相机、监控、摄像头等拍摄录制，究其根本均属于光电转换中CCD成像探测器［1］所映射的信息。在实际记录中拍摄肉眼所看到的画面和模拟摄像头对实际场景进行拍摄时的视场完全不同（如图1所示）：

图1 模拟摄像头成像前后的场景与像素记录信息比对图

从图2中明确看出自然场景映射至CCD靶面上时，每个感光单元对应的实际成像为该位置上所有颜色的平均值，同时因为成像基本单元为像素时，在定位时会存在像素定位点与像素显示的不同。

图2 单个像素实际场景和成像图

如图3所示，成像为3*3个像素点时，1号像素定位点位置位于该像素的左上方（0.0），其内容显示为1号框区域（0.0，1.0，0.1，1.1）；而7号像素定位点位置位于7号的左上方（0.2），其内容显示为1号框区域（0.2，1.2，0.3，1.3）；然而成像为3*3个像素点时，实际上3.0、3.1、3.2、0.3、1.3、2.3、3.3点位在像素定位上是不存在的，因为在该像素定位点右下方并不存在像素。所以在进行测量时，点位选择应该位于你所选定测量像素的左上方，而不是右下方。

图3 像素定点图

像素点的定位，如图4所示，测量以黑色直线做参考线时，测量点位的选择应位于第一个黑色线像素的右上方至最末一个灰色像素的右上方。而在画面中拍摄较远位置时，远处物体成像会造成边缘虚化的现象，这是由于边缘位于1个像素之内形成的，此时测量定位时，应充分观察被测量物体与其背景的像素RGB值，原图有清晰的边缘，而在摄像头成像中边缘发生了虚化。该像素上成像既有前面的被观测物体又有物体后面的背景，相互交织的颜色融合在一起，形成了有别于被观测物体的黑色和后面背景的白色的灰色图像。取好点位后与原图进行上下比较，用红线将原图所在位置进行上下标注。

图4 测量图

三、实战应用过程与结果

针对2018年9月28日发生的海底捞火锅内发现异物（如图5所示），嫌疑人在用餐期间所存疑的反常行为的科学认定，所用方法为图像几何校正法［2］和基于单目视觉的空间目标位置测量。对提供的检材进行场景观察：在提供的检材文件“35号桌方向.mp4”视频文件中视频播放总长度为01：10：06，因该案件需对嫌疑人进行行为认定无需与北京时间进行误差校正，该案件中嫌疑人对象于视频播放时间00：19：18入座视频中正上方靠左餐台开始就餐，00：41：21中止就餐行为并与现场服务人员进行交涉。送检方要求对嫌疑人就餐中00：38：47的行为进行认定所夹持放入锅内的是否为纸巾，整个事件在视频中记录清晰完整，无噪声干扰、断点、跳帧等异常，具备鉴定条件。

图5 海底捞火锅内发现异物现场图

在对嫌疑人00：38：47前后行为进行观察时发现，嫌疑人所在位置距离摄像头较远，所夹持物品表现像素较少，仅能观察为白色团状物品，无法有效认定为纸巾。结合其行为发现，在取得该物品时，嫌疑人有明显的向后靠、躯干离开台面的异常行为。但因所处位置的关系，无法有效的用图像差异和行为描述进行说明。观察其手部活动时发现，其所处位置正上方有光源直射其台面，其手部活动在台面上形成明显阴影。同时嫌疑人取得可疑物品时因为躯干后倾，其手部形成的阴影明显有别于其正常就餐时手部阴影。所以掌握嫌疑人在取得可疑物品时其手部所在空间位置成为该存疑事件中的关键，如图6所示。嫌疑人在取得可疑物品时其手部所在空间位置需对场景进行三维测量后得到，但因手部处于悬空状态，取其手部阴影遮挡台面位置再对手部进行现场空间试验是此次鉴定的主要步骤。观察整个场景发现，场景中的线性对象非直线状态，进行直线比对时发现呈弧线变化，推论该摄像头应为广角镜头，同时在广角变形图像上进行三维测量会存在较大误差。

图6 嫌疑人取得可疑物品时手部位置

对提供的检材嫌疑人活动时间00：38：47前后进行截取片段，并进行镜头校正，对校正后的检材片段进行三维空间测量（在测量检测中，应以场景中具备立方体结构为基准测量点，目测场景中具备立方体结构的为就餐台面，是以现场就餐台面可视共6个点位在三维测量界面中标注出后，将实际现场数据导入三维测量中进行点位数据填写，填写完毕后点击“计算位置坐标”会出现蓝色校对边框进行确认，确认蓝色校对边框与台面各边角位置完全吻合后开始计算未知坐标）。

对提供检材存疑片段校正后图像进行像素认定：取存疑行为发生时的画面对其像素进行认定，将手部阴影取其最下点位进行标注后取得的数据与该台面在无任何遮挡物体时进行数据比对计算，因是同一位置在多帧时的比对，仅需取同一位置在不同帧上的数值。

为保证所得数据的客观真实和最大限度有利于嫌疑人（阴影占台面越多越有可能夹持物品为台面物品），取台面阴影最大值（即RGB数据中最小值）对比台面无活动时边缘数据之差确定此时手部阴影入侵台面数据，同时以该阴影位置与手部边缘最大高度之差确定手部所处高度数据：画面中测得，手部下边缘距离台面28.6mm，同时该位置上像素点位对应实际高度距离为14.3mm/像素，高度误差为±7.15mm，实际手部下边缘距离台面误差范围为21.45-35.75mm。根据台面形成阴影部位蓝色值（亮度取照RGB蓝色数值）最小值位置像素为195，台面完全无遮挡状态下该位置像素蓝色值为247，结合该位置像素点位对应实际纵深距离为83.78mm/像素，得出手部阴影在台面占比最大为（247-195）/247*83.78≈17.63mm；如依照亮度最大值255为参数（即台面为纯白色，此时阴影相对台面颜色较247差值更大，阴影台面占比更多，有利于嫌疑人），结合该位置像素点位对应实际距离为83.78mm/像素，得出手部阴影在台面占比最大为（255-195）/255*83.78=18.72mm，误差范围为17.63-18.72mm。

将所得数据结合现场试验，确定在存疑活动时，嫌疑人的手部具体空间位置。嫌疑人在存疑活动时在允许的容差范围内活动时，手部空间高度符合、阴影成像符合的状态下，无法使用手持物品夹持任何非台面物品。如嫌疑人发生任何夹持台面活动时的阴影，与实际视频中观察不符。确定在该空间位置上手部及手持物品时在台面上阴影情况清晰无误；确定视频中具体阴影表现结合现场试验吻合（如图7所示）。

图7 嫌疑人在00：38：47前后存疑行为时手部夹持物品非台面物品