智慧現(xiàn)場(chǎng)空間信息采集分析系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

邱家柱

摘要：在平時(shí)的刑事案件現(xiàn)場(chǎng)勘查過(guò)程中及之后的勘查材料制作、案件分析研判時(shí)，對(duì)于時(shí)間和空間的把控還存在著許多的不足之處，如何利用更先進(jìn)的信息技術(shù)完善當(dāng)下的勘查工作成為了一項(xiàng)重要的工作。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生技術(shù);輕量化掃描裝備;分析處理軟件

1、項(xiàng)目研發(fā)背景

刑事案件中，現(xiàn)場(chǎng)勘查是收集、獲取案件基本情況，推動(dòng)案件偵破的第一手推動(dòng)力?，F(xiàn)在通常的空間測(cè)量及記錄方法是測(cè)距儀、卷尺測(cè)量以及照片記錄、現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記。在實(shí)戰(zhàn)中存在著許多不足之處，比如：現(xiàn)場(chǎng)圖繪制速度較慢，無(wú)法以最快速度進(jìn)行分析研判;先期處置時(shí)進(jìn)出現(xiàn)場(chǎng)人員較多會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生二次破壞;對(duì)于重特大案件破案后的講解分析缺乏較為完整立體的重現(xiàn)等。

隨著智能化、數(shù)字化的技術(shù)推進(jìn)，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸成熟，此項(xiàng)目的產(chǎn)生即是建立在了該數(shù)字技術(shù)的成熟和發(fā)展的背景之下。為加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)勘查與智慧公安的有效銜接，開(kāi)創(chuàng)刑技工作新局面，重點(diǎn)解決現(xiàn)場(chǎng)勘查工作中存在的效率低，智能化水平不高，新手段新技術(shù)匱乏等短板問(wèn)題，浦東公安分局刑科所與相關(guān)科技公司及高校進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研發(fā)合作，結(jié)合實(shí)際情況提出該方案，努力提高應(yīng)對(duì)復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)，快速反應(yīng)快速處置能力，更好地提升服務(wù)打擊破案能力。

2、項(xiàng)目研發(fā)原理及創(chuàng)新性

2.1項(xiàng)目研發(fā)原理

數(shù)字孿生，是指針對(duì)物理世界中的物體，通過(guò)數(shù)字化的手段來(lái)構(gòu)建一個(gè)數(shù)字世界中一模一樣的實(shí)體，藉此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的了解、分析和優(yōu)化。其原理方法是通過(guò)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行全景拍攝，所得圖像實(shí)時(shí)傳送至微型處理器，在微型處理器內(nèi)對(duì)獲取的圖像進(jìn)行圖像匹配算法，進(jìn)行特征檢測(cè)和匹配，并用光束平差法進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)光束平差法標(biāo)定出相機(jī)參數(shù)后，計(jì)算出每個(gè)特征點(diǎn)的三維信息，利用三維重構(gòu)算法對(duì)每個(gè)特征點(diǎn)三維信息，生成密集位點(diǎn)，再對(duì)密集位點(diǎn)三角化等處理生成位點(diǎn)模型，重建現(xiàn)場(chǎng)圖像。利用尺度不變特征變換的特性，提取每個(gè)圖片中的關(guān)鍵點(diǎn)，再通過(guò)比測(cè)試的方法測(cè)試兩兩圖像對(duì)特征的相似度進(jìn)行匹配。利用立體匹配得到的匹配點(diǎn)，根據(jù)空間坐標(biāo)系和攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系，通過(guò)一個(gè)光束平差法來(lái)得到二維點(diǎn)反投影到空間中的三維坐標(biāo)，大量的匹配點(diǎn)最終會(huì)得到三維位點(diǎn)模型。

在先后調(diào)研測(cè)試了激光雷達(dá)、雙目相機(jī)、紅外結(jié)構(gòu)光相機(jī)、TOF相機(jī)等技術(shù)解決方案后，選擇了較為穩(wěn)定的紅外結(jié)構(gòu)光相機(jī)研發(fā)了手持三維實(shí)時(shí)掃描儀。并開(kāi)發(fā)了人工智能和深度學(xué)習(xí)的識(shí)別和處理軟件，以及便捷的前端查看工具。傳統(tǒng)的FARO等站式三維激光掃描儀，體積重量極大，需要攜帶大設(shè)備箱子和三腳架。掃描耗時(shí)長(zhǎng)且麻煩，需要在每個(gè)房間分別設(shè)站進(jìn)行掃描，整體耗時(shí)是本項(xiàng)目時(shí)間的7-8倍。無(wú)法實(shí)時(shí)查看三維結(jié)果，需要用專業(yè)軟件花大量時(shí)間進(jìn)行復(fù)雜處理，其數(shù)據(jù)以數(shù)十至數(shù)百GB計(jì)，須配備專業(yè)計(jì)算機(jī)才可以使用;螳螂慧視等高精度近距離三維掃描儀，其更擅長(zhǎng)2米以內(nèi)的小尺度物體掃描，對(duì)房間尺度掃描優(yōu)化明顯不足。設(shè)備體積重量普遍較大，難以單手長(zhǎng)期握持。算法無(wú)法實(shí)時(shí)查看三維結(jié)果，需要后期花大量時(shí)間進(jìn)行復(fù)雜處理。

2.2項(xiàng)目創(chuàng)新性

2.2.1、在能夠保證精度和質(zhì)量的前提下，適用于勘驗(yàn)人員的輕量化手持式使用，減輕勘驗(yàn)人員的負(fù)擔(dān)。

2.2.2、結(jié)合實(shí)戰(zhàn)需求而優(yōu)化的掃描算法，智慧現(xiàn)場(chǎng)空間信息采集分析系統(tǒng)會(huì)選擇最合適的三維掃描方案。案件現(xiàn)場(chǎng)普遍情況復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)狀況不可預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)三維重建方案依賴云計(jì)算，且重建時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)時(shí)得到掃描結(jié)果，容易出現(xiàn)掃描遺漏，對(duì)一線人員有較高的三維規(guī)劃水平要求，而此項(xiàng)目操作簡(jiǎn)便，無(wú)需繁瑣的教學(xué)過(guò)程，掃描及生成效率較高。

2.2.3、現(xiàn)場(chǎng)三維場(chǎng)景的智能識(shí)別、標(biāo)注、現(xiàn)場(chǎng)圖自動(dòng)繪制，犯罪現(xiàn)場(chǎng)全貌草圖獲取：通過(guò)掃描獲取現(xiàn)場(chǎng)整個(gè)位點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)截取需求平面，快速獲得現(xiàn)場(chǎng)的二維截面圖，在幾分鐘內(nèi)獲取現(xiàn)場(chǎng)平面布置圖，具有操作簡(jiǎn)單，處理快速、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)等特點(diǎn)，方便現(xiàn)場(chǎng)快速處理數(shù)據(jù)、臨場(chǎng)指揮等用途。

2.2，4、實(shí)時(shí)導(dǎo)出dwg、dxf格式到AutoCad，而且支持導(dǎo)出iges、step、catia等市場(chǎng)主流的CAD格式，實(shí)現(xiàn)偵查現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)備份，掃描完成后，整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)入到電腦中進(jìn)行存檔，可以實(shí)時(shí)讓研究人員對(duì)具體的信息加以分析，重現(xiàn)犯罪過(guò)程及犯罪現(xiàn)場(chǎng)的證據(jù)，甚至可以在法庭上作為證詞出現(xiàn)。在案件的分析研判中起到非常重要的作用。

3、項(xiàng)目結(jié)構(gòu)

智慧現(xiàn)場(chǎng)空間信息采集分析系統(tǒng)包含兩個(gè)主要部分：一套手持式三維實(shí)時(shí)掃描儀，與一套數(shù)字孿生三維智能分析處理軟件。

3.1手持式三維實(shí)時(shí)掃描儀

此設(shè)備提供不依賴網(wǎng)絡(luò)的刑事案件現(xiàn)場(chǎng)三維掃描采集功能。整體設(shè)備輕便，可單人攜帶使用，適合一線實(shí)戰(zhàn)需求，現(xiàn)場(chǎng)民警可借助此設(shè)備對(duì)犯罪現(xiàn)場(chǎng)整體情況和細(xì)節(jié)進(jìn)行三維掃描和記錄，設(shè)備內(nèi)部的多傳感器平臺(tái)可以記錄設(shè)備的位姿變化，提高三維掃描的精度和速度。

3.2數(shù)字孿生三維智能分析處理軟件

此軟件平臺(tái)應(yīng)用了深度學(xué)習(xí)模型，對(duì)三維空間數(shù)據(jù)執(zhí)行十大類別的物體識(shí)別與場(chǎng)景理解分析，并通過(guò)一系列計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法，自動(dòng)生成符合現(xiàn)場(chǎng)勘查標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)平面圖、現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖以及數(shù)字孿生3D現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。通過(guò)此平臺(tái)，可以方便快捷的回看犯罪現(xiàn)場(chǎng)的每個(gè)三維細(xì)節(jié)，調(diào)取采集時(shí)拍攝的照片和軌跡信息，進(jìn)行數(shù)字化的虛擬測(cè)量和標(biāo)注等等工作。

4、實(shí)戰(zhàn)操作

現(xiàn)場(chǎng)勘查人員可以在進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)之后首先手持三維實(shí)時(shí)掃描儀進(jìn)行“刷墻式”操作即可初步完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的固定。與此同時(shí)，掃描取得的數(shù)據(jù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、USB等方式進(jìn)行傳遞，然后通過(guò)數(shù)字孿生三維智能分析處理軟件自動(dòng)對(duì)整個(gè)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并同步傳輸至遠(yuǎn)程端，形成了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的多層次、全覆蓋的把控，不會(huì)造成遺漏，并可以指導(dǎo)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)物證的提取工作。而微型處理器會(huì)直接生成現(xiàn)場(chǎng)勘查所需要的平面示意圖，并通過(guò)數(shù)據(jù)接口進(jìn)入或關(guān)聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)信息系統(tǒng)，從而大幅度簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)繪圖過(guò)程，直接提高了現(xiàn)場(chǎng)勘查工作的效率。最后，在案件需要復(fù)勘時(shí)或案件破獲后，可以通過(guò)回看生成的圖像，并與其它證據(jù)鏈相互印證，從而達(dá)到更完善的勘查效果。

該項(xiàng)目以提升刑事技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)勘查質(zhì)量為主要任務(wù)，堅(jiān)持科技興警理念，發(fā)揚(yáng)探索創(chuàng)新精神，提高刑事技術(shù)服務(wù)實(shí)戰(zhàn)能力，旨在奮力開(kāi)創(chuàng)新時(shí)代刑偵工作新局面。