基于虚拟现实技术的案件现场重建方法

李馥娟， 王 群， 纪佩宇

(1. 江苏警官学院 计算机信息与网络安全系， 江苏 南京 210031；2. 江苏警官学院 网络管理中心， 江苏 南京 210031)

基于虚拟现实技术的案件现场重建方法

李馥娟1,2， 王 群1,2， 纪佩宇1,2

(1. 江苏警官学院 计算机信息与网络安全系， 江苏 南京 210031；2. 江苏警官学院 网络管理中心， 江苏 南京 210031)

介绍了虚拟现实的概念和关键技术，分析了虚拟现实技术的应用特点。在此基础上，通过一个具体实例，从应用环境设计、场景建设与漫游、模拟动画设计、逻辑程序设计及系统集成与拓展等方面，讨论了虚拟现实技术在案件重建及教学中的应用方法，实现了真实实验难以实现的教学功能。

虚拟现实； 三维仿真； 现场重建； 触觉反馈

犯罪现场是对每一起案件侦查的起点。现场复原(重现)的重要性在于现场勘查过程中，对案件性质、作案嫌疑人、作案过程、作案方式、物证价值提出的假设或出现的矛盾等，根据现场情况对案件现场进行复原，从而对现场物证的客观性、调查信息的真实性、案件性质的准确性、作案过程的连续性等进行验证和推测，为侦破案件和模拟训练提供虚拟情境。刑事科学技术专业的学生可以利用多种类型的案件模拟现场，反复学习和练习现场处置方法，从而提高实践能力。

案件现场三维仿真系统能够将特定案件的处置方法形成数据库，为人员培训提供辅助处置的建议，并对错误处置发出警告和信息提示，对学生的实训和在职民警培训进行模拟训练和评测。本文结合江苏警官学院科研和教学实际，通过虚拟现实技术来重建各类犯罪和事故现场，将其应用到在职民警培训和学生的实践教学中，丰富了教学内容，改善了教学手段，取得了良好的应用效果。

1 虚拟现实技术

1.1 应用介绍

虚拟现实(virtual reality，VR)[1]是综合运用计算机三维仿真技术、计算机图形技术、多媒体技术、人机交互技术、计算机网络技术和立体显示技术等多种技术，并借助各类传感技术和设备，通过对视觉、听觉、触觉的实时感知和综合模拟，虚拟出一个近似真实的环境，使人凭借对自然环境已形成的认知，实现对虚拟世界的观察和互动操作[2-3]。

随着互联网技术、多媒体技术和可视化技术的发展，三维(three-dimension，3D)技术日趋成熟，虚拟现实技术乘势而上，在服务内容、交互方式、用户体验等方面都取得了成功，并且具有沉浸感、交互性和构想等3个主要特征[4-5]。沉浸感是指由计算机生成的虚拟情境能够给用户提供一种与真实世界相同的贴身体验，产生身临其境的感觉；交互性是指在虚拟情境中，用户可以像在真实环境中一样，与虚拟情境中的对象进行交互；构想特指虚拟现实技术所具有的对人类思维的启发功能，通过虚拟现实技术的应用可以使人深化对已有知识的理解，并获得新的知识或得到启发。

1.2 关键技术

虚拟现实技术是多种技术的综合[6]，其关键技术和研究内容包括环境建模、立体显示、触觉反馈、硬件交互、系统集成等内容。

(1) 环境建模技术。通过对虚拟情境的搭建获取和反映实际环境的三维数据，并根据应用的需要，通过采集的3D数据建立相应的虚拟情境模型。

(2) 立体显示技术[7]。立体显示技术的基本原理是基于人类两眼之间存在的4～6 cm的距离，两眼看到的物体存在视差，当两眼看到的图像经大脑融合后，便使人产生立体的感觉。在VR环境中，人通过戴上特殊的眼镜后，能够实现在左右眼睛分别呈现奇数帧和偶数帧的图像，从而产生立体感。

(3) 触觉反馈技术[8]。在3D场景中，让用户能够直接操作虚拟对象(人或物体)，并能够感知到虚拟对象给出的信息反馈，从而产生身临其境的感觉。例如，在VR系统中，当用户看到一个虚拟的水杯并去“拿”它时[9]，可以通过数据手套[10]内层安装的可振动的触点来产生与水杯表面接触的触摸感，与真实环境中的感觉没有明显区别。

(4) 硬件交互技术[11-12]。3D场景的人机交互既可以使用传统的键盘和鼠标方式，也可以使用触摸屏或外部设备(如PAD、智能手机、体感设备等)控制技术来实现。

(5) 系统集成技术。虚拟现实技术中涉及的大量感知信息和模型，需要通过信息同步、模型标定、数据转换、识别和合成等技术来集成。

作为一门先进的人机交互技术，虚拟现实技术已被广泛应用于军事模拟、视景仿真、虚拟制造、虚拟设计、虚拟装配、科学可视化以及教育和科研等众多领域，发挥着真实环境难以实现的功能。

2 系统设计与实现

基于虚拟现实的现场重建可以通过内部网络，用户利用客户端浏览器来观摩或扮演某一角色，在对现场每个细节再现的过程中，进行分析和研判。通过安全方式，用户也可以利用公共网络进行与内部网络相同功能的操作。

2.1 应用环境

根据应用需要，本系统所采用的网络拓扑如图1所示，其中：

(1) 应用服务器软件：Apache或IIS；

(2) 数据库服务器软件：SQL Server、Oracle或MySQL；

(3) 服务器操作系统：Windows Server 2003/2008或Linux；

(4) 客户端操作系统：Windows或Mac OS；

(5) 浏览器：IE内核、Chrome、Firefox等；

(6) 开发平台：.NET 4.0；

(7) 主要开发工具：Unity3D、Blerder和GIMP。

图1 实验环境所采用的网络拓扑

其中，Unity3D是由Unity Technologies开发的一个用于创建实时三维动画的多平台综合型开发工具，在本方案中主要用于三维现场的开发；Blender是一个开源的跨平台三维动画制作软件，在本方案中通过Blender实现建模、动画、材质、渲染、音频处理和视频剪辑等功能；GIMP是一个可以同时运行于GNU/Linux、Windows、Mac OS等平台的跨平台图像处理软件，在本方案中用来处理各类图像，包括图像合成和创建图像等操作。

2.2 技术实现流程

以某单位财务室抢劫案现场重建为例，具体介绍虚拟现实技术实现流程以及各个环节所涉及的关键技术。

(1) 场景建设。利用三维仿真技术，真实还原财务室案件现场的各种环境元素，主要包括房屋结构，房间内家具和设备的布置与相互间的关系，与房间相关的场景建筑、地形、交通路线、声音效果等。使用三维建模技术对案件现场场景进行仿真，并且为场景中的各元素配备相应的物理属性。用户可以在案件分析、教学和实训中自定义条件，对不同假设场景中的元素进行设定，模拟案件现场可能发生的各种情况。图2所示的是对案件现场场景的三维仿真，图3和图4分别是对受害人和现场发现的作案工具的三维仿真，图5是对周围环境的三维仿真。

图2 案件现场场景仿真

图3 案件现场受害人仿真

图4 案件现场作案工具仿真

图5 对周围环境的仿真

(2) 场景漫游。场景漫游的实现必须考虑人机交互功能，场景漫游中的人机交互，一直是虚拟现实系统研究中的重要内容[13]。利用漫游系统的实时交互性，用户可对场景中的实体对象进行某些操作，而且实体对象也能立即响应用户的操作，并以某种形式的变化反馈给用户。当用户的位置与视角改变时，漫游引擎能够立即调度场景数据库实时生成新的视点画面，并显示给用户。漫游场景可以不断地变换视点相应参数，生成连续的图像并输出到显示设备。

(3) 模拟动画。使用动作捕捉和手动关键帧等技术，对现场道具、场景、人物等进行三维实时动画制作。与传统视频动画不同的是，该过程以及涉及的仿真动画可以实现用户对事件各个不同视角和各种条件下的观察分析。在此过程中，主要使用正反向动力学及骨骼绑定等技术，再配合三维图形引擎，使逻辑属性与事件细节通过无死角的动画演示有机关联。

(4) 逻辑程序。以三维图形引擎为依托，根据使用者的逻辑需求，有针对性地编写具体的程序，可实现三维元素与数据属性的有效连接、对各种响应事件进行逻辑关联、控制动画播放、对画面元素进行组织与调节、鼠标键盘操作与其他硬件操作、自动摄像机与自定义摄像机的控制、数据库数据读取与存储、程序执行封装等操作。

(5) 拓展性功能。以虚拟现实场景为基础，可以通过不同的数据接口，经过内部服务器调用所需要的信息(如单位安防监控系统中的图像信息、校园一卡通的消费信息等)，再通过接口协议展示在场景中。能够实现点击某个对象(如摄像头、POS机等)时，即显示相对应的监控画面或在该POS机上的消费数据等即时信息。

(6) 接口关联技术。由于Unity3D的可拓展性，可以将程序文件生成Web格式，再通过网页技术将场景嵌套到Web网站中，使用户既可以用Web方式进行浏览和交互，也可以实现在场景中察看网络中的实时信息，并将信息通过微博、微信等方式进行分享。

3 结束语

将刑侦案例应用到具体的教学过程中，使教学内容反映实践，教学过程贴近实践，是刑事科学技术职业教育必须重视的一个问题。长期以来，受技术限制，很多曾经发生的事件以及出现的场景无法真实、直观地再现，不利于对事件的客观判断，也无法在课堂上展现给学生。利用虚拟现实技术很好地解决了这一问题，已引起了医学、军事、公共安全、应急指挥等众多领域的普遍关注，在教育界更将其作为学科专业与信息技术深度融合的产物，成为推动高等学校实验教学改革和创新的重要方式。

作为一种全新的教学手段和方法，虚拟现实技术在案件重建及教学中具有真实实验难以实现的教学功能，降低了实验教学的成本和风险，在提高教学能力、拓展实践领域、丰富教学内容等方面具有很大的优势。随着对虚拟现实技术研究的深入和其应用功能的拓展，它将在刑事科学技术领域得到更多的应用。

致谢：本系统的实现得到了南京溪谷晨歌网络科技公司技术人员的大力支持，在此表示感谢！

References)

[1] Her M G, Hsu K S.design and analysis of haptic direct drive robot for virtual reality[J].Journal of Information and Optimization Sciences,2001,22(3):441-461.

[2] 苏学军,赵媛,张纪磊,等.基于Web的三维仿真虚拟实验室构建[J].实验技术与管理,2011,28(8):183-185.

[3] 张敬南,张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理,2013,30(12):101-104.

[4] 姜学智,李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[J].辽宁工程技术大学学报,2004,23(2):238-240.

[5] 陈娜,张俊友,姬全健.基于虚拟现实技术的交通标志视认性实验分析方法[J].重庆交通大学学报：自然科学版,2014,33(4):134-137.

[6] 杨庆,黄陈蓉.虚拟现实与系统仿真实验教学改革探讨[J].实验技术与管理,2011,28(3):94-97.

[7] 郑华东,于瀛洁,程维明.三维立体显示技术研究新进展[J].光学技术,2008,34(3):426-430，434.

[8] 崔洋,包钢,王祖温.虚拟现实技术中力/触觉反馈的研究现状[J].机床与液压,2008,36(7):1-4.

[9] Lynette J. Dextrous hands:Human,prosthetic,and robotic[J].Presence,1997,6(1):29-56.

[10] Dipietro L，Sabatini A M，Dario P. A survey of glovebased systems and their applications [J].IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics(Part C)：Applications and Reviews，2008,38(4):461-482.

[11] 胡永利,孙艳丰,尹宝才.物联网信息感知与交互技术[J].计算机学报,2012,35(6):1147-1163.

[12] 李文生,解梅,邓春健.基于多点手势识别的人机交互技术框架[J].计算机工程与设计,2011,32(6):2129-2133.

[13] 宫勇,蒲小琼,张翔.虚拟场景漫游技术及其系统实现[J].计算机工程与应用,2007,43(15):89-92.

Methods of scene reconstruction based on virtual reality technology

Li Fujuan1,2，Wang Qun1,2， Ji Peiyu1,2

(1. Department of Computer Information and Cyber Security，Jiangsu Police Institute，Nanjing 210031, China;2. Center of Network Management, Jiangsu Police Institute，Nanjing 210031, China)

This paper introduces the concept and key technologies of virtual reality, and analyzes the application of virtual reality technology. Through a specific case, from application design, scenario-building and roaming, simulation and animation design, logic programming and systems integration and development, this paper also discusses the application of virtual reality technology in reconstruction of cases and teaching methods. Functions of the virtual reality in teaching have been achieved, which cannot be achieved in a real experiment.

virtual reality; three-dimension simulation; scene reconstruction; tactile feedback

2014- 11- 12

江苏省高等学校“十二五”重点学科建设专项资金资助项目(JS110838)；2013年江苏省高等教育教改研究立项课题(2013JSJG150)；国家社会科学基金资助项目(13BTQ046)

李馥娟(1974—)，女，陕西西安，硕士，副教授，主要研究方向为计算机网络技术与应用.

E-mail：lfj@jspi.edu.cn

TP391.9

A

1002-4956(2015)5- 0124- 03