基于Virtools技術(shù)的犯罪現(xiàn)場三維重建

朱福全，楊麗平，許 波

（1.四川警察學(xué)院 四川瀘州 646000；2.瀘縣公安局 四川瀘州 646000）

一、引言

傳統(tǒng)的犯罪現(xiàn)場重建主要通過現(xiàn)場筆錄、現(xiàn)場圖和現(xiàn)場照片等方式來保存和描述現(xiàn)場信息，缺少三維空間信息，使偵查人員缺乏對犯罪現(xiàn)場的直觀認(rèn)識，容易受主觀因素的影響，給案情分析和案件偵破帶來困難。因此，如何有效地對犯罪現(xiàn)場進(jìn)行全面客觀、形象直觀地重建已成為刑事科學(xué)技術(shù)的一個重要研究課題。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)對犯罪現(xiàn)場進(jìn)行三維重建成為現(xiàn)場重建的一條有效途徑，并逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。 2009年美國國家科學(xué)基金會（NSF）花140萬美元資助北卡州立大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)IC-CRIME平臺[1]，該平臺使用3D激光掃描技術(shù)記錄空間和物體的維度，以及犯罪現(xiàn)場每項(xiàng)證據(jù)的位置，依靠Unity游戲引擎技術(shù)運(yùn)行，允許用戶為犯罪假設(shè)創(chuàng)建腳本及真實(shí)場景，使刑偵人員及陪審團(tuán)可以在虛擬世界中分享各自的犯罪假設(shè)。在國內(nèi)，重慶市公安局研發(fā)了案發(fā)現(xiàn)場三維圖像重建系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)采用無縫拼接技術(shù)，將現(xiàn)場照片進(jìn)行智能拼接，生成360度全景圖，能實(shí)現(xiàn)多角度的觀察，但該系統(tǒng)屬于“假三維”，交互性不強(qiáng)，應(yīng)用受到限制。文獻(xiàn)[3]-[5]基于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)了對犯罪現(xiàn)場的三維重建，但由于技術(shù)性太強(qiáng)，開發(fā)難度較大，實(shí)用性不高。另外，上述方法未就犯罪過程重建展開討論，這在很大程度上影響了現(xiàn)場重建在案情分析和案件偵破中的作用和意義。

針對上述方法存在的不足，本文提出了一種基于Virtools技術(shù)的犯罪現(xiàn)場重建方法。其采用3D+Virtools的開發(fā)思路，利用3D建模軟件進(jìn)行模型構(gòu)建，利用Virtools平臺對模型進(jìn)行整合，并通過創(chuàng)建行為腳本重構(gòu)出虛擬犯罪現(xiàn)場和犯罪行為過程。方法顯著的特點(diǎn)是不需要開發(fā)人員掌握相關(guān)程序語言和編程知識，開發(fā)難度小，實(shí)用性較高；同時，方法實(shí)現(xiàn)了犯罪過程的重建，增強(qiáng)了現(xiàn)場重建的效果。

二、Virtools技術(shù)及其特點(diǎn)

Virtools是由法國全球交互三維開發(fā)解決方案公司達(dá)索開發(fā)的游戲和虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺，其最大特點(diǎn)是采用直覺式圖形開發(fā)界面和直觀的圖形化程序接口，內(nèi)建700多個的行為模塊（Building Blocks簡稱BB），除自身的3D/VR開發(fā)平臺Virtools Dev以外，還有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器Virtools Server、物理屬性模塊Physics Pack、人工智能模塊AI Pack、Xbox開發(fā)模塊和沉浸式平臺VR Pack等5個模塊。圖形化程序接口使開發(fā)人員只需拖曳行為模塊（BB）就可以輕松建構(gòu)出復(fù)雜的三維互動應(yīng)用程序，可同時滿足無程序背景的設(shè)計(jì)人員和高階程序設(shè)計(jì)師的需要，有效降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期，已成為虛擬實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品展示和三維漫游等虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)開發(fā)的主要方法。

三、基于Virtools的犯罪現(xiàn)場重建

（一）重建模型。

根據(jù)犯罪現(xiàn)場重建的功能需求，其基本模型，如圖1所示.

圖1 犯罪現(xiàn)場重建模型

運(yùn)行模塊是整個系統(tǒng)的核心，通過接口載入模型資源庫和音效資源庫中的模型文件和音效文件生成虛擬的犯罪現(xiàn)場；用戶通過漫游控制模塊控制虛擬攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)對虛擬現(xiàn)場的漫游和觀察；通過行為控制模塊實(shí)現(xiàn)對犯罪行為過程的重現(xiàn)；重建犯罪現(xiàn)場需要提供多種漫游控制功能以方便偵查人員與虛擬場景進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)從不同的角度觀察和分析現(xiàn)場情況.現(xiàn)場物證是犯罪嫌疑人行為的作用結(jié)果，研究現(xiàn)場物證及其形成的過程有助于技術(shù)人員對物證的檢驗(yàn)鑒定?，F(xiàn)場勘查人員在現(xiàn)場勘查中對現(xiàn)場物證的初步分析往往基于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，這些分析需要經(jīng)過數(shù)據(jù)的測量運(yùn)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證，現(xiàn)實(shí)中由于受實(shí)驗(yàn)環(huán)境、材料、觀察的角度等條件的制約，一些現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)無法多次重復(fù)進(jìn)行或進(jìn)行多角度觀察。但借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，技術(shù)人員可以通過虛擬的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)環(huán)境，設(shè)置多種可能的參數(shù)，反復(fù)地進(jìn)行試驗(yàn)，多角度觀察整個物證形成的全過程，來驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，這樣不僅使一些現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)變成了可能，而且大大降低了實(shí)驗(yàn)的成本和風(fēng)險，提高了實(shí)驗(yàn)的可靠性和效率。痕跡物證往往隱含著許多豐富的信息，而這些信息往往又無法在三維模型中進(jìn)行表現(xiàn)。物證管理的目的就是要實(shí)現(xiàn)對痕跡物證隱含的信息進(jìn)行動態(tài)的顯示。

（二）犯罪過程重建。

重建犯罪現(xiàn)場，再現(xiàn)犯罪嫌疑人在現(xiàn)場的活動過程，不僅是現(xiàn)場勘查的目的之一，而且也是分析犯罪嫌疑人犯罪心理的重要依據(jù)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來進(jìn)行現(xiàn)場重建，不僅一改傳統(tǒng)的以文字或圖片描述犯罪過程的形式，而且為用戶提供了全方位、多角度研究現(xiàn)場，審視現(xiàn)場勘查全過程的平臺。在重建過程中，將犯罪嫌疑人的行為按照現(xiàn)場分析的結(jié)果預(yù)先設(shè)定在現(xiàn)場中，研究者以第三者的角度從各角度旁觀案犯的作案過程，以驗(yàn)證當(dāng)初的分析結(jié)果.或預(yù)先設(shè)置好各個物證的空間位置，以研究者的主觀角度，去嘗試完成作案過程，這樣，研究者就更容易分析體會案犯的犯罪心理.犯罪過程的重建主要指根據(jù)案件的分析，對犯罪行為實(shí)施過程進(jìn)行三維再現(xiàn).犯罪行為的實(shí)施過程主要包括犯罪嫌疑人的犯罪行為過程，受害人在犯罪行為下的行為過程以及現(xiàn)場相關(guān)物證的運(yùn)動過程，因此在犯罪過程的重建中，虛擬人的行為重建是關(guān)鍵。目前虛擬人的行為重建方法主要有關(guān)鍵幀法，基于運(yùn)動學(xué)和逆向運(yùn)動學(xué)的方法以及運(yùn)動捕捉法等。但這些方法由于涉及復(fù)雜的計(jì)算，運(yùn)算量較大，難以滿足實(shí)時性要求。考慮到犯罪過程重建是一個不斷修正的過程，為提高重建效率，本文基于重用性原則，采用了分層構(gòu)建的思想進(jìn)行重建。

（三）重建流程。

利用Virtools技術(shù)對犯罪現(xiàn)場進(jìn)行三維重建主要包括數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建、場景組織和系統(tǒng)發(fā)布四個步驟，具體流程如圖2所示：

圖2 犯罪現(xiàn)場重建流程圖

1.數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集的目的是收集案發(fā)現(xiàn)場客觀環(huán)境和痕跡物證的信息，為模型的構(gòu)建和場景的組織提供事實(shí)依據(jù)。與普通虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)不同，犯罪現(xiàn)場重建要求重構(gòu)出的虛擬犯罪現(xiàn)場能客觀、真實(shí)地反映原始犯罪現(xiàn)場，重建過程不能脫離實(shí)際現(xiàn)場，必須依賴于對原始現(xiàn)場的勘測、痕跡物證的檢驗(yàn)與鑒定以及偵查活動等相關(guān)信息的記錄。數(shù)據(jù)采集對象主要包括現(xiàn)場環(huán)境、痕跡物證、犯罪主客體以及作案工具等客觀事物；采集內(nèi)容包括采集對象的性質(zhì)狀態(tài)、空間位置、尺寸大小、方位朝向等信息；采集方式可采用現(xiàn)場照相、現(xiàn)場繪圖、現(xiàn)場錄像以及文字記錄等形式。

2.模型構(gòu)建。模型構(gòu)建主要指根據(jù)數(shù)據(jù)采集階段采集的數(shù)據(jù)信息對現(xiàn)場環(huán)境中的客觀事物進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，如房屋結(jié)構(gòu)、家具、家電、生活用品、受害人、嫌疑人以及在作案過程中留下的作案工具、足印、指紋、血跡等痕跡物證。（1）實(shí)體模型的構(gòu)建。（2）犯罪痕跡的重建。主要指指紋、足印、血跡等痕跡.與常見的幾何物體相比，這一類犯罪痕跡具有兩個顯著的特點(diǎn)：一是幾何表現(xiàn)極不規(guī)則且表面細(xì)節(jié)豐富；二是不能獨(dú)立存在，而必須依附于其它物體表面，如地面、墻面、桌面等，因此用傳統(tǒng)的幾何建模方法很難對其進(jìn)行重建。為最大程度地還原犯罪痕跡的真實(shí)情況，本文主要采用了透明貼圖技術(shù).即利用數(shù)碼相機(jī)獲取犯罪痕跡的原始圖片，然后利用圖像編輯軟件Photoshop從原始圖片中提取犯罪痕跡制作成透明紋理；最后為每個犯罪痕跡建立一個虛擬表面，并將制作好的透明紋理通過透明貼圖方式賦予虛擬表面之上。但需要注意的是：為減小視角差異，原始圖片的獲取應(yīng)盡量沿垂直于犯罪痕跡所在平面的方向進(jìn)行。

3.場景構(gòu)建。場景組織是重建的關(guān)鍵。主要包括兩個方面：一是按照現(xiàn)場數(shù)據(jù)，利用Virtools提供的直覺式圖形開發(fā)界面通過鼠標(biāo)執(zhí)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等基本操作對虛擬場景進(jìn)行布置；二是根據(jù)用戶需要利用行為交互模塊（Building Blocks，BB）對場景進(jìn)行交互功能設(shè)計(jì)，其中包括犯罪過程重建。（1）漫游設(shè)計(jì)。自動漫游是指用戶根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的軌跡和視角進(jìn)行漫游的一種方式，主要用于展示犯罪現(xiàn)場情況.在自動漫游方式下，用戶不能自由控制攝像機(jī)的運(yùn)動軌跡和觀察視角，因此設(shè)置自動漫游攝像機(jī)時需要注意以下四個問題：（1）要能展現(xiàn)犯罪現(xiàn)場的整體狀況；（2）要能全面展示現(xiàn)場所有痕跡和物證；（3）設(shè)置觀察角度要合適，并對重要物證要設(shè)置多個觀察角度；（4）設(shè)置攝像機(jī)的運(yùn)動軌跡要合理，一般可按位置關(guān)系、時間順序或邏輯順序設(shè)置攝像機(jī)的運(yùn)動軌跡。自主漫游是指通過用戶的輸入來控制攝像機(jī)的軌跡和視角以實(shí)現(xiàn)不同角度和方位的觀察虛擬環(huán)境。自主漫游的實(shí)現(xiàn)原理是：在虛擬環(huán)境中建立世界坐標(biāo)系S，并為自主漫游攝像機(jī)建立局部坐標(biāo)系s，則s的原點(diǎn)o在S下的坐標(biāo)即為攝像機(jī)在虛擬犯罪現(xiàn)場中的空間位置，同時定義攝像機(jī)視角方向?yàn)閦軸正方向，如圖3所示.理論上，攝像機(jī)可沿坐標(biāo)系S的X、Y和Z三個坐標(biāo)軸方向移動，同時也可圍繞局部坐標(biāo)系s的x軸和y軸旋轉(zhuǎn)，因此攝像機(jī)具有五個自由度.但如果考慮攝像機(jī)只能在視角方向上移動，則可將自由度降低為三個，即圍繞x軸、y軸的旋轉(zhuǎn)和z軸方向的移動.本文采用了用W鍵和S鍵控制攝像機(jī)在視角方向（即z軸）上的移動，用鼠標(biāo)控制攝像機(jī)視角方向的變化，即圍繞x軸和y軸的旋轉(zhuǎn)的聯(lián)合控制方式。當(dāng)攝像機(jī)需要移動到指定位置時，首先通過鼠標(biāo)將視角方向指向指定位置，然后通過鍵盤將攝像機(jī)移動到指定位置；當(dāng)攝像機(jī)到達(dá)指定位置時，則只需移動鼠標(biāo)即可將視點(diǎn)方向改變到指定方向。

4.系統(tǒng)發(fā)布。虛擬犯罪現(xiàn)場的發(fā)布有兩種方式：一是將場景文件以VMO格式進(jìn)行保存，同時自動生成一份對應(yīng)HTML文件；二是將場景文件打包生成獨(dú)立的可執(zhí)行文件.前者在播放時需要安裝virtools專用播放插件Virtools Web Player，同時適合進(jìn)行單機(jī)操作和網(wǎng)絡(luò)操作；后者在發(fā)布時需要將Virtools中相應(yīng)。dll文件與licence文件一起發(fā)布，主要適用于單機(jī)操作。

四、應(yīng)用實(shí)例

本文以某入室殺人案為例進(jìn)行犯罪現(xiàn)場和犯罪過程的重建，其中關(guān)于模型構(gòu)建和場景布置的實(shí)現(xiàn)過程在此不再贅述，下面主要描述行為重建、漫游設(shè)計(jì)和物證管理的主要實(shí)現(xiàn)過程。

（一）行為重建的實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)對案發(fā)現(xiàn)場的分析，犯罪過程如下：

圖3 虛擬犯罪嫌疑人行為控制腳本

圖4 虛擬受害人行為控制腳本

（二）漫游設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。

利用 Switch On Key模塊響應(yīng)W鍵和S鍵的消息，通過Get Dir獲取攝像機(jī)視角方向，并利用Normalize等運(yùn)算器將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳到Translate模塊實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的移動；利用Mouse Waiter模塊響應(yīng)按下左鍵并移動鼠標(biāo)的消息，然后通過Get Mouse Displacement獲取鼠標(biāo)在屏幕上的移動距離，同時利用Multiplicatio等運(yùn)算器將鼠標(biāo)移動的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后傳到Rotate模塊實(shí)現(xiàn)視角方向的變化.實(shí)現(xiàn)腳本如圖4所示。

圖5 自主漫游攝像機(jī)腳本

（三）物證管理的實(shí)現(xiàn)。

1.建立物證管理陣列（Evidence Array）.Evidence Array包含物證索引、物證圖片地址和物證說明。物證索引為數(shù)值型，用于檢索虛擬現(xiàn)場中物證模型；物證圖片地址為字符型，用于存儲現(xiàn)場照片地址；物證描述為字符型，用于存儲物證的相關(guān)描述和說明。（2）創(chuàng)建兩個二維幀Evidence Shows Frame和Evidence Description Frame，分別用于顯示物證照片和物證描述。（3）利用BBs建立物證模型、物證管理陣列和二維幀之間的關(guān)聯(lián)。即首先為每個物證模型創(chuàng)建唯一的索引號，并添加Switch On Message模塊響應(yīng)左鍵雙擊消息，同時添加Send Message模塊將索引號發(fā)送到二維幀；然后為Evidence Shows Frame和Evidence Description Frame二維幀分別添加Switch On Message模塊接收信息，并根據(jù)索引號讀取陣列Evidence Array中的物證圖片地址和物證說明進(jìn)行顯示。圖6為二維幀Evidence Shows Frame的腳本內(nèi)容。

圖6 二維幀Evidence Shows Frame腳本

（四）重建效果。

圖7 現(xiàn)場重建效果圖

圖8 犯罪過程重建效果圖

圖6展示了從不同位置和角度觀察虛擬犯罪現(xiàn)場的靜態(tài)效果圖，其中左圖展示了虛擬犯罪現(xiàn)場的整體情況；右圖展示了近距離觀察受害人的情況。圖7是犯罪過程重建的效果截圖，其中左圖展示的是虛擬嫌疑人敲門和虛擬受害人開門的過程，右圖為嫌疑人殺害受害人的過程。

五、結(jié)語

利用計(jì)算機(jī)對犯罪現(xiàn)場進(jìn)行三維重建不僅能夠提供對犯罪現(xiàn)場直觀、形象的描述，而且能夠再現(xiàn)犯罪嫌疑人的犯罪過程，為分析犯罪心理提供重要依據(jù)，有助于偵查人員認(rèn)識和分析案件。此外，犯罪現(xiàn)場的三維重建還可以實(shí)現(xiàn)對犯罪現(xiàn)場的永久性保存，為案件的再研究提供方便。本文提出的基于Virtools技術(shù)的犯罪現(xiàn)場三維重建方法不僅能夠重建出逼真的犯罪現(xiàn)場環(huán)境，而且實(shí)現(xiàn)了對犯罪過程的重建。與現(xiàn)有方法相比，該方法不僅具有場景逼真、交互性強(qiáng)等特點(diǎn)，而且由于采用了圖形化程序接口技術(shù)，有效地降低了犯罪現(xiàn)場的重建難度，提高了重建效率，具有一定的實(shí)用性。

[1]http://www.smartertechnology.com/c/a/Technology -For-Change/ICCRIME -Brings-CrimeScene -Investigations-into-21st-Century．

[2]http://lnb.gansudaily.com.cn/system/2009/06/15/011134531.shtml．

[3]孫樹峰，顧君忠，鄭偉進(jìn).基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)重構(gòu)犯罪現(xiàn)場[J].上海公安高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2003，（4）：41-43.

[4]劉 晶，查亞兵．基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的犯罪現(xiàn)場重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2009，（7-3）：166-167．

[5]趙 雷，王靖亞，王斌君．TrueVision 3D技術(shù)在犯罪現(xiàn)場還原中的應(yīng)用[J]．中國人民公安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2008，（2）：85-88．

[6]盧曉軍，李 眾，賀漢根．維修仿真中虛擬人動作數(shù)據(jù)庫的研究與實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)仿真，2006，（1）：187-190．