基于視頻圖像計(jì)算事故車輛行駛速度的誤差分析

吳帥 石延平

摘 要：在各類交通事故技術(shù)鑒定中，對車輛行駛速度的鑒定占很大比例。隨著城市道路視頻監(jiān)控覆蓋率逐年擴(kuò)大以及車載行駛記錄設(shè)備的廣泛應(yīng)用，基于視頻圖像計(jì)算車輛行駛速度已成為一種交通事故車輛速度鑒定最常用的方法。但由于諸多自然和人為因素的影響，使利用這種方法進(jìn)行事故車輛行駛速度的計(jì)算與鑒定存在一定誤差。為了提高鑒定的準(zhǔn)確性，本文分析了幾種典型情況下誤差形成的原因，論述了如何通過采取改進(jìn)操作方法、優(yōu)化參照物和特征點(diǎn)選取、多次平均值等方法和措施減少或修正誤差，對提高車輛行駛速度計(jì)算的精度以及鑒定的準(zhǔn)確性有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：司法鑒定;道路交通事故;車速鑒定;誤差分析

1 概述

視頻監(jiān)控技術(shù)在道路交通事故技術(shù)鑒定中發(fā)揮著重要作用，視頻圖像能夠反映事故發(fā)生的整個(gè)過程或部分片段，對碰撞點(diǎn)的位置、事故發(fā)生時(shí)車輛行駛路線一目了然，利用視頻圖像能夠非常直觀地再現(xiàn)交通事故發(fā)生過程，并計(jì)算出事故車輛行駛速度大小和變化。

目前，基于視頻圖像計(jì)算車輛行駛速度技術(shù)根據(jù)視頻圖像的來源，主要有固定式視頻圖像計(jì)算目標(biāo)車輛行駛速度和車載式視頻圖像計(jì)算目標(biāo)車輛行駛速度。無論任何形式載體的視頻圖像，都是通過計(jì)算視頻圖像相鄰若干幀間目標(biāo)車輛空間行駛時(shí)間的距離和所經(jīng)歷時(shí)長，根據(jù)運(yùn)動速度、時(shí)間和距離三者之間的關(guān)系計(jì)算出目標(biāo)車輛行駛速度。

基于視頻圖像計(jì)算車輛行駛速度的誤差主要是客觀條件限制和不正確的人為操作方式兩個(gè)方面因素所造成?？陀^因素主要是委托方所提供的視頻圖像質(zhì)量不高，如由于受光線變化與陰影干擾，使視頻畫面不清晰，事故車輛輪廓模糊;又如由于監(jiān)控錄像設(shè)備原因，存在所提供視頻連貫性和流暢性不高以及幀率波動和丟幀現(xiàn)象。人為因素主要涉及不同視頻攝錄設(shè)備提供的記錄視頻的采用、圖像關(guān)注區(qū)域的確定、參照物（包括道路參照物、目標(biāo)車輛參照物和虛擬參照物）的合理選擇、曲線或彎道行駛時(shí)“以直代曲”等。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，人為因素，尤其是各類參照物的不恰當(dāng)選擇是交通事故車輛行駛速度計(jì)算誤差的主要來源。

2 道路環(huán)境參照物選取不當(dāng)引起的誤差

如圖1所示，假設(shè)以路邊的相鄰兩道旁樹為道路環(huán)境參照物，選定目標(biāo)車輛的前車輪為特征點(diǎn)。圖像為監(jiān)控?cái)z像頭角度觀察到目標(biāo)車輛特征點(diǎn)與道旁樹重合，目標(biāo)車輛行駛距離為s。標(biāo)識圖以俯視角度所呈現(xiàn)的情況，此時(shí)刻目標(biāo)車輛行駛距離為s1，目標(biāo)車輛以道旁樹間隔距離作為行駛距離，比實(shí)際行駛的距離偏小，這樣就造成車速計(jì)算值減小，從而引起誤差。為了減少此類誤差，應(yīng)選取與目標(biāo)車輛接近標(biāo)志物作為參照物，如車輪所行駛過路面上的特征點(diǎn)或特征線，只要條件允許，最好選擇路面交通標(biāo)線作為參照物[1]。

3 使用不同監(jiān)控設(shè)備視頻圖像引起的誤差

如實(shí)際案例1：2020年10月24日20時(shí)許，在某鎮(zhèn)交叉路口處，一輛專用校車與自行車發(fā)生一起道路交通事故。首次鑒定機(jī)構(gòu)采用車載式視頻圖像計(jì)算其事故時(shí)的行駛速度，計(jì)算結(jié)果為54 km/h。公安民警在案件處理過程中，一方當(dāng)事人對其行駛車速不認(rèn)可，申請重新鑒定。

后經(jīng)公安民警取證，對事故現(xiàn)場固定式公安監(jiān)控視頻圖像下載提取，兩份視頻分別為同向尾部拍攝和側(cè)面直角拍攝，兩視頻時(shí)間同步。通過視頻圖像對目標(biāo)車輛事故時(shí)的行駛速度分析鑒定。根據(jù)視頻條件選取目標(biāo)車輛參照物示寬燈做特征長度測量，測量前后示寬燈間距為7.4 m。

分析鑒定：根據(jù)事故現(xiàn)場同車道固定式視頻圖像確定車輛制動時(shí)刻。

在20：54：54秒第9幀圖像上，視頻圖像中目標(biāo)車輛制動尾燈點(diǎn)亮。（見圖2）

根據(jù)事故現(xiàn)場直角方向固定式視頻圖像確定目標(biāo)車輛的行駛速度。

在20：54：52秒第1幀圖像上，目標(biāo)車輛左側(cè)第一示寬燈與虛擬參照點(diǎn)A相互重合。（見圖3）

在20：54：52秒第9幀圖像上，目標(biāo)車輛左側(cè)第四示寬燈與虛擬參照點(diǎn)A相互重合，此時(shí)刻被鑒定車輛前方出現(xiàn)駕駛自行車人。（見圖4）

在20：54：52秒第10幀圖像上，目標(biāo)車輛左側(cè)第一示寬燈與虛擬參照點(diǎn)B相互重合。（見圖5）

在20：54：53秒第4幀圖像上，目標(biāo)車輛與其前方駕駛自行車人發(fā)生接觸。（見圖6）

在20：54：53秒第6幀圖像上，目標(biāo)車輛左側(cè)第四示寬燈與虛擬參照點(diǎn)B相互重合。（見圖7）

利用視頻錄像檢驗(yàn)所見，目標(biāo)車輛駛?cè)胍曨l圖像中路段進(jìn)行分析。根據(jù)速度-時(shí)間-位移關(guān)系公式，求解目標(biāo)車輛通過各空間特征點(diǎn)時(shí)的速度[2]。公式如下：

根據(jù)公式（1）計(jì)算目標(biāo)車輛通過A點(diǎn)及B點(diǎn)路段的行駛速度。

視頻圖像的幀率為13幀/秒，則視頻圖像中的幀間隔時(shí)間為t1=1/13秒。若目標(biāo)車輛通過各標(biāo)記點(diǎn)的時(shí)間間隔幀數(shù)n=8，則通過A點(diǎn)與B點(diǎn)間路段的時(shí)間t=nt1=8t1。

依據(jù)視頻圖像檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)車輛通過A點(diǎn)及B點(diǎn)距離的行駛時(shí)間相同，故t=tA=tB，即：

由車輛測量數(shù)據(jù)s=7.4 m，則將以上參數(shù)代入公式（1）整理計(jì)算得：

v≈11.94 m/s=42.98 km/h，取整為43 km/h。

綜合以上分析，其視頻圖像播放畫面可知目標(biāo)車輛制動尾燈點(diǎn)亮前的行駛速度為43 km/h。由于重新鑒定的事故車輛行駛速度更符合實(shí)際情況而被采納。

4 目標(biāo)車輛特征點(diǎn)與道路環(huán)境參照點(diǎn)不完全重合引起的誤差

如實(shí)際案例2：2020年12月19日15時(shí)許，在某地十字交叉路口處，一輛小型普通客車與一輛輕型普通貨車發(fā)生直角撞擊事故，兩車嚴(yán)重?fù)p毀，駕駛?cè)藛T及乘車人不同程度受傷。公安民警在調(diào)查案件中由于當(dāng)事人雙方對小型普通客車的行駛速度意見不一，對其責(zé)任的劃分不能明確。

經(jīng)公安民警調(diào)查取證，對事故目標(biāo)車輛車載式視頻圖像原件及事故現(xiàn)場公安監(jiān)控固定式視頻圖像下載提取，通過兩段視頻資料對目標(biāo)車輛事故時(shí)的行駛速度分析鑒定。

首先利用車載式視頻圖像計(jì)算目標(biāo)車輛行駛速度。通過對本次事故道路現(xiàn)場參照物進(jìn)行測量，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)視頻畫面能清晰反映道路中心標(biāo)線，測量標(biāo)線長度為4.1 m。分析鑒定發(fā)現(xiàn)，在視頻圖像中15：50：11秒第18幀圖像上，目標(biāo)車輛發(fā)動機(jī)艙蓋前緣與標(biāo)記的道路標(biāo)線起點(diǎn)接近重合，稱之為欠重合;而在視頻圖像15：50：11秒第19幀圖像上，目標(biāo)車輛發(fā)動機(jī)艙蓋前緣與標(biāo)記的道路標(biāo)線起點(diǎn)覆蓋重合，稱之為過重合。

在15：50：11秒第25幀圖像上，目標(biāo)車輛發(fā)動機(jī)艙蓋前緣與標(biāo)記的道路標(biāo)線終點(diǎn)重合。（見圖8）

利用車載式視頻圖像計(jì)算其行駛速度，經(jīng)檢驗(yàn)知視頻圖像的幀率為25幀/秒，則分別考慮欠重合和過重合兩種情況：

欠重合狀態(tài)時(shí)：

t=7×1/25=0.28 s

過重合狀態(tài)時(shí)：

t=6×1/25=0.24 s

將以上參數(shù)代入公式（1）整理計(jì)算得：

欠重合狀態(tài)時(shí)：

v≈14.64 m/s=52.70 km/h

取整后得53 km/h。

過重合狀態(tài)時(shí)：

v≈17.08 m/s=61.49 km/h

取整后得61 km/h。

顯然兩種情況下速度相差8 km/h。

再利用事故現(xiàn)場公安固定式監(jiān)控設(shè)備所下載提取的視頻圖像計(jì)算其行駛速度。對目標(biāo)車輛參照物特征長度測量，測量前后車輪軸距為2.5 m，視頻圖像的幀率為25，前后軸心間隔幀數(shù)n為4，將上述參數(shù)代入公式（1）整理計(jì)算得：

v≈15.63 m/s=56.27 km/h，取整后得56 km/h。

由于公安固定式監(jiān)控?cái)z像頭位于事故車輛行駛路線的側(cè)面，所取的虛擬參照點(diǎn)與車輛特征點(diǎn)前后輪軸心完美重合，所以計(jì)算上述所得的車速相對比較準(zhǔn)確。那么以56 km/h為基準(zhǔn)，分別計(jì)算利用車載式視頻圖像計(jì)算車速時(shí)在欠重合和過重合兩種狀態(tài)下的相對誤差：

欠重合時(shí)：

v≈52.70 km/h

相對誤差為：（52.70-56）/56=-5.4%。

過重合時(shí)：

v≈61.49 km/h

相對誤差為：（61.49-56）/56=8.9%。

當(dāng)處于無固定式視頻圖像條件下，且目標(biāo)車輛特征點(diǎn)與道路環(huán)境參照點(diǎn)不完全重合時(shí)，可將相鄰兩幀視頻圖像計(jì)算的結(jié)果求平均值，即（61.49+52.70）/2=57 km/h。此時(shí)刻的相對誤差為（57-56）/56=1.8%?？梢姰?dāng)無固定式視頻圖像時(shí)，可將車載式視頻圖像計(jì)算值求取平均數(shù)來處理目標(biāo)車輛特征點(diǎn)與道路環(huán)境參照點(diǎn)不完全重合引起的誤差，以此來完成更為客觀數(shù)值的計(jì)算。

5 “以直代曲”引起的計(jì)算誤差

當(dāng)事故車輛如圖9所示沿曲線或轉(zhuǎn)彎時(shí)，確定目標(biāo)車輛的行駛速度v。

圖9 目標(biāo)車輛沿曲線路行駛示意圖

在圖9中，道路方向測量視頻圖像中兩個(gè)道路環(huán)境參照物之間的距離S′，選取視頻圖像的某一視角方向，確定該視角與車身的交點(diǎn)O，記錄交點(diǎn)沿視角方向通過兩個(gè)參照物之間的時(shí)間間隔T，確定交點(diǎn)在路面垂直設(shè)影點(diǎn)O′的移動距離s，確定目標(biāo)車輛質(zhì)心的角速度ω和轉(zhuǎn)彎半徑R，確定目標(biāo)車輛的行駛速度v。

準(zhǔn)確計(jì)算目標(biāo)車輛沿曲線或轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度，可根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]所述步驟，依據(jù)下列公式（2）、（3）、（4）、（5）分別求出角速度ω、轉(zhuǎn)彎半徑R，最終計(jì)算出目標(biāo)車輛沿曲線或轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度v。

式中，?為視頻圖像的幀率測量投影;ΔR為 O′運(yùn)動軌跡與兩個(gè)道路環(huán)境參照物間的垂直距離;W為目標(biāo)車輛質(zhì)心距車身交點(diǎn)O垂直于車身縱軸方向的距離。

但是按照上述方法計(jì)算速度過于復(fù)雜，在實(shí)際案列中為了測量方便，往往以直線代替曲線，如圖9所示，以直線S1代替S′，如此處理便引入了誤差，顯然計(jì)算結(jié)果會偏小于實(shí)際行駛速度。在實(shí)際案件中可將參照點(diǎn)之間距離分多段測量進(jìn)行求和來減小實(shí)際測量誤差。

6 結(jié)語

目前，道路交通事故車輛速度鑒定的方法有很多種，包括依據(jù)動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)理論的車輛速度鑒定、依據(jù)碰撞試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式的車輛速度鑒定、依據(jù)模擬試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式的車輛速度鑒定、依據(jù)仿真軟件再現(xiàn)的車輛速度鑒定、依據(jù)GPS定位技術(shù)的車輛速度鑒定以及依據(jù)車輛EDR數(shù)據(jù)的車輛速度鑒定等。與上述方法相比較，基于視頻圖像進(jìn)行車輛速度鑒定的方法具有計(jì)算簡單、直觀性強(qiáng)、實(shí)際操作高效便捷等優(yōu)點(diǎn)。因此，在涉及車輛速度鑒定的道路交通事故處理中其使用率幾乎可高達(dá)90%以上。如果能夠針對每起事故的特殊性，合理選擇道路環(huán)境參照物、目標(biāo)車輛參照物、虛擬參照物以及觀測角度，精確地確定參照距離和目標(biāo)車輛的行駛距離，并結(jié)合誤差理論科學(xué)地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等，可以將由于人為因素造成的計(jì)算誤差大大降低，一般可控制誤差小于5%。在受到自然因素限制的情況下，如當(dāng)觀測視線與目標(biāo)車輛行駛方向存在一定夾角時(shí)，要考慮投影效應(yīng)的影響，又如在夜晚?xiàng)l件選取車燈作為參照點(diǎn)時(shí)，存在炫目影響。在實(shí)際操作中，考慮自然因素的影響，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充修正，一般情況下也可以滿足事故車輛速度鑒定的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]何烈云.道路交通事故車速鑒定與仿真再現(xiàn)技術(shù)[M].中國人民大學(xué)出版社，2018.1.

[2]賈常明，吳文龍，王乾，等.視頻方法鑒定車速的準(zhǔn)確性研究[J].刑事技術(shù)，2020（2）：160-164.

[3]公安部道路交通管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GA/T 1133-2014，基于視頻圖像的車輛行駛速度技術(shù)鑒定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.