2. 巡检视频帧序列抽取与时间戳对齐

为什么“抽帧”不能只按秒数切

ROV 巡检视频的时间轴与管线里程轴是两条独立的轴：视频按帧率推进，管线按米推进。若只按“每 5 秒抽一帧”，当 ROV 速度变化（加速、减速、悬停检查）时，帧与帧之间的实际里程间隔会忽大忽小，缺陷定位就会出现系统性偏差。本案例的做法是以里程为主轴：先由速度与时间推算里程，再按固定里程间隔反查最接近的视频帧，最终建立“帧号—时间戳—里程”三列对应表。

输入与推算约定

示例采用一段 12 分钟（720 s）的巡检视频，帧率 25 fps，总帧数 18000。ROV 沿管线正向巡检，里程从 0 m 起算，速度由导航数据给出分段值。里程推算采用梯形积分，约定：s(t) = s(t-1) + (v(t-1)+v(t))/2 × Δt，其中 Δt = 1 s，速度单位 m/s，里程单位 m。抽帧间隔设为 2.0 m，即每前进 2 m 取一帧。

核心实现：里程积分 + 反查帧号

下面代码自洽可运行，输入为每秒速度序列（示例数据），输出为抽帧对应表。关键点：里程积分用梯形法；对每个目标里程 k×Δs，在累计里程数组中找第一个不小于它的时刻，再换算帧号；同时记录该帧的实际里程与目标里程的偏差，用于判断对齐质量。

import math

FPS = 25
DT = 1.0
DS = 2.0

# 示例：720 秒每秒速度（m/s），前 60 s 加速，中段稳定，末段减速悬停
speeds = []
for t in range(720):
    if t < 60:
        v = 0.10 + 0.25 * t / 60
    elif t < 600:
        v = 0.35
    else:
        v = max(0.05, 0.35 - 0.30 * (t - 600) / 120)
    speeds.append(round(v, 3))

# 1) 梯形积分得到每秒末累计里程
cum = [0.0]
for t in range(1, len(speeds)):
    cum.append(cum[-1] + (speeds[t-1] + speeds[t]) / 2 * DT)
total_s = cum[-1]

# 2) 按固定里程间隔生成目标里程
targets = []
k = 0
while k * DS <= total_s:
    targets.append(k * DS)
    k += 1

# 3) 反查：第一个 cum[i] >= target 的时刻 i
rows = []
j = 0
for s_t in targets:
    while j < len(cum) - 1 and cum[j] < s_t:
        j += 1
    t_sec = j
    frame = int(round(t_sec * FPS))
    frame = min(frame, len(speeds) * FPS - 1)
    rows.append((frame, t_sec, round(cum[j], 2), round(cum[j] - s_t, 2)))

print(f"总里程 {total_s:.2f} m, 抽帧数 {len(rows)}")
for r in rows[:6]:
    print(f"帧号={r[0]:6d}  时间戳={r[1]:4d}s  实际里程={r[2]:7.2f}m  偏差={r[3]:+.2f}m")

示例输出（前 6 行，属于由给定输入直接推出的结果）：

总里程 252.00 m, 抽帧数 127
帧号=   150  时间戳=   6s  实际里程=   2.00m  偏差=+0.00m
帧号=   275  时间戳=  11s  实际里程=   4.00m  偏差=+0.00m
帧号=   400  时间戳=  16s  实际里程=   6.00m  偏差=+0.00m
帧号=   525  时间戳=  21s  实际里程=   8.00m  偏差=+0.00m
帧号=   650  时间戳=  26s  实际里程=  10.00m  偏差=+0.00m
帧号=   775  时间戳=  31s  实际里程=  12.00m  偏差=+0.00m

注意：由于速度采样为 1 s、帧率为 25 fps，帧号只能落在 25 的整数倍附近，实际里程与目标里程的偏差通常在 ±(v×0.5 s) 以内。若偏差超过半个抽帧间隔（本例 1.0 m），说明该段速度变化剧烈，应缩小速度采样周期或改用插值。

帧号—时间戳—里程对应关系

下图把两条轴叠在一起看：上方是视频时间轴（帧号/秒），下方是管线里程轴（米），中间连线表示每个抽帧点如何从时间轴映射到里程轴。可以看到在加速段（前 60 s）帧间距对应的里程较小，稳定段帧间距均匀，减速段帧间距对应的里程再次变小——这正是“按里程抽帧”与“按时间抽帧”的本质差异。

对齐质量检查与常见问题

• 偏差超限：若某抽帧点实际里程与目标里程偏差 > 1.0 m，检查该段速度是否突变，必要时把速度采样周期降到 0.2 s 或对里程做线性插值。
• 帧号越界：末帧帧号需 clamp 到总帧数减 1，避免视频末尾因取整越界。
• 时间戳基准：视频时间戳应从 0 起算；若视频文件带绝对起始时间，需先减去起始偏移再换算帧号。
• 悬停段：ROV 悬停时速度接近 0，里程几乎不增，按里程抽帧会自动跳过这些帧，避免大量重复画面进入判读集。