基于Photoshop消失點功能測量畫面中目標人物身高的實驗研究

徐 斌，代雪晶

（中國刑事警察學(xué)院，遼寧 沈陽 110035）

隨著計算機技術(shù)的不斷進步，視頻監(jiān)控系統(tǒng)被廣泛運用于刑事偵查、行為分析、異常情形預(yù)警、安全事件的事后調(diào)查等方面并發(fā)揮著重要作用。如何通過監(jiān)控對目標人物的身高進行準確測量是亟待提高的關(guān)鍵技術(shù)。目前，結(jié)合辦案情況，普遍運用的測量方法有軟件測量法、現(xiàn)場重建法與透視作圖法，筆者將提出一種新的測量方法，即基于新版Photoshop 中消失點功能的測量法。通過建立圖片的三維透視圖，在三維透視圖中移動目標人物到合適位置，根據(jù)目標人物與標定物的比例關(guān)系，得出目標人物的實際身高。由于現(xiàn)實生活中，視頻監(jiān)控受到環(huán)境，設(shè)備，人為等因素的影響，圖像達不到準確測量目標人物身高的標準，所以在測量之前需要對圖片進行預(yù)處理。在測量方面，將著重介紹消失點測量法，并與傳統(tǒng)的透視作圖法進行實驗比較分析，探討兩方法的適用范圍與相關(guān)注意事項。

一、研究現(xiàn)狀

2008年，李苑在《單幅畫面中嫌疑人身高測判方法比較》一文中介紹了3 個測量身高方法，分別是透視作圖測量法、現(xiàn)場重現(xiàn)法和軟件測量法。文中李苑指出各個測量方法的優(yōu)劣，提出這3 種測量方法不是“精確測量”，仍是“概略測量”，測量所得的身高也不是目標人物的實際身高，而是姿態(tài)的身高［1］。2012年，趙秀萍、王云、宋軍提出一個利用Photoshop 消失點功能測量視頻圖像中人體身高的方法，具體步驟是校正圖像垂直線，將人體與背景分離，確認人體的身高線段，利用消失點功能測量人體身高［2］。筆者認為，此方法存在一定的局限性，文中介紹的消失點測量法是通過人體身高的線段及頭部和腳部的水平線建立一個同時垂直于墻面和地面的新平面，然后畫出新平面與墻面相交的線段［3］，最后根據(jù)線段的兩端長度測算目標人物的高度。如果該相交線段不在合適的參照物上，即人與參照物不在同一平面上，該方法就失效了。此外監(jiān)控圖像難免會出現(xiàn)透視變形、桶形畸變、枕形畸變、魚眼變形等圖像退化，此時消失點測量法該如何測量，文中并未涉及。筆者將該消失點測量方法進行改良，適用目標人物、參照物不在一個水平面且相距較遠的情形和監(jiān)控圖像出現(xiàn)明顯退化的情形。另外，2018年，馬曉赟在《視頻監(jiān)控中人體身高識別關(guān)鍵技術(shù)研究》一文中詳細介紹了透視作圖測量法，提出透視作圖法測出的是人的姿態(tài)身高，誤差在2 厘米左右［4］?？梢?，透視作圖法測量精確度有提升空間。

從知網(wǎng)的搜索結(jié)果來看，關(guān)于畫面中目標人物的身高測量方面的論文僅有10 余篇。通過文獻分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有研究遇到的可改進問題有以下幾點：首先，文章都在結(jié)語中提到圖像的變形對最后測量數(shù)據(jù)存在影響，但是未對圖片預(yù)處理方法進行總結(jié)概括；其次，目標人物的垂足點與頭部頂點的選取為人直接標選，存在較大的主觀成分；最后，缺少身高測量方法之間的系統(tǒng)比較研究。本文試就此做出改進。

二、視頻監(jiān)控畫面的預(yù)處理

由于受到監(jiān)控設(shè)備、光照條件等因素的影響，視頻監(jiān)控畫面質(zhì)量往往達不到準確測量目標人物身高的標準。因此，在測量目標人物的身高之前，需要對視頻監(jiān)控圖像進行預(yù)處理，主要處理方法有圖像增強、色彩調(diào)整、鏡頭校正、圖像復(fù)原和MATLAB 函數(shù)等。

筆者總結(jié)概括了圖像降質(zhì)環(huán)節(jié)和降質(zhì)因素，并介紹使用Photoshop 與MATLAB 兩個軟件解決圖像降質(zhì)的方法，具體如下［5］：

三、視頻監(jiān)控畫面中目標人物的身高測量方法

人的身高在一個特定的時間段內(nèi)是穩(wěn)定不變的，所以身高是視頻監(jiān)控中人身同一認定的基本參數(shù)。

在視頻監(jiān)控的畫面中，目標人物的身高值一般是指頭部頂點與垂足點連線的長度。找到頭部頂點和垂足點位置是準確測量的關(guān)鍵，董秋雷等人提出的實時測量方法采用混合高斯模型來提取頭部頂點、垂足點；Jiang Mingxin 等人利用前景區(qū)域的主軸線計算頭部頂點，并根據(jù)幾何約束求出垂足點；張彩霞等人巧妙避免主觀選取頭部頂點與垂足點的環(huán)節(jié)，在頭部頂點形成一個與地平面平行的虛擬平面，該平面與地平面的垂直距離就是人的身高［6］。

圖1 視頻監(jiān)控原始圖像Fig.1 Video surveillance original image

其次，在視頻監(jiān)控畫面中不可避免地會存在一些干擾測量的因素，需要根據(jù)圖片的情況，按照上述視頻監(jiān)控畫面的預(yù)處理方法進行相應(yīng)的預(yù)處理。如圖1 所示，門出現(xiàn)了桶形形變，另外還存在光線條件差、色彩對比度低分辨率低等情況，需要進行預(yù)處理。處理過程如圖2、3、4 所示。

圖2 鏡頭矯正處理后的圖像Fig.2 Lens corrected image

圖3 色調(diào)均化與陰影/高光處理后的圖像 Fig.3 Tonal homogenization and shadow/highlight processed images

圖4 自由變換去傾斜后的圖像Fig.4 Freely transforming the image after tilting

在找到頭部頂點和垂足點，以及對視頻監(jiān)控畫面預(yù)處理后，筆者將介紹身高測算方法。目前，結(jié)合辦案情況，普遍運用的測量方法有軟件測量法、現(xiàn)場重建法、透視作圖法，以及近些年出現(xiàn)的消失點測量法。相較于透視作圖法和消失點測量法而言，現(xiàn)場重現(xiàn)法與軟件測量法適用的場合較少，操作復(fù)雜而不易掌握，不適合于基層辦案需要。所以，筆者將著重介紹透視作圖法和消失點測量法。

（一）透視作圖法

監(jiān)控視頻的原理是光學(xué)成像，將三維空間轉(zhuǎn)換成二維畫面，存在近大遠小等透視現(xiàn)象。人可以在監(jiān)控視頻中隨意地走動，二維畫面中目標人物的影像高度也隨之變化，人眼無法直接讀取身高值［4］。但是監(jiān)控視頻中的某些物品位置是固定的，如門、窗、畫框等，這些固定物的實際長度可以在現(xiàn)場直接測量得到。透視作圖法通過研究圖像的透視規(guī)律，尋找目標人物身高與參照物的長度比例關(guān)系，算出目標人物的身高值。透視作圖測量法大致有以下幾個步驟：

1.延長一組平行線相交于一點，此點為該平行線方向“消失點”，也稱為“滅點”。

2.視計算需要，作出不同方向的“消失點”，根據(jù)“消失點”繪制畫面相關(guān)透視圖。

3.畫出目標人物的頭部頂點與垂足點，確定身高線段。

4.尋找合適的透視關(guān)系，找到身高線段與參照物的長度比例關(guān)系。

5.現(xiàn)場測量參照物的實際高度，在畫面上測量目標與參照物的畫面長度數(shù)據(jù)。

6.將取得的數(shù)據(jù)代入比例關(guān)系中，計算出目標人物的實際身高。

圖5 使用Photoshop 繪制滅點（消失點），根據(jù)比例關(guān)系求值Fig.5 Use Photoshop to draw vanishing points and evaluate them according to the proportional relationship

如圖5 所示，直線A、B 是一組平行線，直線C、D、E 是一組平行線，平行線之間的距離處處相等，所以身高線段L1、L2、L3 都可以表示目標人物的身高。利用Photoshop 的量尺工具測得線段ab=20.70，線段ac=25.90，已知門高226cm，帶入公式計算得出目標人物的身高為180.63cm，與實際身高183cm相比，誤差較大。

（二）消失點測量法

消失點是Photoshop 濾鏡中的功能，允許在透視平面上（樓道墻壁或者任何矩形對象）的圖像中進行透視校正編輯，也可以按照透視的原理進行測量。

利用消失點測量目標人物的操作步驟有：

1.對圖像進行預(yù)處理

由于監(jiān)控的安裝位置不正，拍攝畫面可能會傾斜，則需要利用Photoshop 的“變換（A）”進行旋轉(zhuǎn)調(diào)整。如果圖像出現(xiàn)變形，可以按照第二段總結(jié)的預(yù)處理方法進行處理。如圖6、圖7 所示。

圖6 監(jiān)控原圖（存在退化）Fig.6 Degraded original image

圖7 旋轉(zhuǎn)-0.92，扭曲+6Fig.7 Rotate -0.92,twist +6

2.將人體和背景分離，確定人體的身高線段

人體的身高取決于頭部頂點與垂足點的提取。下面介紹兩種身高線段提取的方法：

（1）利用MATLAB 工具箱中的sobel 算法、prewitt 算法、log 算法進行邊緣檢測，選取最高點。如果兩只腳的邊緣輪廓是兩塊不連通的區(qū)域，那么在兩段曲線邊緣上取縱坐標最大的兩個點，兩點的連線記為M，過最高點做連線M 的垂直線段L，L 為人體的身高線段。如果兩只腳的邊緣輪廓是連通的區(qū)域，在這曲線上選取橫坐標最小的一點與最大的一點，兩點連線記為M，過最高點做連線M 的垂直線段L，L 則為人體的身高線段。

（2）利用Photoshop 濾鏡中的消失點功能，建立地面的平面A，使平面的一邊緊貼目標人物的垂足點，然后將鼠標光標放在邊上圓點上按住“Ctrl”拉出一個平面B，此時平面A 與平面B 垂直。平面B的上邊緣與目標人物的頭部特征點相平行。平面B 上的豎直邊P 就是目標人物的身高線段P，如圖8 所示。

圖8 消失點窗口繪制的平面A、B 與身高線段PFig.8 Plane A,B drawn by the vanishing point window and height line segment P

3.利用消失點測量目標人物的身高

首先選擇消失點命令，建立地面A、人體所在平面B、墻壁平面C 的三維系統(tǒng)；選取身高線段P平移到墻壁所在平面C 與平面B 的相交處，記為線段H。然后，在墻壁平面C 上尋找合適的參照物，調(diào)整平面C 的豎直邊，讓平面C 的寬度等于線段H的長度，然后在平面C 上平移線段H 到合適的參照物上，此時線段記為H’。最后根據(jù)身高線段與參照物的比例關(guān)系算出目標人物的身高。

4.圖像失真嚴重的情況

如果圖像失真較嚴重且地面的參照物特征點較好（記一平面D 分別與地面A、人體所在平面B垂直，平面A，B，D 兩兩垂直，由于監(jiān)控畫面存在失真現(xiàn)象，平面D 與墻面C 不完全重合，如圖9 所示）。平面D 與平面B 的交線為M，線段M 是人物身高線段（平面B 的上邊緣與下邊緣分別經(jīng)過人的頭部頂點與垂足點，線段M 與線段P 長度相等），接著調(diào)整平面D 的寬度，使平面D 的寬度等于線段M 的長度，這樣平面D 上每一條垂直的藍色輔助線的長度都能表示為目標人物的身高，如圖9所示。然后，把鼠標光標放在平面D 上邊緣的圓點處，按住“Alt”旋轉(zhuǎn)，使得平面D 與墻壁平面C 貼合。最后，把光標放置在平面C 的ab 邊上進行拖動，從而拉升平面C 的長度，使得ab 邊與參照物重合。ab邊記為M’，根據(jù)身高線段M’與參照物的比例關(guān)系算出目標人物的身高，如圖10 所示。

圖9 線段M 是人在平面D 上的投影Fig.9 Line segment M is the projection of a person on plane D

圖10 平面D 與墻壁貼合時人的投影M’Fig.10 The projection M' of the plane D when it fits the wall

畫面中目標人物的測量高度M’=10.05，畫面中門的高度ac=12.4，門的實際長度226cm。利用公式算出目標人物的實際身高為183.17cm，與183cm的實際身高差距不大。

四、消失點測量法與透視作圖法實驗結(jié)果比較與分析

（一）實驗?zāi)康?/h3>

利用Photoshop 消失點測量法與透視作圖法對不同的畫面中目標人物的身高進行測算，比較這兩種方法的誤差大小并分析產(chǎn)生誤差的原因。

（二）實驗場景與目標人物的選擇

場景一與場景二為樓道監(jiān)控拍攝所得，背景畫面較復(fù)雜，地面平整，有參照物，至少存在一個“消失點”，Photoshop 消失點測量法與透視作圖法均能夠測量目標人物的身高。場景一與場景二畫面均存在變形，光照條件不好，需要進行預(yù)處理。目標人物與畫面背景反差不大，需要提取垂足點與頭部頂點。

目標人物A、B、C、D 身高不同，與參照物（門）不在同一平面內(nèi)，離參照物的距離有近有遠。因為測量的目標人物的身高是人物姿態(tài)的高度，所以目標人物A、B、C、D 盡量保持直立，避免低腰、跑步等姿態(tài)變化對身高測量產(chǎn)生的誤差。

（三）實驗步驟和實驗結(jié)果

采用本文第三部分介紹的方法和步驟進行目標人物身高的測量。實驗結(jié)果如表1、表2 所示。

表1 場景一中消失點與透視法計算出的目標人物的身高與誤差Table1 The height and error of the target person calculated by the vanishing point and the perspective method in scene one

表2 場景二中消失點與透視法計算出的目標人物的身高與誤差Table2 The height and error of the target person calculated by the vanishing point and the perspective method in scene two

（四）實驗分析

1.消失點測量法的誤差分析

首先，消失點測量法要求地面平整，根據(jù)墻角線或矩形瓷磚的邊緣等特征線段建立起關(guān)于地面的平面。如果畫面中沒能清楚地顯示特征線段，則建立出的平面不能準確反映畫面的透視關(guān)系，對后續(xù)的目標人物的測量會產(chǎn)生影響。其次，監(jiān)控攝像頭拍攝的畫面不可避免會出現(xiàn)失真的退化，對于嚴重失真的圖片很難校正為正常圖片，這對消失點測量也會產(chǎn)生影響。最后，目標人物離鏡頭較遠，人身小且像素低，人在讀取數(shù)據(jù)時難免存在一定的主觀性。

2.透視作圖法的誤差分析

透視作圖法的關(guān)鍵在于尋找滅點，有的監(jiān)控畫面沒有合適的參照物以至于畫不出滅點，或是監(jiān)控的偏移角度太大，滅點離開畫面太遠。滅點遠導(dǎo)致選取頭部頂點與垂足點時產(chǎn)生的誤差成倍增大，同時也加大了作圖的難度。此外，鏡頭焦距的長短、拍攝距離的遠近、仰俯角度的大小和畫面的透視變形也會影響測量的精度。

五、結(jié)語

實踐證明，利用Photoshop 的消失點測量法對站立狀態(tài)下靜態(tài)身高值測量誤差最小，假定作圖規(guī)范，誤差可以小于1cm，而且方便快捷。透視作圖法測量的工作量較大，與Photoshop 畫圖功能相結(jié)合，可相應(yīng)減少工作量。相較于透視作圖法而言，消失點測量法局限性較小，對失真退化的圖像預(yù)處理后，消失點測量法也能較準確得到目標人物的身高值。此外，我們還要綜合考慮目標人物的動作是否導(dǎo)致身形變化、身體是否被遮擋、鞋子是否帶增高等情形，才能對目標人物的實際身高作出準確判斷。