3D打印技術(shù)在立體足跡提取中的應(yīng)用

歐陽常青 蔣 龍

（湖南警察學(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)系，湖南 長沙410138）

現(xiàn)場足跡作為刑事案件物證之一，在打擊刑事犯罪中起著極為重要的作用，但立體足跡提取和檢驗(yàn)的技術(shù)難度較大，其證據(jù)作用的發(fā)揮收到限制。立體足跡提取是立體足跡檢驗(yàn)的基礎(chǔ)，制模法是提取立體足跡的一種重要方法。傳統(tǒng)的石膏制模法和硅橡膠制模法存在一些不可避免的弊端，如制模材料的不穩(wěn)定性、操作的繁瑣性、提取失敗率高等，已無法滿足現(xiàn)代法制社會(huì)對證據(jù)條件日趨嚴(yán)格的要求。將先進(jìn)的現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用于現(xiàn)場立體足跡的提取，為立體足跡的提取提供高效、便捷、準(zhǔn)確的技術(shù)方法，是公安機(jī)關(guān)刑事技術(shù)部門提高工作效率的重要發(fā)展方向。3D打印技術(shù)作為當(dāng)前新型數(shù)字化技術(shù)的代表，可以克服傳統(tǒng)足跡制模法的弊端，為科技強(qiáng)警注入了新鮮血液。

1 3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)工程設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層、離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積、黏結(jié)，最終疊加成型，制造實(shí)體產(chǎn)品。這與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機(jī)械加工方式對原材料進(jìn)行定型、切削的最終生產(chǎn)成品不同。3D打印將三維實(shí)體分為若干個(gè)二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進(jìn)行生產(chǎn)，大大降低了制造的復(fù)雜度。這種數(shù)字化制造模式不需要繁雜的工藝，不需要龐大的機(jī)床，不需要眾多的人力，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中便可生成任何形狀的產(chǎn)品，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)范圍延伸。

3D打印的原理是通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）或計(jì)算機(jī)動(dòng)畫建模軟件建模，將建成的三維模型“切片”，組成逐層的截面數(shù)據(jù)，并把這些信息傳輸?shù)?D打印機(jī)上，3D打印機(jī)將這些“切片”堆積起來，生成一個(gè)固態(tài)的固體模型。常見3D打印機(jī)類型有Inspire D290和Projet 660 Pro等。

3D打印耗材是3D打印技術(shù)的核心，直接決定了制造技術(shù)成型工藝、設(shè)備結(jié)構(gòu)、成型品性能等。由于材料在物理形態(tài)，化學(xué)性能等方面的差別，形成了3D打印材料的多樣品種和3D打印不同成型方法。目前在國內(nèi)被廣泛使用的3D打印耗材包括液態(tài)光敏樹脂、薄片材料、可燒結(jié)粉末材料、熱熔絲線、PC塑料、橡膠類材料、ABS樹脂等。

2 三維掃描系統(tǒng)

三維掃描是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)及色彩進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號，為實(shí)物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段。三維掃描技術(shù)能實(shí)現(xiàn)非接觸測量，且具有速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)。而且其測量結(jié)果能直接與多種軟件接口，這使它在CAD、CAM、CIMS等技術(shù)應(yīng)用日益普及的今天很受歡迎。在發(fā)達(dá)國家的制造業(yè)中，三維掃描儀作為一種快速的立體測量設(shè)備，因其測量速度快、精度高，非接觸，使用方便等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越多的應(yīng)用。用三維掃描儀對手板、樣品、模型進(jìn)行掃描，可以得到其立體尺寸數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能直接與CAD/CAM軟件接口，在CAD系統(tǒng)中可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整、修補(bǔ)、再送到加工中心或快速成型設(shè)備上制造，可以極大的縮短產(chǎn)品制造周期。

2.1 Artec 3D三維掃描儀

Artec 3D三維掃描儀系統(tǒng)的技術(shù)是將特殊的光帶，以成一個(gè)視角的方式投射在物體表面，利用物體表面對光源造成扭曲的原理精準(zhǔn)計(jì)算每個(gè)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)。這些點(diǎn)可形成基本的小三角面然后可轉(zhuǎn)換成其它的格式。Artec 3D掃描儀附帶的處理軟件，將協(xié)助用戶輕松完成掃描工作及最終模型的生成，利用設(shè)備自帶的軟件能將三維模型導(dǎo)出各種主流文件格式：STL、OBJ、PLY、ORWRL，能輕松導(dǎo)入Z-Brush、Maya、Rapidform等操作軟件。

2.2 Artec studio 9掃描軟件

Artec studio 9掃描軟件是Artec 3D掃描儀自帶的軟件，可通過軟件的掃描視窗口實(shí)時(shí)查看到掃描儀的掃描狀態(tài)，及時(shí)對遺漏部位進(jìn)行補(bǔ)充掃描，也可對掃描成型的物象進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)查看，達(dá)到實(shí)際掃描效果后，可關(guān)閉Artec 3D掃描儀，對物象進(jìn)行單獨(dú)加工，數(shù)據(jù)整合，具體操作包括“編輯”“擬合”“修理”“邊緣”“測量”“工具”等。

2.3 “STL”文件格式

STL(Stereo Lithography Interface Specification)格式是目前3D打印/增材制造設(shè)備使用的通用接口格式，是由美國3Dsystems公司于1988年制定的一個(gè)接口協(xié)議，是一種為3D打印/增材制造技術(shù)服務(wù)的三維圖形文件格式，目前已成為3D打印/增材制造的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)格式。

STL格式是存儲(chǔ)三維模型信息的一種簡單方法，它將復(fù)雜的數(shù)字模型以一系列的三維三角形面片來近似表達(dá)。STL模型是一種空間封閉的、有界的、正則的唯一表達(dá)物體的模型，具有點(diǎn)、線、面的幾何信息，能夠輸入給增材制造設(shè)備，用于快速制作實(shí)物樣品。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，STL文件格式也得到了各CAD/CAM軟件公司的廣泛支持。在醫(yī)學(xué)、自然科學(xué)和工程領(lǐng)域里，STL技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。

利用三維掃描儀等三維數(shù)字化工具對物理原型進(jìn)行多方位三維掃描，經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理與優(yōu)化，得到物體完整的三維數(shù)據(jù)模型，對該數(shù)據(jù)模型進(jìn)行表面三角形小平面化處理，類似于有限元的網(wǎng)格劃分，即用許多空間三角形面片來逼近CAD模型，當(dāng)三角形面片小到一定程度，其近似性可達(dá)到工程允許的精度范圍內(nèi)，其數(shù)據(jù)文件稱為STL文件，可以直接輸入3D打印/增材制造設(shè)備，用于3D打印/增材制造。

3 利用3D打印技術(shù)提取立體足跡的方法

3.1 器材的準(zhǔn)備

電腦與三維掃描儀必須配套使用，兩者通過數(shù)據(jù)線相連，因Artec 3D掃描儀無自配電源，需在220v供電環(huán)境下使用，使用時(shí)必須保證電源連接無誤，否則會(huì)有損掃描儀正常使用及使用壽命。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選擇ABS樹脂和液態(tài)光敏樹脂作為打印耗材來制作立體足跡模型，獲得較好的打印效果，其中INSPIRE D290打印機(jī)配用ABS耗材，ProJet 660pro打印機(jī)配用光敏樹脂耗材。

3.2 利用Artec 3D掃描儀掃描現(xiàn)場足跡影像

連接3D掃描儀電源，打開Artec studio 9掃描軟件界面，點(diǎn)擊界面“掃描”工具欄后，按下開關(guān)按鈕，這時(shí)掃描儀會(huì)出現(xiàn)閃爍的光束并伴有“嗞嗞”的響聲；移動(dòng)掃描儀，將掃描儀至于沙地立體足跡的上方，從足跡前緣向后跟緩慢移動(dòng)，同時(shí)查看電腦軟件的即視窗口，根據(jù)電腦成型的物象進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)充掃描。整個(gè)掃描過程只需短短的30秒至1分鐘，完成掃描后關(guān)閉電源開關(guān)，拆除掃描儀。

3.3 物象數(shù)據(jù)的加工與整合

Artec 3D掃描儀生成的物象為STL文件格式，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ZBrush 4R6軟件，使用Z-Brush 4R6軟件的工具欄對3D掃描儀掃描的多余物象進(jìn)行框選、刪除，只保留3D立體足跡的主體部分。數(shù)據(jù)加工完畢后，將新形成的物象數(shù)據(jù)導(dǎo)入Zedit軟件，功能強(qiáng)大的Zedit軟件能夠最快速便捷的將三維數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為可供3D systems三維打印成型機(jī)使用的數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)整合完畢后，將數(shù)據(jù)傳輸給與3D打印機(jī)連接的電腦。

3.4 用3D打印機(jī)打印立體足跡模型

3.4.1 利用INSPIRE D290 3D打印機(jī)獲取模型

打開INSPIRE D290 3D打印機(jī)的物料倉，裝入ABS打印耗材，打開電腦數(shù)據(jù)接口，按下3D打印機(jī)的開關(guān)按鈕，待3D打印機(jī)啟動(dòng)后，通過外部透明窗口查看打印噴頭運(yùn)行情況，8小時(shí)候沙地立體足跡模型制作完畢。取出摸型，模型呈淺象牙色，有輕微毛糙感，表面光澤，重量較輕，特征反應(yīng)明顯。對模型進(jìn)行標(biāo)注、編號、存檔。

3.4.2 利用ProJet 660pro 3D打印機(jī)獲取模型

打開ProJet 660pro 3D打印進(jìn)的物料倉，裝入罐裝光敏樹脂打印耗材，常溫下，光敏樹脂為液態(tài)，設(shè)置3D打印機(jī)工作溫度和通風(fēng)條件，打開電腦數(shù)據(jù)接口，啟動(dòng)3D打印機(jī)，電腦界面會(huì)提示操作步驟，操作完成后電腦界面出現(xiàn)計(jì)時(shí)窗口和停止打印窗口。通過外部透明窗口觀察打印噴頭運(yùn)行情況及物象成型狀態(tài)。3小時(shí)后，沙地立體足跡模型制作完畢。開啟外蓋，取出模型。模型色澤穩(wěn)定，表面光滑無粗糙感，邊緣反應(yīng)清晰，特征反應(yīng)明顯。對模型進(jìn)行標(biāo)注、編號、存檔。

4 3D打印制模技術(shù)優(yōu)勢

利用3D打印技術(shù)制作立體足跡模型大大地節(jié)省了現(xiàn)場勘驗(yàn)檢查的時(shí)間，整個(gè)現(xiàn)場立體足跡掃描過程不超過1分鐘，加工整合可以在后期操作且數(shù)據(jù)及時(shí)保存，不受現(xiàn)場條件約束，能夠數(shù)據(jù)化還原現(xiàn)場，數(shù)據(jù)采集后可即時(shí)上傳與公安專網(wǎng)辦案系統(tǒng)進(jìn)行資源共享，以便及時(shí)串并案件、遠(yuǎn)程分析及查詢比對。3D打印技術(shù)作為一種新型的數(shù)字化制模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了非接觸式掃描，在提取現(xiàn)場足時(shí)不會(huì)對立體足跡產(chǎn)生人為破壞，不會(huì)因刑事技術(shù)操作不當(dāng)而導(dǎo)致足跡發(fā)生變形或模型破損、斷裂等不良后果。相對傳統(tǒng)石膏制模，3D打印技術(shù)制作的足跡模型精致細(xì)膩，保存年限長，不易被破壞，能高精度的還原現(xiàn)場立體足跡特征，完整保留立體足跡的細(xì)節(jié)特征，減少了繁雜的操作步驟，提高了工作效率。同時(shí)也一定程度上提高了現(xiàn)場足跡在刑事案件偵破及刑事訴訟中的利用率。