光編碼技術(shù)在犯罪現(xiàn)場重建中的應(yīng)用

劉廣迪++秦靜++關(guān)思敏++張森

摘要：勘查犯罪現(xiàn)場是處理刑事案件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過對犯罪現(xiàn)場進行三維重建，可以很好的再現(xiàn)案發(fā)時的現(xiàn)場狀況，極大的提高了破案率。本文從警務(wù)實戰(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，并對該技術(shù)在犯罪現(xiàn)場重建中的應(yīng)用前景做了詳細的分析。

關(guān)鍵詞：光編碼 ；三維重建；犯罪現(xiàn)場

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）20-0221-03

三維重建技術(shù)是一項關(guān)于虛擬與現(xiàn)實的關(guān)鍵技術(shù)。它的目的是把現(xiàn)實環(huán)境轉(zhuǎn)換為能在計算機中方便處理的數(shù)學(xué)模型，這樣就可以用計算機來做一些在現(xiàn)實生活中無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，其作為計算機視覺領(lǐng)域中的研究熱點，可以很好地應(yīng)用于犯罪現(xiàn)場重建等警務(wù)實戰(zhàn)的過程中，實現(xiàn)快速精確的實時現(xiàn)場重現(xiàn)，極大的提高辦案效率。本文結(jié)合自己的研究課題，重點就基于光編碼技術(shù)的三維重建及其在犯罪現(xiàn)場重建中的應(yīng)用問題進行了有益的探討。

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)不同視圖的圖像來重建三維信息。傳統(tǒng)三維重建大致分為圖像獲取、攝像機標定、特征提取、立體匹配和三維建模五個步驟。首先要用攝像機獲取三維物體的二維圖像，光照條件和攝像機參數(shù)等都會影響到圖像的處理結(jié)果。之后通過攝像機標定求解攝像機的內(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的坐標。在特征提取的過程中，大部分是以特征點為匹配項。然后根據(jù)提取的特征點來建立圖像之間的對應(yīng)關(guān)系，也就是將同一物理空間點在兩幅不同圖像中的成像點進行一一對應(yīng)。在進行匹配時有許多干擾因素，比如光照、噪聲、表面物理特性以及攝像機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)合得到的攝像機的內(nèi)外參數(shù)，就可以重建出場景的三維信息。只有做好前面幾個步驟的工作，盡量提高各個環(huán)節(jié)的精度，減小誤差，才能達到好的重建效果。

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)是把光打在需要測量的空間中，和其他編碼方式不同的地方在于其計算方式。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形成一種隨機分布的激光散斑，隨著距離不同圖案也跟著變化。因此，空間每一個點的散斑都是不同的圖案，這就相當(dāng)于整個空間被做了標記，任何進入該空間的物體都可以被確切的記錄下來。

基于光編碼的三維重建技術(shù)具有精度高、速度快的特點。它利用激光測距的原理，搜索被測物體表面大量、密集的點的三維坐標信息和反射率信息，這些信息被稱為三維點云數(shù)據(jù)。將各種實體或?qū)嵕暗娜S點云數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進而快速重建出被測目標的三維模型及線、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，還可對所采集的點云數(shù)據(jù)進行各種后處理應(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所構(gòu)成的 3D 結(jié)構(gòu)光深度感應(yīng)器。再配合驅(qū)動就可以將傳感器和電腦連接起來，傳感器采集完數(shù)據(jù)后經(jīng)由電腦軟件進行處理就得到了物體的三維模型，下面簡單介紹一下重建的原理和過程。

普通的攝像機在獲取圖像的時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得到彩色信息和攝像頭的深度信息。如微軟的kinect，簡單來說，它可以同時得到兩幅圖像，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，這就為之后的坐標變換提供了極大的便利，為實現(xiàn)快速的三維重建打下了良好的基礎(chǔ)。具體過程如下，首先利用深度發(fā)射器發(fā)出的近紅外線對空間進行編碼，然后由深度傳感器器記錄空間中的反射光線，經(jīng)過處理后可以得到環(huán)境的深度信息。在深度信息的獲取過程中，由于無法獲取到深度信息的地方會產(chǎn)生一些噪聲，比如圖像靜止時深度信息的一些抖動、邊緣信息不穩(wěn)定等現(xiàn)象。為了達到良好的重建效果需要對深度圖像進行濾波操作。之后是坐標系之間的轉(zhuǎn)換，坐標轉(zhuǎn)換涉及了三個坐標系，分別為世界坐標系、攝像機坐標系和圖像坐標系。首先根據(jù)深度信息直接得到物體到傳感器的真實距離，由于標定過的攝像機可以看成針孔模型，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。進而得到物體彩色的三維點云數(shù)據(jù)，之后根據(jù)各種配準算法對點云數(shù)據(jù)進行配準，最后可以用點云庫中的各種算法來處理并顯示物體的模型。

在建模過程中最重要的是深度圖像的濾波算法和點云數(shù)據(jù)的配準算法，對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，并且會影響重建的自動化程度，所以在進行三維重建的過程中，選擇高效的點云數(shù)據(jù)配準算法是最關(guān)鍵的。目前可以采用精確的迭代最近點算法，當(dāng)然在精確配準前要進行粗配準。經(jīng)試驗，用最近點迭代算法可以達到令人滿意的效果。

3 在犯罪現(xiàn)場重建中的應(yīng)用

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

3.1犯罪場景的重建

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

現(xiàn)在有關(guān)獲取案件現(xiàn)場的三維技術(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)一般是用魚眼相機在現(xiàn)場拍攝覆蓋現(xiàn)場的多張連續(xù)照片，然后通過軟件處理后能得到360度完整范圍的全景。但在警務(wù)實戰(zhàn)中的應(yīng)用有一定的局限性，會在不同程度上影響辦案效率。首先三維全景技術(shù)對細節(jié)的處理不夠細致，許多非常重要的證據(jù)采集不到。其次，在取景的時候有一定的限制，如果現(xiàn)場有障礙物，得到全景圖的效果就會比較差，這樣就無法真實的獲取現(xiàn)場數(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。它可以快速地對犯罪現(xiàn)場進行掃描從而得到所需要的三維點云數(shù)據(jù)，而點云數(shù)據(jù)能真實的還原當(dāng)時的現(xiàn)場，其包含了對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，就可以逼真地得到對象物體的紋理和彩色信息。利用點云數(shù)據(jù)可以方便的得到所需要的犯罪現(xiàn)場的各種測繪圖件。根據(jù)現(xiàn)場的點云數(shù)據(jù)進行三維建模從而得到犯罪現(xiàn)場的虛擬場景，公安機關(guān)可以根據(jù)需要隨時勘查犯罪現(xiàn)場，從而達到永久保留現(xiàn)場的目的。

對重點區(qū)域的場景進行提前重建，能在預(yù)防重點區(qū)域犯罪中起到很重要的作用。每個城市都有一些案發(fā)率較高的重點區(qū)域，尤其是在舉辦一些大型活動的時候，犯罪分子在作案之前往往會破壞現(xiàn)場的監(jiān)控和其他的防范設(shè)施，這樣就給公安機關(guān)的破案帶來很大的麻煩。因此針對這些重點區(qū)域的安全防范措施就顯得尤為重要?；诠饩幋a的三維重建技術(shù)可以我們可以提前對這些重點區(qū)域進行考察，搞清現(xiàn)場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)場的三維模型，通過對模型中各個部分和之前犯罪情況的分析可以預(yù)測出最容易發(fā)生突發(fā)情況的位置，進而根據(jù)實際需要增加具體的防范設(shè)施，在不同的重點位置安裝相應(yīng)功能的設(shè)備，有計劃的針對可能出現(xiàn)的情況進行部署，這樣就對突發(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關(guān)迅速破案。

3.2犯罪過程的重現(xiàn)

在犯罪過程的重現(xiàn)方面，目的是對整個犯罪的具體過程進行重新的演繹、推理和判斷。在偵查現(xiàn)場的時候偵查人員偶爾會忽略一些不重要的細節(jié)，通過重現(xiàn)犯罪過程，公安機關(guān)可以從多角度進行觀察和分析，挖掘出犯罪過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)。在之前的辦案過程中都是根據(jù)照片、文檔、媒體等資料來進行重現(xiàn)，不能給人三維的立體感覺，有時還會導(dǎo)致意見不統(tǒng)一，這有時會嚴重影響案件的偵破效率。而基于光編碼的三維重建技術(shù)則能利用點云數(shù)據(jù)生成具有立體感的逼真三維虛擬場景，在此基礎(chǔ)上可以增加人機交互技術(shù)的應(yīng)用，根據(jù)犯罪現(xiàn)場的具體情況加入所需要的聲音、物體、人物等各種因素，通過人機交互，利用鼠標和鍵盤來控制模型從而達到重現(xiàn)犯罪過程的目的。這可以幫助公安機關(guān)更加直觀地從中獲取各種信息，仿佛置身于犯罪現(xiàn)場之中，可以對當(dāng)時的犯罪情景進行全方位的推理、判斷和綜合，從而快速掌握案情并采取相應(yīng)措施。

為了使犯罪過程更加真實生動的重現(xiàn)，可以將重建出的三維模型和案件過程的動態(tài)反演技術(shù)相結(jié)合，目前國內(nèi)公安機關(guān)對動態(tài)反演技術(shù)開發(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態(tài)反演技術(shù)創(chuàng)造了一個很好的場景平臺，在真實的犯罪場景中加入以節(jié)點技術(shù)為基礎(chǔ)的人物、工具等在犯罪過程中可能出現(xiàn)的事物，根據(jù)犯罪過程有目的的控制人物運動，通過簡單快捷的操作，在較短時間內(nèi)對案件可能發(fā)生的多種過程創(chuàng)建反演，幫助偵查人員進一步認識案件 ，從而為科學(xué)辦案提供巨大幫助。

此外，在犯罪過程重現(xiàn)的同時，為了解物與物之間的距離、位置、空間關(guān)系，免不了要對現(xiàn)場中關(guān)鍵地點進行三維測量。由于三維場景是由點云數(shù)據(jù)形成的，因此可以直接對長度、高度、以及區(qū)域的面積進行測量，測量過程即簡單又快速。通過三維測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

本文簡單介紹了基于光編碼的三維重建技術(shù)，并詳細論述了其在犯罪現(xiàn)場重建中的應(yīng)用前景。在以后的應(yīng)用過程中需要解決的是如何與其他技術(shù)的有效結(jié)合問題，比如如何實現(xiàn)與數(shù)字視頻技術(shù)、激光雷達技術(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，來進一步豐富警務(wù)三維應(yīng)用系統(tǒng)的功能，使其更貼近實戰(zhàn)的需要。

隨著公安改革的不斷深化，各種高新技術(shù)會越來越多的應(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)場重建中的應(yīng)用正處于起步階段，在公安實戰(zhàn)的應(yīng)用上還要繼續(xù)試驗和完善。但作為一項能應(yīng)用于犯罪現(xiàn)場重建等多個方面的新技術(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，一定會得到更加廣泛的應(yīng)用。

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