劉廣迪++秦靜++關(guān)思敏++張森

摘要：勘查犯罪現(xiàn)場(chǎng)是處理刑事案件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)犯罪現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行三維重建，可以很好的再現(xiàn)案發(fā)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)狀況，極大的提高了破案率。本文從警務(wù)實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的角度出發(fā)，在傳統(tǒng)三維重建的基礎(chǔ)上，論述了基于光編碼技術(shù)的三維重建，并對(duì)該技術(shù)在犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建中的應(yīng)用前景做了詳細(xì)的分析。

關(guān)鍵詞：光編碼 ；三維重建；犯罪現(xiàn)場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）20-0221-03

三維重建技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)于虛擬與現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵技術(shù)。它的目的是把現(xiàn)實(shí)環(huán)境轉(zhuǎn)換為能在計(jì)算機(jī)中方便處理的數(shù)學(xué)模型，這樣就可以用計(jì)算機(jī)來(lái)做一些在現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)法做到或很難做到的事情?；诠饩幋a技術(shù)的三維重建具有速度快、精度高的特點(diǎn)，其作為計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，可以很好地應(yīng)用于犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建等警務(wù)實(shí)戰(zhàn)的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)快速精確的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)重現(xiàn)，極大的提高辦案效率。本文結(jié)合自己的研究課題，重點(diǎn)就基于光編碼技術(shù)的三維重建及其在犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建中的應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了有益的探討。

1 傳統(tǒng)的三維重建

傳統(tǒng)的三維重建一般都是以圖片為基礎(chǔ)，根據(jù)不同視圖的圖像來(lái)重建三維信息。傳統(tǒng)三維重建大致分為圖像獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取、立體匹配和三維建模五個(gè)步驟。首先要用攝像機(jī)獲取三維物體的二維圖像，光照條件和攝像機(jī)參數(shù)等都會(huì)影響到圖像的處理結(jié)果。之后通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定求解攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，這樣就再結(jié)合圖像的匹配結(jié)果就能得到空間三維點(diǎn)的坐標(biāo)。在特征提取的過(guò)程中，大部分是以特征點(diǎn)為匹配項(xiàng)。然后根據(jù)提取的特征點(diǎn)來(lái)建立圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是將同一物理空間點(diǎn)在兩幅不同圖像中的成像點(diǎn)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。在進(jìn)行匹配時(shí)有許多干擾因素，比如光照、噪聲、表面物理特性以及攝像機(jī)特性等諸多變化因素。得到比較精確的匹配結(jié)果后，再結(jié)合得到的攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，就可以重建出場(chǎng)景的三維信息。只有做好前面幾個(gè)步驟的工作，盡量提高各個(gè)環(huán)節(jié)的精度，減小誤差，才能達(dá)到好的重建效果。

2 基于光編碼的三維重建

光編碼也屬于結(jié)構(gòu)光技術(shù)，但是有一定的差別。光編碼技術(shù)是把光打在需要測(cè)量的空間中，和其他編碼方式不同的地方在于其計(jì)算方式。它的光源發(fā)射出的是一種所謂的體編碼圖像，而不是一般的具有周期變換的2維編碼圖像。其光源一般是鐳射光，穿透光柵打在空間中會(huì)形成一種隨機(jī)分布的激光散斑，隨著距離不同圖案也跟著變化。因此，空間每一個(gè)點(diǎn)的散斑都是不同的圖案，這就相當(dāng)于整個(gè)空間被做了標(biāo)記，任何進(jìn)入該空間的物體都可以被確切的記錄下來(lái)。

基于光編碼的三維重建技術(shù)具有精度高、速度快的特點(diǎn)。它利用激光測(cè)距的原理，搜索被測(cè)物體表面大量、密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息和反射率信息，這些信息被稱為三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將各種實(shí)體或?qū)嵕暗娜S點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進(jìn)而快速重建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。結(jié)合其他各領(lǐng)域的專業(yè)應(yīng)用軟件，還可對(duì)所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行各種后處理應(yīng)用。目前可用于三維重建的光編碼傳感器一般有三個(gè)攝像頭，分別為彩色攝像頭，紅外線發(fā)射器和紅外線攝影機(jī)所構(gòu)成的 3D 結(jié)構(gòu)光深度感應(yīng)器。再配合驅(qū)動(dòng)就可以將傳感器和電腦連接起來(lái)，傳感器采集完數(shù)據(jù)后經(jīng)由電腦軟件進(jìn)行處理就得到了物體的三維模型，下面簡(jiǎn)單介紹一下重建的原理和過(guò)程。

普通的攝像機(jī)在獲取圖像的時(shí)候往往只能得到彩色圖像，而基于光編碼的傳感器卻能同時(shí)得到彩色信息和攝像頭的深度信息。如微軟的kinect，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它可以同時(shí)得到兩幅圖像，分別為彩色圖像和深度圖像，而深度圖像直接反映出物體與深度攝像頭之間的距離，這就為之后的坐標(biāo)變換提供了極大的便利，為實(shí)現(xiàn)快速的三維重建打下了良好的基礎(chǔ)。具體過(guò)程如下，首先利用深度發(fā)射器發(fā)出的近紅外線對(duì)空間進(jìn)行編碼，然后由深度傳感器器記錄空間中的反射光線，經(jīng)過(guò)處理后可以得到環(huán)境的深度信息。在深度信息的獲取過(guò)程中，由于無(wú)法獲取到深度信息的地方會(huì)產(chǎn)生一些噪聲，比如圖像靜止時(shí)深度信息的一些抖動(dòng)、邊緣信息不穩(wěn)定等現(xiàn)象。為了達(dá)到良好的重建效果需要對(duì)深度圖像進(jìn)行濾波操作。之后是坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換涉及了三個(gè)坐標(biāo)系，分別為世界坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系。首先根據(jù)深度信息直接得到物體到傳感器的真實(shí)距離，由于標(biāo)定過(guò)的攝像機(jī)可以看成針孔模型，因此根據(jù)三角形相似原理可以根據(jù)深度信息得到物體的三維坐標(biāo)。進(jìn)而得到物體彩色的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，之后根據(jù)各種配準(zhǔn)算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，最后可以用點(diǎn)云庫(kù)中的各種算法來(lái)處理并顯示物體的模型。

在建模過(guò)程中最重要的是深度圖像的濾波算法和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)算法，對(duì)于濾波算法目前采用高斯濾波和中值濾波相結(jié)合的方法可以得到比較好的效果。配準(zhǔn)算法的選擇將直接影響到三維深度數(shù)據(jù)建模的精度，并且會(huì)影響重建的自動(dòng)化程度，所以在進(jìn)行三維重建的過(guò)程中，選擇高效的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)算法是最關(guān)鍵的。目前可以采用精確的迭代最近點(diǎn)算法，當(dāng)然在精確配準(zhǔn)前要進(jìn)行粗配準(zhǔn)。經(jīng)試驗(yàn)，用最近點(diǎn)迭代算法可以達(dá)到令人滿意的效果。

3 在犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建中的應(yīng)用

所謂犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建，就是利用犯罪現(xiàn)場(chǎng)的痕跡、一些關(guān)鍵物證的位置和狀態(tài)，并對(duì)它們之間的相互關(guān)系進(jìn)行分析，再結(jié)合所獲取的相關(guān)客觀事實(shí)，合以抽象模擬的方式，重新重建出犯罪現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)時(shí)發(fā)生的犯罪內(nèi)容和犯罪過(guò)程，并對(duì)犯罪過(guò)程進(jìn)行分析的偵查活動(dòng)。其包括犯罪場(chǎng)景的重建和犯罪過(guò)程的重現(xiàn)兩個(gè)方面。下面具體介紹一下基于光編碼的三維重建技術(shù)在這兩個(gè)方面的應(yīng)用前景。

3.1犯罪場(chǎng)景的重建

在犯罪場(chǎng)景的重建方面，對(duì)于各種刑事案件來(lái)說(shuō)，勘查現(xiàn)場(chǎng)是公安機(jī)關(guān)首先要解決的問(wèn)題，這對(duì)于案件偵破來(lái)說(shuō)也是最關(guān)鍵的過(guò)程?？辈楝F(xiàn)場(chǎng)是為了解案件現(xiàn)場(chǎng)的基本情況，尋找相關(guān)的證據(jù)和線索。目前，公安機(jī)關(guān)獲取犯罪案件現(xiàn)場(chǎng)信息的主要途徑有：現(xiàn)場(chǎng)檢查、信息存儲(chǔ)、痕跡提取等，在這些傳統(tǒng)的方法中，現(xiàn)場(chǎng)勘查的效果往往取決于勘查人員的個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)。而且這種現(xiàn)場(chǎng)勘察的方法工作繁瑣、強(qiáng)度大、效率低，特別是其自動(dòng)化程度不高。這就使現(xiàn)場(chǎng)資料的存儲(chǔ)、和檢索變得非常困難，特別是在偵破案件的過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)遺漏了比一些重要的痕跡物證也無(wú)法及時(shí)彌補(bǔ)。因此，在案件的現(xiàn)場(chǎng)勘察過(guò)程中，公安工作者面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題就是如何全面地收集現(xiàn)場(chǎng)信息和數(shù)據(jù)，杜絕信息遺漏，保證最終重建和還原的犯罪場(chǎng)景最大限度地貼近現(xiàn)實(shí)情況。

現(xiàn)在有關(guān)獲取案件現(xiàn)場(chǎng)的三維技術(shù)已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，目前應(yīng)用最廣泛的是三維全景技術(shù)。所謂的三維全景技術(shù)一般是用魚(yú)眼相機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)拍攝覆蓋現(xiàn)場(chǎng)的多張連續(xù)照片，然后通過(guò)軟件處理后能得到360度完整范圍的全景。但在警務(wù)實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用有一定的局限性，會(huì)在不同程度上影響辦案效率。首先三維全景技術(shù)對(duì)細(xì)節(jié)的處理不夠細(xì)致，許多非常重要的證據(jù)采集不到。其次，在取景的時(shí)候有一定的限制，如果現(xiàn)場(chǎng)有障礙物，得到全景圖的效果就會(huì)比較差，這樣就無(wú)法真實(shí)的獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

基于光編碼的三維重建技術(shù)則有效地避免了以上的各種缺陷。它可以快速地對(duì)犯罪現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行掃描從而得到所需要的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而點(diǎn)云數(shù)據(jù)能真實(shí)的還原當(dāng)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)，其包含了對(duì)象物體的反射率信息和空間尺寸信息，如果利用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)，就可以逼真地得到對(duì)象物體的紋理和彩色信息。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以方便的得到所需要的犯罪現(xiàn)場(chǎng)的各種測(cè)繪圖件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模從而得到犯罪現(xiàn)場(chǎng)的虛擬場(chǎng)景，公安機(jī)關(guān)可以根據(jù)需要隨時(shí)勘查犯罪現(xiàn)場(chǎng)，從而達(dá)到永久保留現(xiàn)場(chǎng)的目的。

對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的場(chǎng)景進(jìn)行提前重建，能在預(yù)防重點(diǎn)區(qū)域犯罪中起到很重要的作用。每個(gè)城市都有一些案發(fā)率較高的重點(diǎn)區(qū)域，尤其是在舉辦一些大型活動(dòng)的時(shí)候，犯罪分子在作案之前往往會(huì)破壞現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控和其他的防范設(shè)施，這樣就給公安機(jī)關(guān)的破案帶來(lái)很大的麻煩。因此針對(duì)這些重點(diǎn)區(qū)域的安全防范措施就顯得尤為重要。基于光編碼的三維重建技術(shù)可以我們可以提前對(duì)這些重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行考察，搞清現(xiàn)場(chǎng)重要建筑的地理位置和有關(guān)重要出入口的情況。從而重建出現(xiàn)場(chǎng)的三維模型，通過(guò)對(duì)模型中各個(gè)部分和之前犯罪情況的分析可以預(yù)測(cè)出最容易發(fā)生突發(fā)情況的位置，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際需要增加具體的防范設(shè)施，在不同的重點(diǎn)位置安裝相應(yīng)功能的設(shè)備，有計(jì)劃的針對(duì)可能出現(xiàn)的情況進(jìn)行部署，這樣就對(duì)突發(fā)事件的發(fā)生起到了很好的預(yù)防作用，就算出現(xiàn)犯罪情況也可以幫助公安機(jī)關(guān)迅速破案。

3.2犯罪過(guò)程的重現(xiàn)

在犯罪過(guò)程的重現(xiàn)方面，目的是對(duì)整個(gè)犯罪的具體過(guò)程進(jìn)行重新的演繹、推理和判斷。在偵查現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)候偵查人員偶爾會(huì)忽略一些不重要的細(xì)節(jié)，通過(guò)重現(xiàn)犯罪過(guò)程，公安機(jī)關(guān)可以從多角度進(jìn)行觀察和分析，挖掘出犯罪過(guò)程中的那些可能被忽略的證據(jù)，從而可以為快速破案打下良好的基礎(chǔ)。在之前的辦案過(guò)程中都是根據(jù)照片、文檔、媒體等資料來(lái)進(jìn)行重現(xiàn)，不能給人三維的立體感覺(jué)，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致意見(jiàn)不統(tǒng)一，這有時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響案件的偵破效率。而基于光編碼的三維重建技術(shù)則能利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成具有立體感的逼真三維虛擬場(chǎng)景，在此基礎(chǔ)上可以增加人機(jī)交互技術(shù)的應(yīng)用，根據(jù)犯罪現(xiàn)場(chǎng)的具體情況加入所需要的聲音、物體、人物等各種因素，通過(guò)人機(jī)交互，利用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)來(lái)控制模型從而達(dá)到重現(xiàn)犯罪過(guò)程的目的。這可以幫助公安機(jī)關(guān)更加直觀地從中獲取各種信息，仿佛置身于犯罪現(xiàn)場(chǎng)之中，可以對(duì)當(dāng)時(shí)的犯罪情景進(jìn)行全方位的推理、判斷和綜合，從而快速掌握案情并采取相應(yīng)措施。

為了使犯罪過(guò)程更加真實(shí)生動(dòng)的重現(xiàn)，可以將重建出的三維模型和案件過(guò)程的動(dòng)態(tài)反演技術(shù)相結(jié)合，目前國(guó)內(nèi)公安機(jī)關(guān)對(duì)動(dòng)態(tài)反演技術(shù)開(kāi)發(fā)和使用的重視程度還不高，還未將其廣泛的應(yīng)用于公安偵查工作中，基于光編碼的三維重建為動(dòng)態(tài)反演技術(shù)創(chuàng)造了一個(gè)很好的場(chǎng)景平臺(tái)，在真實(shí)的犯罪場(chǎng)景中加入以節(jié)點(diǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)的人物、工具等在犯罪過(guò)程中可能出現(xiàn)的事物，根據(jù)犯罪過(guò)程有目的的控制人物運(yùn)動(dòng)，通過(guò)簡(jiǎn)單快捷的操作，在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)案件可能發(fā)生的多種過(guò)程創(chuàng)建反演，幫助偵查人員進(jìn)一步認(rèn)識(shí)案件 ，從而為科學(xué)辦案提供巨大幫助。

此外，在犯罪過(guò)程重現(xiàn)的同時(shí)，為了解物與物之間的距離、位置、空間關(guān)系，免不了要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中關(guān)鍵地點(diǎn)進(jìn)行三維測(cè)量。由于三維場(chǎng)景是由點(diǎn)云數(shù)據(jù)形成的，因此可以直接對(duì)長(zhǎng)度、高度、以及區(qū)域的面積進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過(guò)程即簡(jiǎn)單又快速。通過(guò)三維測(cè)量可以獲得所需要的破案信息，為之后的偵查提供便利。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了基于光編碼的三維重建技術(shù)，并詳細(xì)論述了其在犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建中的應(yīng)用前景。在以后的應(yīng)用過(guò)程中需要解決的是如何與其他技術(shù)的有效結(jié)合問(wèn)題，比如如何實(shí)現(xiàn)與數(shù)字視頻技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)、等現(xiàn)有技術(shù)及現(xiàn)有公安業(yè)務(wù)信息的有效結(jié)合，來(lái)進(jìn)一步豐富警務(wù)三維應(yīng)用系統(tǒng)的功能，使其更貼近實(shí)戰(zhàn)的需要。

隨著公安改革的不斷深化，各種高新技術(shù)會(huì)越來(lái)越多的應(yīng)用于基層公安工作中。目前，基于光編碼技術(shù)的三維重建在犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建中的應(yīng)用正處于起步階段，在公安實(shí)戰(zhàn)的應(yīng)用上還要繼續(xù)試驗(yàn)和完善。但作為一項(xiàng)能應(yīng)用于犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建等多個(gè)方面的新技術(shù)，有很大的應(yīng)用潛力，并且隨著公安智能信息化的不斷發(fā)展，一定會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

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