基于圖形渲染的犯罪現(xiàn)場(chǎng)虛擬重建研究

廖廣軍， 付慧基

(1.廣東警官學(xué)院刑事技術(shù)系，廣東廣州 510320;2.廣東佛山市公安局高明公安分局，廣東佛山 510000)

0 引言

犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建是法庭科學(xué)的重要研究領(lǐng)域。它旨在通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查和分析，把諸多抽象、孤立、無(wú)序的犯罪信息進(jìn)行歸納、整理，盡可能再現(xiàn)構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)的基本實(shí)體要素，理順結(jié)構(gòu)關(guān)系，確定犯罪實(shí)施過(guò)程中的行為和事件，是分析復(fù)雜疑難案件的重要方法［1］。該理論引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。W.Jerry Chisum，Brent E.Turvey在《Crime Reconstruction》中闡述了現(xiàn)場(chǎng)重建的歷史、實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)、證據(jù)動(dòng)態(tài)變化等［2］。知名鑒識(shí)專(zhuān)家李昌鈺博士在文獻(xiàn)［3］中提到現(xiàn)場(chǎng)重建的流程、方法以及注意事項(xiàng)。以前在該領(lǐng)域的研究大多集中在理論闡述、流程、分類(lèi)、司法應(yīng)用等方面，對(duì)于科學(xué)、客觀(guān)、量化的展示手段和方法缺乏研究。

近年來(lái)，隨著三維采集技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)引入到犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建逐漸成為研究熱點(diǎn)。國(guó)外在該領(lǐng)域大致分為:基于虛擬技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)，結(jié)合犯罪現(xiàn)場(chǎng)模擬仿真，分析不同人在該場(chǎng)景下的表現(xiàn)情況，主要應(yīng)用于教育培訓(xùn)、預(yù)案研究等領(lǐng)域，相關(guān)文獻(xiàn)如［4－6］等。將三維掃描技術(shù)直接引入到犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建中，這種方案對(duì)真實(shí)、準(zhǔn)確記錄犯罪現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景有天然優(yōu)勢(shì)，但是存在技術(shù)門(mén)檻較高、設(shè)備價(jià)格昂貴等情況［7］。以及利用現(xiàn)場(chǎng)圖片結(jié)合虛擬漫游實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的展示［8］?？偟恼f(shuō)來(lái)，國(guó)外在該領(lǐng)域的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)的研究者關(guān)注該領(lǐng)域研究。結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，開(kāi)展該領(lǐng)域的研究是有必要的。

1 研究目標(biāo)

如前所述，將虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)技術(shù)與犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建結(jié)合起來(lái)，已經(jīng)有了分類(lèi)研究，本文的研究目標(biāo)是利用虛擬仿真手段實(shí)現(xiàn)犯罪現(xiàn)場(chǎng)的再現(xiàn)，進(jìn)而為現(xiàn)場(chǎng)重建和案件分析研判提供科學(xué)、客觀(guān)的技術(shù)手段。其突出意義表現(xiàn)在:案件分析人員可以在不直接接觸現(xiàn)場(chǎng)的情況下，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直觀(guān)的研判;可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)條件的模擬分析，如光線(xiàn)變化等;可以進(jìn)一步判斷證言的真實(shí)性，虛擬場(chǎng)景可以得到永久性保留，可以隨時(shí)驗(yàn)證核實(shí)有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生情況證言的真實(shí)性和可靠程度。

在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，具體目標(biāo)包括:基于圖形渲染技術(shù)實(shí)現(xiàn)犯罪現(xiàn)場(chǎng)的虛擬重建;利用虛擬漫游技術(shù)實(shí)現(xiàn)犯罪現(xiàn)場(chǎng)的虛擬展示;結(jié)合虛擬物證管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)場(chǎng)的物證展示和管理;通過(guò)虛擬條件模擬，為現(xiàn)場(chǎng)模擬分析提供思路。

2 基于圖形渲染的犯罪現(xiàn)場(chǎng)虛擬重建

案件現(xiàn)場(chǎng)的虛擬重建包括利用三維掃描設(shè)備完整記錄現(xiàn)場(chǎng)的三維數(shù)據(jù)信息或基于圖像信息的重建。利用三維掃描設(shè)備記錄三維信息存在設(shè)備價(jià)格高，需要專(zhuān)業(yè)人員處理后期數(shù)據(jù)等問(wèn)題?；趫D像信息的虛擬重建可分為基于圖像渲染技術(shù)的虛擬重建和基于圖形渲染技術(shù)的虛擬重建。

基于圖像渲染的虛擬重建(簡(jiǎn)稱(chēng)圖像法)，是以照相機(jī)采集的離散圖像或攝像機(jī)采集的連續(xù)視頻為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過(guò)圖像處理生成真實(shí)的全景圖像，然后選擇合適的空間模型組織為虛擬空間，用戶(hù)通過(guò)前進(jìn)、后退、環(huán)視、俯視、近看、遠(yuǎn)看等操作，實(shí)現(xiàn)全方位三維場(chǎng)景瀏覽。

基于圖形渲染技術(shù)的虛擬瀏覽技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)建模法)，是以計(jì)算圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的抽象及瀏覽。首先在三維建模軟件中，用多邊形構(gòu)造虛擬景觀(guān)(如地形、建筑、實(shí)體、樹(shù)木等)的三維幾何模型，建立虛擬環(huán)境中的光線(xiàn)和材質(zhì)模型，并進(jìn)行紋理映射及參數(shù)設(shè)定，根據(jù)觀(guān)察者的位置、光照、消隱信息，實(shí)時(shí)渲染繪制畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景的抽象，然后利用虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形化場(chǎng)景的交互瀏覽。建模法的瀏覽系統(tǒng)中的景觀(guān)大多具有精確對(duì)應(yīng)的幾何模型，便于用戶(hù)與虛擬場(chǎng)景中對(duì)象的交互，以及對(duì)虛擬對(duì)象的深度信息獲取。僅從構(gòu)建犯罪現(xiàn)場(chǎng)效果的角度來(lái)看，基于圖像渲染技術(shù)要優(yōu)于基于圖形渲染技術(shù)。但是，圖形渲染技術(shù)靈活性更大，有場(chǎng)景的模型信息，更能有效表達(dá)現(xiàn)場(chǎng)情況?？紤]到犯罪現(xiàn)場(chǎng)條件模擬仿真等后續(xù)任務(wù)，本文選取基于圖形渲染技術(shù)實(shí)現(xiàn)犯罪現(xiàn)場(chǎng)的虛擬重建。

為了提供有效的研判平臺(tái)，僅僅利用基于圖形渲染實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)建模、渲染等還不足以全面展示現(xiàn)場(chǎng)情況，需結(jié)合虛擬空間漫游(Virtual space Navigation)技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)全面展示。該技術(shù)是指用戶(hù)可以通過(guò)輸入相關(guān)操作指令實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景中的視覺(jué)變化，是基于全景圖的視景繪制過(guò)程。所說(shuō)的全景圖是采集場(chǎng)景視覺(jué)信息的集合，是場(chǎng)景的一種表示模式。視景繪制是根據(jù)視點(diǎn)和視角方向?qū)θ皥D進(jìn)行重采樣，通過(guò)實(shí)時(shí)運(yùn)算將全景圖的可見(jiàn)部分重投影到視平面上的過(guò)程。

如前所述，基于圖形渲染的現(xiàn)場(chǎng)虛擬重建在現(xiàn)場(chǎng)條件模擬仿真分析方面有一定優(yōu)勢(shì)，能進(jìn)一步驗(yàn)證證言真實(shí)性問(wèn)題?？梢栽谔摂M場(chǎng)景中，通過(guò)燈光參數(shù)等情況設(shè)置，簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)情況分析，當(dāng)然還可以進(jìn)行延展應(yīng)用。此外，在虛擬空間的物證管理可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)直接拍攝物證，然后利用虛擬空間的熱點(diǎn)交互方式實(shí)現(xiàn)物證和場(chǎng)景的融合。

3 虛擬重建的技術(shù)方法

3.1 基于圖形渲染的虛擬場(chǎng)景制作

不同與基于圖像渲染的場(chǎng)景獲取方法，基于圖形渲染的場(chǎng)景制作需要利用如3Dmax等建模軟件實(shí)現(xiàn)全景圖的制作，具體實(shí)現(xiàn)上包括數(shù)據(jù)采集、虛擬建模、貼圖、燈光設(shè)置、渲染等多個(gè)步驟，流程圖如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集是虛擬重建的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，必須保證數(shù)據(jù)采集的客觀(guān)性和全面性，需要將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)(現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)的照片、建筑物平面圖、重要物證規(guī)格參數(shù)等)全面記錄下來(lái)。

虛擬建模是指完成數(shù)據(jù)采集后，使用3Dmax創(chuàng)建室內(nèi)、外現(xiàn)場(chǎng)的墻體骨架，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)照片，創(chuàng)建出室內(nèi)家具和受害人模型，值得一提的是，建立虛擬模型時(shí)盡量按照1∶1進(jìn)行建模，以方便虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。

紋理貼圖是指在建模完成后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體的情況和所記錄的照片對(duì)虛擬物體賦予表面材質(zhì)或添加與案件有關(guān)的痕跡物證。

燈光是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)虛擬再現(xiàn)的重要條件，燈光設(shè)置包括燈光類(lèi)型，燈光位置分布等。在案件研判時(shí)，可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置模擬現(xiàn)場(chǎng)在不同光線(xiàn)條件下的視線(xiàn)情況。

渲染輸出，使用3DS MAX中的Panorama全景圖插件，可根據(jù)特定的視覺(jué)中心渲染輸出球形、矩形、柱形等全景展開(kāi)圖，該圖并不具備現(xiàn)場(chǎng)展示的效果，還需結(jié)合虛擬漫游技術(shù)，才能完整展示整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)。

3.2 利用Pano2vr實(shí)現(xiàn)虛擬空間漫游

Pano2vr是一個(gè)全景圖像轉(zhuǎn)換應(yīng)用軟件，它以flash、網(wǎng)頁(yè)等方式展示全景圖，通過(guò)平面圖管理，將整個(gè)虛擬現(xiàn)場(chǎng)直觀(guān)的呈現(xiàn)在用戶(hù)眼前，通過(guò)熱點(diǎn)區(qū)域設(shè)置等實(shí)現(xiàn)物證管理。利用Pano2vr對(duì)3DSMAX輸出得到的全景圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，得到一個(gè)具備空間漫游功能的虛擬現(xiàn)場(chǎng)，用戶(hù)只需使用普通網(wǎng)頁(yè)瀏覽器即可查看該虛擬現(xiàn)場(chǎng)空間并實(shí)現(xiàn)相關(guān)漫游操作。

3.3 模擬案例展示

以下圖2～圖7展示基于圖像渲染的模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，其中圖2、圖3分別表示在不同光線(xiàn)條件下房間的情況。圖4、圖5顯示了室外和室內(nèi)的虛擬仿真情況。圖6、圖7顯示了在虛擬場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)物證管理和展示。

圖2 黃昏時(shí)場(chǎng)景

4 結(jié)論

本文圍繞犯罪現(xiàn)場(chǎng)虛擬重建的問(wèn)題展開(kāi)論述，詳細(xì)闡述了基于圖形渲染技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)虛擬重建的方法，研究中有如下啟示，并確定了今后的研究方向。

圖3 夜晚燈光場(chǎng)景

圖4 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境展示

圖5 現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部展示

圖6 物證管理示意

(1)基于圖形渲染技術(shù)的虛擬重建方法在現(xiàn)場(chǎng)條件仿真方面比基于圖像渲染技術(shù)更為方便和直接，但是存在建模難度，渲染圖像的逼真程度與渲染者水平的高低直接相關(guān)等客觀(guān)因素，將基于圖像渲染技術(shù)用于虛擬漫游，將基于圖形渲染用于現(xiàn)場(chǎng)條件仿真，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，將更有助于公安機(jī)關(guān)的應(yīng)用。

圖7 物證展示示意

(2)利用三維掃描設(shè)備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)三維數(shù)據(jù)的采集，在數(shù)據(jù)獲取方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，隨著設(shè)備成本的降低，將會(huì)逐步引入到公安工作中，如何將其獲取現(xiàn)場(chǎng)物證的三維信息與現(xiàn)場(chǎng)虛擬場(chǎng)景結(jié)合起來(lái)將是有趣的課題。

(3)國(guó)外在案件的動(dòng)態(tài)仿真、動(dòng)態(tài)演示方面已經(jīng)取得了一些研究成果，如何破解偵查實(shí)驗(yàn)的難題，結(jié)合動(dòng)力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)部分案情的動(dòng)態(tài)仿真。

(4)現(xiàn)場(chǎng)海量場(chǎng)景和物證的數(shù)字化存儲(chǔ)、管理。

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