三维激光扫描技术在犯罪现场重建中的应用

２０１１年第１期　影像技术　三维激光扫描技术在犯罪　现场重建中的应用　蔡能斌　，田巍　，刘腾　，马云飞　，陈伟　（１．上海市公安局物证鉴定中心上海市现场物证重点实验室，上海２０００８３；　２．北京欧诺嘉科技有限公司，北京　１０００７２）　摘要：目的：研究利用三维激光扫描技术进行现场重建的技术方法。方法：首先，利用三维激光扫描仪对现场进　行扫描，获取现场的点云数据；然后，依据点云数据进行现场建模和动画模拟。结果：精确地重建了犯罪现场的场　景并获得具有交互性、沉浸感的动画模拟效果。结论：利用三维激光扫描技术可以精确、方便地进行现场重建。　关键词：三维激光扫描；点云；犯罪现场重建　中图分类号：ＴＮ２４：ＤＦ７９３．２　文献标识码：Ｂ　ＤＯＩ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００１－０２７０．２０１１．０１．０１０　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　３Ｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉ０ｎ　Ｏｆ　Ｃｒｉｍｉｎａｌ　Ｓｃｅｎｅ　ＣＡＩ　Ｎｅｎｇ・ｂｉｎ　，ＴＩＡＮ　Ｗｅｉ　，ＬＩＵ　Ｔｅｎｇ　，ＭＡ　Ｙｕｎ—ｆｅｉ　，ＣＨＥＮ　Ｗｅｉ　（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｆｏｒｅｎｓｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｐｕｂｌｉｃ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ　Ｂｕｒｅａｕ，　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｒｉｍｉｎａｌ　Ｓｃｅｎｅ　Ｅｖｉｄｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００８３；　２．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｏｎｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００７２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：０ｂｊｅｃｔｉｖｅ：Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｐｐｒｏａｃｈｓ　ｏｆ　ｃｒｉｍｉｎａｌ　ｓｃｅｎｅ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　３Ｄ　ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｍｅｔｈｏｄｓ：Ｆｉｒｓｔ　ｏｆ　ａｌ１．ｕｓｅ　３Ｄ　ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｅｒ　ｔｏ　ｓｃａｎ　ｃｒｉｍｉｎａｌ　ｓｃｅｎｅｓ　ａｎｄ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｓｃｅｎｅ　ｐｏｉｎｔ　ｃｌｏｕｄ　ｄａｔａ；Ａｎｄ　ｔｈｅｎ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｏｉｎｔ　ｃｌｏｕｄ　ｄａｔａ，ｍｏｄｅｌ　ｔｈｅ　ｃｒｉｍｉｎａｌ　ｓｃｅｎｅｓ　ａｎｄ　ｂｕｉｌｄ　ｔｈｅ　ａｎｉｍａｔｅｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｉｃｔｕｒｅｓ．Ｒｅｓｕｌｔ：Ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔ　ｔｈｅ　３Ｄ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｃｒｉｍｉｎａｌ　ｓｃｅｎｅｓ　ａｎｄ　ｃｒｅａｔｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ。ｉｍｍｅｒｓｉｖｅ　ａｎｉｍａｔｅｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔｓ．Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ：Ｔｈｅ　３Ｄ　ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔ　ｔｈｅ　ｃｒｉｍｉｎａｌ　ｓｃｅｎｅ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｄｉｅｎｔｌｙ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：３Ｄ　ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｉｎｇ；ｐｏｉｎｔ　ｃｌｏｕｄ；ｒｅｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ｏｆ　ｃｒｉｍｉｎａｌ　ｓｃｅｎｅ　引言　犯罪现场重建是指基于对犯罪现场痕迹、物证　的位置和状态及其相互关系的考察分析，以及对物　证的实验室检验结论的利用，结合所获取的相关客　观事实，合乎逻辑地以抽象、形象或实物模拟的方　式，重新构筑犯罪现场所发生的犯罪内容和犯罪过　收稿日期：２０１０—０２—２３　程，并探明与之相关的犯罪行为人的个人特点和犯　罪条件的侦查活动［１］。犯罪现场重建主要有二个方　面的内容：犯罪现场的场景重建和犯罪过程的重现。　传统的现场重建技术是建立在现场访问、文字笔录、　绘图、照相、摄像等基础上的，重建工作不仅繁琐，重　建难度也很大。三维激光扫描技术是近年来迅速发　展起来的一种新型空间数据获取手段和工具，利用　作者简介：蔡能斌（１９６７一），男，上海市公安局物证鉴定中心高级工程师，主要从事现场勘查、刑事影像技术、特种照相等方　面研究。　基金项目：本文系国家“十一五”科技支撑计划项目（编号：２ｏ０７ＢＡＫ２６ＢＯ７）资助课题。　影像技术　２０ｌ１年第ｌ期　地面三维激光扫描系统可以快速、准确地进行现场　三维重建。三维激光扫描技术已经在文物古迹的保　护［２］以及船体测量＿３　等领域得到了成功的应用。本文　研究利用三维激光扫描技术对犯罪现场进行重建的　点；最大的激光发射频率是２０００～３０００００赫缘；从　扫捕速度上米说不问厂家的产品相筹较大，高精度　扫捕的扫捕时间存２～ｌ６分钟和４０～８０５）＂钟不等：　太阳光和室外光线对¨描点数　精度的影响小：植　被覆盖　域也可以使川，・Ｉ『以太除植被　基于脉冲扫描式：　维激光¨描仪心川范　广．　方法，并在实际案件中进行了应用。　１三维激光扫描技术概述　三维激光扫描技术．它是利用激光测距的原理，　除了能够存Ｊ　述的室内等Ｊ　川ｆ１１使川，还能够　室　外的环境中使川，基本　受限制。　通过记录被测物体表面大量、密集的点的三维坐标　信息和反射率信息，将各种实体或实景的＿一维数据　完整地采集到电脑中　进而快速复建出被测目标的　三维模型及线、面、体等各种图件数据。结合其它各　领域的专业应用软件。所采集点云数据还可进行各　种后处理应用。传统的测量概念里。所测得的数据最　终输出的都是二维的结果（￣Ｉ］ＣＡＤ出图），现在广泛　使用的测量仪器中全站仪和ＧＰＳ比重居多，但测量　的数据也都是二维形式的。在逐步数字化的今天，三　维已经逐渐代替二维，因为其直观的表现形式是二　维无法比拟的。当今的三维激光扫描仪器每次测量　的数据不仅仅包含Ｘ、Ｙ、Ｚ点的信息，还包括Ｒ、Ｇ、Ｂ　的颜色信息，同时还具有物体的反射率信息。这样全　面的信息量可以带给人一种物体在电脑中真实再现　的感觉，这是一般的测量手段无法做到的。快速扫描　是扫描仪诞生后产生的概念，在常规的测量手段里，　每一点的测量费时都在２—５秒不等，更甚者要花费　几分钟的时间对一个点的坐标进行测量，在数字化　的今天，这样的测量速度已经远远不能满足测量的　需求，三维激光仪的诞生改变了这一现状。起初，三　维激光扫描仪１０００点／秒的测量速度已经让测量界　大为惊叹，而现在的三维激光扫描仪最高速度已经　达到每秒９０万个点以上，这是三维激光扫描仪对物　体详细描述的基本保证。　三维激光扫描仪主要分为两种：脉冲式三维激　光扫描仪和相位式三维激光扫描仪。　脉冲式三维激光扫描仪的性能特点如下：射程　大于２００米　最远的甚至达￣ｍＪ６０００米；对于中距离脉　冲扫描式三维激光扫描仪（最大射程＜２０００米）：±　２ｍｍ～±７ｍｍ（测量距离＜５０米时）；对于超长距离的脉　冲式三维激光扫描仪（最大射程：＜６０００米）：＋１５ｍｍ　（测量距离５０米以内时）。距离测量准确和精度高是　基于脉冲式扫描的三维激光扫描仪的一个性能特　５２　相位式　维激光扫描仪的性能特点如下：射程　较小，一般小于１５０米；精度＋５ｒａｍ（距离：＜２５米），±　１２ｍｍ（距离：＜５０米）；最大激光发射频率：３０００００～　６０００００赫兹：扫描速度是随激光发射频率变化而变　化的，虽然相位式激光扫描仪的扫描发射频率很高．　可以达Ｎ５ｏｏｏｏｏ赫兹以上，但是，在应用中，由于扫　描时间太长，几乎不可能使用超过６００００赫兹的激光　发射频率。在使用低于４００００赫兹的激光发射频率　时，其扫描时间还是比较短，与基于脉冲的激光扫描　仪处于一个量级。太阳光和室外光线对扫描点数和　精度的影响比较大．不适宜在阳光和晴天下在室外　进行大于２０米的测距工作。　通常，基于相位差的三维激光扫描仪多用于室　内的应用　犯罪现场的情况比较复杂，它储存着有关犯罪　和犯罪嫌疑人的信息，并保留着犯罪证据，其状态容　易发生变化或遭到破坏。在进行现场勘查时，由于时　间和空间的限制，要选用轻便、高速、激光数据获取　量大的三维激光扫描仪，对犯罪现场进行扫描和数　据记录　２犯罪现场的场景重建　在犯罪现场的场景重建过程中．本文使用脉冲　式三维激光扫描仪的多种精度进行三维激光扫描的　尝试，最终选择了使用＋３ｍｍ的精度对现场进行扫　描。因为一个现场我们通常需要扫描多个站，才能将　这些站进行完全的拼接从而得到一个完整的现场。　而每一站的扫描时间不能太长，否则就会对现场的　整体工作进度产生影响。选择＿＋３ｍｍ的精度进行扫　描，不仅可以保存现场的精确数据，还节省了大量进　行三维扫描所用的时间，从而提高了工作效率。　对现场进行全方位的扫描以后，就得到了点云　数据。点云数据是实际物体的真实尺寸的复原，是目　２０ｌ１年第１期　影＂ｌｇ技术　特　并串照；　…　前最完整、最精细和最快捷的对物体现状进行档案保　存的手段。点云数据不但包含了对象物体的空间尺寸　过图像数据对模型进行材质贴图的赋予，最终精确　地重建犯罪现场的场景，如图３所示。　信息和反射率信息，结合高分辨率的外置数码相机，可　以逼真地保留对象物体的纹理色彩信息；结合其他测　量仪器诸如全站仪、ＧＰＳ，可以将整个扫描数据放置在　一定的空间坐标系内。通过Ｐｏｉｎｔ　Ｃｌｏｕｄ软件，我们可以　在点云中实现漫游、浏览和对物体尺寸、角度、面积、　体积等的量测，直接将对象物体移到电脑中，利用点云　在电脑中完成传统的数据测绘工作。犯罪现场场景重　建的形式之一，是获得犯罪现场的各种的测绘图件，包　括平面图、立面图和剖面图等。这些图件可以表示建　筑物内部的结构或构造形式、分层情况，说明建筑物　的长、宽、高的尺寸，门窗洞口的位置和形式，装饰的设　计形式和各部位的联系和材料等。利用点云数据，在　ＣＡＤ中使用Ｐｏｉｎｔ　Ｃｌｏｕｄ插件，可以方便地做出所需相　应图件。如图１、图２所示。　图１基于点云数据的现场平面图　图２基于点云数据的现场立体图　对现场进行全方位的扫描以后，就要根据这些　点云数据对现场进行三维建模，重建犯罪现场的场　景。首先，我们要将点云数据通过Ｐｏｉｎｔ　Ｃｌｏｕｄ插件导　人到Ａｕｔｏ　ＣＡＤ中，通过ＣＡＤ中强大的三维建模功　能，准确地对犯罪现场的点云数据进行模型创建．通　图３基于点云数据的三维模型　３犯罪过程的重现　犯罪过程的重现是现场重建的重要组成部分，　传统的犯罪过程的重现是借助照片、视频、文档等资　料进行的，这种方式不能给人直观、形象的概念，缺　乏互动，难以让人对现场的整体情况及案件情况进　行更深入的分析。三维激光扫描技术的产生和发展　拓展了犯罪过程重现的技术实现手段，进而使虚拟　现实技术有了跨越式应用。虚拟现实（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｒｅａｌｉｔｙ，简称ＶＲ）是在计算机图形学、计算机仿真技　术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础　上发展起来的交叉学科。虚拟现实有很多种定义，一　种比较有概括性的定义是：虚拟现实是一种非常强　大的高端人机接口，包括通过视觉、听觉、嗅觉和味　觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交互［５］。虚拟　现实有三个关键特征，包括：实时的交互性（　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）。实时指计算机能探测到用户的输入并　同时修改虚拟世界：交互性有助于产生沉浸感（　Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ），即让用户感觉到置身于屏幕所显示的　情节中；要实现虚拟现实的交互性和沉浸感，以及要　在实际应用中更好地解决问题，在很大程度上取决　于研究者和设计者的想象力（Ｉｍａｇｉｎａｔｉｏｎ）。因此，交　互性、沉浸感和想象力构成了虚拟现实的基本特征。　本文研究通过人机交互，控制人物角色在现场　三维场景中漫游，完成相应的动作行为，来达到重现　犯罪过程的目的。本文的研究成果对人物动画的控　制是基于键盘和鼠标的事件驱动．每当触发相关的　按键，就可以调出预先指定的相应动作行为。走路、　跑步、跳跃、挥拳等常用行为可以通过单一按键快速　驱动，射击、刺杀、搬运物体等复杂动作可以通过组　合按键来进行驱动。在按键的设置上，综合人体工程　５３　影像技术　２０１１年第１期　学原理，设计出一套合理高效的交互系统，使动画模　拟的过程更为流畅和真实。作为对基于键盘和鼠标　实时控制的补充．本课题在三维场景中预先设置关　键路径点，然后使动画人物自动按照路径点在场景　中执行行走等一系列指定动作，刑侦人员可以按照　对案发过程的构想，把关键路径点设置在场景中相　应的位置上，并在路径点上指定动画人物在该点要　施展的动作行为。该控制方式的完成，将使刑侦人员　能够从大局上对整个三维模拟流程进行设置，提高　案件侦破的效率。此项技术的关键点是人物行进路　线的自动生成功能。在设置关键路径点后，程序需要　根据路径点信息，自动生成出人物行进的路线。在路　线上如遇到障碍物，如桌、椅等不可通过的物体时，　程序需要自动生成绕开障碍物的行进路线。　在基于键盘和鼠标实时控制的人机交互模式　中，动画角色的行进路线以及动作行为可以记录存　储并在需要时快捷地读取。通过键盘鼠标驱动人物　在场景中行走以及执行相应动作时，主要有以下信　息需要记录：人物在场景中的世界坐标，在相应的坐　标点上所需执行动作的名称。以上信息可以使用数　据库或者ＸＭＬ文档的形式进行记录，并在重放动画　时，实时读取记录信息，将相关动画进行重播。为了　方便刑侦人员对案发流程的把握，在动画重放的过　程中需要对动画的某些信息进行动态地修改。比如　移动某个关键点的位置，修改在某点的动作行为等。　所有的人物动画信息都是以数据形式存储于后台的　数据库中，当需要调整某个关键点的信息时，就可以　在后台的数据库中对该点的相关内容进行修改。之　后程序将自动根据修正后的信息创建新的路径。　动画人物在场景中可以拾取以及使用场景中的　特殊物品，这些特殊的物品中将包括如何被动画人　物使用的信息。比如，物品水果刀的信息中包括会被　动画人物手部使用的信息。那么在点选到场景中的　这把水果刀时。水果刀将会显示在动画人物的手中。　将场景中的物品准确地绘制到三维角色身上某个位　置，需要首先获得三维角色身上该位置对应的骨骼　名称。在骨骼动画的播放过程中，可以实时获取该骨　骼的世界坐标位置，以及缩放、旋转等关键信息。依　托于这些信息，就可以实时更新所需要绘制的三维　物品的位置，将三维物品准确地附着于人物身上。在　动画模拟中，可以灵活地设置摄像机的观察角度，不　５４　仅可以以任意角度的第三人称显示，并且还可以以　不同的动画角色为第一人称显示，或者多种显示模　式以分屏模式同时显示。此项技术的运用，可以帮助　刑侦人员多角度全方位地对案发过程进行了解和分　析。第一人称摄像机的运用可以给人以身临其境的　真实感，获得对案件的环境最直观的认识。　此外。在动画模拟作案过程的同时，可以随时对　现场进行测量，了解物与物之间的距离、位置、空间　关系。由于三维场景是基于三维激光扫描技术的点　云数据而形成的，因此，直接测量既可以获得准确的　现场细节数据，还可以对长度、高度、以及区域的面　积进行测量，其测量过程简单而快速。　４案例应用　２００８年某月，上海市杨浦区发生一起凶杀案，一名　女子被害。课题组技术人员对犯罪现场进行了快速采　集，并制作了现场图及三维模型。随后，工作人员依照现　场的情况以及罪犯的笔录，制作了三维仿真动画。让犯　罪分子与被害人的形态和动作等各种信息全部展现在　侦查、调查人员的面前。如图４、图５。　（下转第４４页）　图４三维仿真凶杀案过程动画截图　图５三维仿真凶杀案过程动画截图　影像技术　２０ｌ１年第１期　不变。随卫星飞行形成成像条带，地面段由卫星地面　站和用户地面站两部分组成．采用模块化接口设　计，便于未来向欧洲网络过渡。为了能够无缝过渡　阵ＣＣＤ高度集成，而且将其它诸￣ＷＧＰＳ、ＩＭＵ、测速、测　高等设备高度集成，同时数据传输方式也从数据回收　进步到实时传输，甚至在卫星上可以实现自动处理。　到下一代系统，德国在研制成功ＳＡＲ—Ｌｕｐｅ卫星之　后及时开展了“全球天基侦察系统”ｆＷＥＲＡ１概念　研究项目。　表３　国际合成孔径雷达发射时间及分辨率　现有的卫星成像系统一般功能专一，气象、测绘　或勘探，在卫星发射方面呈现各自为政的局面．你发　射侦查卫星，他发射气象卫星，我发射测绘卫星，重　复建设和资源浪费非常严重。而且如果不加以制止，　随着卫星技术的普及，外空间必然出现拥挤现象。常　常造成“撞星”事件。所以未来卫星成像系统将实现　统一集成，实现资源全搜集和数据全覆盖，国家根据　需要统一进行卫星规划，国际组织也将对相关事务　进行协调，重复功能、相同轨道的卫星将实现合并和　集成，卫星数据人库后，用户可以根据自己需要从入　库数据中提取自己需要的相关信息。　目前世界各国卫星成像分辨率越来越高，从１０　米到ｌ米Ｎｏ．１米甚至更高，在数值的道路上卫星分　辨率还在向着更高的方向发展，尤其是变轨、变焦技　５卫星成像系统的发展方向　目前世界卫星成像技术呈现三个层次：第一层　次是领跑位置的美国，它正在谋求概念和技术突破，　进行由兼顾战术应用向直接支持作战转型。目前正　术为高分辨率提供了足够的上升空间。未来世界各　国在高分辨率遥感卫星领域的竞争将日趋激烈，将　有更多的高分辨率卫星发射入轨。可以利用的高分　辨率卫星影像资源也将更加丰富。如法国的　ＰＬＥＩＡＤＥＳ一１（分辨率为０．７ｍ）、美国的ＷＯＲＬＤＶＩＥＷ　在研制“未来成像体系”（ＦＩＡ）光学雷达混合成像系　统和空问雷达（Ｓｐａｃｅ　Ｒａｄａｒ，ＳＲ）；第二层次是欧洲、　（分辨率为０．５ｍ）和ＯＲＢＶＩＥＷ一５（分辨率为０．４１ｍ）、　以色列的ＥＲＯＳ—Ｃ（分辨率为０．７ｍ）、印度的　俄罗斯、以色列、印度、日本以及韩国，都拥有优于１　米的卫星和成像系统，他们一面提高光学成像，一面　ＣＡＲＴＯＳＡＴ一２（分辨率为１ｍ）等。　卫星成像系统的另一方向是小型化。采用小卫　星星座配置，最具代表性的是“发现者一２”系统和　发挥雷达成像优势，向一体化卫星成像体系努力：处　于第三层次的包括土耳其、埃及、沙特、阿联酋、南　“未来成像结构（ＦＩＡ）”系统。未来成像侦察卫星的主　要发展趋势是提高地面分辨率，组成星座配合工作　非、尼日利亚等，正寻求航天成像技术新的突破。　卫星成像系统正在向高分辨率、高度集成、全数　字、小型化方向发展，分辨率突破０．１米，接近近景成　以提高时间分辨率。提高侦察图像幅宽。增强红外和　多光谱或超光谱能力，增加移动目标指示能力，减轻　重量，降低成本，增加使用寿命，提高卫星防护能力，　使任务重点由战略向战术转移，直接支持部队作战。　像水平，技术与功能高度集成，不但将光学和雷达成　像有机集成，将线阵、面阵ＣＣＤ相机高度集成，将多面　（上接第５４页）　参考文献　［１］郝宏奎．论犯罪现场重建［Ｊ］．犯罪研究，２００３，（３）：１３—２１．　［２］周俊召，郑书民．地面三维激光扫描在石窟石刻文物保护　测绘中的应用［Ｊ］．测绘通报，２００８年，（１１）：６８—６９．　［３］李欣，周佳玮等．三维激光扫描技术在船体外形测量中的　试验性研究［Ｊ］．测绘信息与工程，２００６，（６）：３６—３７．　［４］李滨．徕卡三维激光扫描系统在文物保护领域的应用［Ｊ］　测绘通报，２００８，（６）：７２—７３．　［５］李晖，吴禄慎．三维激光扫描技术在虚拟现实中的应用［Ｊ］　南昌大学学报（工科版），２００７，（３）：２３９—２４２．