光编码技术在犯罪现场重建中的应用

刘广迪++秦静++关思敏++张森

摘要：勘查犯罪现场是处理刑事案件的关键环节，通过对犯罪现场进行三维重建，可以很好的再现案发时的现场状况，极大的提高了破案率。本文从警务实战应用的角度出发，在传统三维重建的基础上，论述了基于光编码技术的三维重建，并对该技术在犯罪现场重建中的应用前景做了详细的分析。

关键词：光编码 ；三维重建；犯罪现场

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）20-0221-03

三维重建技术是一项关于虚拟与现实的关键技术。它的目的是把现实环境转换为能在计算机中方便处理的数学模型，这样就可以用计算机来做一些在现实生活中无法做到或很难做到的事情。基于光编码技术的三维重建具有速度快、精度高的特点，其作为计算机视觉领域中的研究热点，可以很好地应用于犯罪现场重建等警务实战的过程中，实现快速精确的实时现场重现，极大的提高办案效率。本文结合自己的研究课题，重点就基于光编码技术的三维重建及其在犯罪现场重建中的应用问题进行了有益的探讨。

1 传统的三维重建

传统的三维重建一般都是以图片为基础，根据不同视图的图像来重建三维信息。传统三维重建大致分为图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配和三维建模五个步骤。首先要用摄像机获取三维物体的二维图像，光照条件和摄像机参数等都会影响到图像的处理结果。之后通过摄像机标定求解摄像机的内外参数，这样就再结合图像的匹配结果就能得到空间三维点的坐标。在特征提取的过程中，大部分是以特征点为匹配项。然后根据提取的特征点来建立图像之间的对应关系，也就是将同一物理空间点在两幅不同图像中的成像点进行一一对应。在进行匹配时有许多干扰因素，比如光照、噪声、表面物理特性以及摄像机特性等诸多变化因素。得到比较精确的匹配结果后，再结合得到的摄像机的内外参数，就可以重建出场景的三维信息。只有做好前面几个步骤的工作，尽量提高各个环节的精度，减小误差，才能达到好的重建效果。

2 基于光编码的三维重建

光编码也属于结构光技术，但是有一定的差别。光编码技术是把光打在需要测量的空间中，和其他编码方式不同的地方在于其计算方式。它的光源发射出的是一种所谓的体编码图像，而不是一般的具有周期变换的2维编码图像。其光源一般是镭射光，穿透光栅打在空间中会形成一种随机分布的激光散斑，随着距离不同图案也跟着变化。因此，空间每一个点的散斑都是不同的图案，这就相当于整个空间被做了标记，任何进入该空间的物体都可以被确切的记录下来。

基于光编码的三维重建技术具有精度高、速度快的特点。它利用激光测距的原理，搜索被测物体表面大量、密集的点的三维坐标信息和反射率信息，这些信息被称为三维点云数据。将各种实体或实景的三维点云数据完整地采集到电脑中，进而快速重建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。结合其他各领域的专业应用软件，还可对所采集的点云数据进行各种后处理应用。目前可用于三维重建的光编码传感器一般有三个摄像头，分别为彩色摄像头，红外线发射器和红外线摄影机所构成的 3D 结构光深度感应器。再配合驱动就可以将传感器和电脑连接起来，传感器采集完数据后经由电脑软件进行处理就得到了物体的三维模型，下面简单介绍一下重建的原理和过程。

普通的摄像机在获取图像的时候往往只能得到彩色图像，而基于光编码的传感器却能同时得到彩色信息和摄像头的深度信息。如微软的kinect，简单来说，它可以同时得到两幅图像，分别为彩色图像和深度图像，而深度图像直接反映出物体与深度摄像头之间的距离，这就为之后的坐标变换提供了极大的便利，为实现快速的三维重建打下了良好的基础。具体过程如下，首先利用深度发射器发出的近红外线对空间进行编码，然后由深度传感器器记录空间中的反射光线，经过处理后可以得到环境的深度信息。在深度信息的获取过程中，由于无法获取到深度信息的地方会产生一些噪声，比如图像静止时深度信息的一些抖动、边缘信息不稳定等现象。为了达到良好的重建效果需要对深度图像进行滤波操作。之后是坐标系之间的转换，坐标转换涉及了三个坐标系，分别为世界坐标系、摄像机坐标系和图像坐标系。首先根据深度信息直接得到物体到传感器的真实距离，由于标定过的摄像机可以看成针孔模型，因此根据三角形相似原理可以根据深度信息得到物体的三维坐标。进而得到物体彩色的三维点云数据，之后根据各种配准算法对点云数据进行配准，最后可以用点云库中的各种算法来处理并显示物体的模型。

在建模过程中最重要的是深度图像的滤波算法和点云数据的配准算法，对于滤波算法目前采用高斯滤波和中值滤波相结合的方法可以得到比较好的效果。配准算法的选择将直接影响到三维深度数据建模的精度，并且会影响重建的自动化程度，所以在进行三维重建的过程中，选择高效的点云数据配准算法是最关键的。目前可以采用精确的迭代最近点算法，当然在精确配准前要进行粗配准。经试验，用最近点迭代算法可以达到令人满意的效果。

3 在犯罪现场重建中的应用

所谓犯罪现场重建，就是利用犯罪现场的痕迹、一些关键物证的位置和状态，并对它们之间的相互关系进行分析，再结合所获取的相关客观事实，合以抽象模拟的方式，重新重建出犯罪现场当时发生的犯罪内容和犯罪过程，并对犯罪过程进行分析的侦查活动。其包括犯罪场景的重建和犯罪过程的重现两个方面。下面具体介绍一下基于光编码的三维重建技术在这两个方面的应用前景。

3.1犯罪场景的重建

在犯罪场景的重建方面，对于各种刑事案件来说，勘查现场是公安机关首先要解决的问题，这对于案件侦破来说也是最关键的过程。勘查现场是为了解案件现场的基本情况，寻找相关的证据和线索。目前，公安机关获取犯罪案件现场信息的主要途径有：现场检查、信息存储、痕迹提取等，在这些传统的方法中，现场勘查的效果往往取决于勘查人员的个人工作经验。而且这种现场勘察的方法工作繁琐、强度大、效率低，特别是其自动化程度不高。这就使现场资料的存储、和检索变得非常困难，特别是在侦破案件的过程中，如果发现遗漏了比一些重要的痕迹物证也无法及时弥补。因此，在案件的现场勘察过程中，公安工作者面临的现实问题就是如何全面地收集现场信息和数据，杜绝信息遗漏，保证最终重建和还原的犯罪场景最大限度地贴近现实情况。

现在有关获取案件现场的三维技术已经有了一定的基础，目前应用最广泛的是三维全景技术。所谓的三维全景技术一般是用鱼眼相机在现场拍摄覆盖现场的多张连续照片，然后通过软件处理后能得到360度完整范围的全景。但在警务实战中的应用有一定的局限性，会在不同程度上影响办案效率。首先三维全景技术对细节的处理不够细致，许多非常重要的证据采集不到。其次，在取景的时候有一定的限制，如果现场有障碍物，得到全景图的效果就会比较差，这样就无法真实的获取现场数据。

基于光编码的三维重建技术则有效地避免了以上的各种缺陷。它可以快速地对犯罪现场进行扫描从而得到所需要的三维点云数据，而点云数据能真实的还原当时的现场，其包含了对象物体的反射率信息和空间尺寸信息，如果利用高分辨率的数码相机，就可以逼真地得到对象物体的纹理和彩色信息。利用点云数据可以方便的得到所需要的犯罪现场的各种测绘图件。根据现场的点云数据进行三维建模从而得到犯罪现场的虚拟场景，公安机关可以根据需要随时勘查犯罪现场，从而达到永久保留现场的目的。

对重点区域的场景进行提前重建，能在预防重点区域犯罪中起到很重要的作用。每个城市都有一些案发率较高的重点区域，尤其是在举办一些大型活动的时候，犯罪分子在作案之前往往会破坏现场的监控和其他的防范设施，这样就给公安机关的破案带来很大的麻烦。因此针对这些重点区域的安全防范措施就显得尤为重要。基于光编码的三维重建技术可以我们可以提前对这些重点区域进行考察，搞清现场重要建筑的地理位置和有关重要出入口的情况。从而重建出现场的三维模型，通过对模型中各个部分和之前犯罪情况的分析可以预测出最容易发生突发情况的位置，进而根据实际需要增加具体的防范设施，在不同的重点位置安装相应功能的设备，有计划的针对可能出现的情况进行部署，这样就对突发事件的发生起到了很好的预防作用，就算出现犯罪情况也可以帮助公安机关迅速破案。

3.2犯罪过程的重现

在犯罪过程的重现方面，目的是对整个犯罪的具体过程进行重新的演绎、推理和判断。在侦查现场的时候侦查人员偶尔会忽略一些不重要的细节，通过重现犯罪过程，公安机关可以从多角度进行观察和分析，挖掘出犯罪过程中的那些可能被忽略的证据，从而可以为快速破案打下良好的基础。在之前的办案过程中都是根据照片、文档、媒体等资料来进行重现，不能给人三维的立体感觉，有时还会导致意见不统一，这有时会严重影响案件的侦破效率。而基于光编码的三维重建技术则能利用点云数据生成具有立体感的逼真三维虚拟场景，在此基础上可以增加人机交互技术的应用，根据犯罪现场的具体情况加入所需要的声音、物体、人物等各种因素，通过人机交互，利用鼠标和键盘来控制模型从而达到重现犯罪过程的目的。这可以帮助公安机关更加直观地从中获取各种信息，仿佛置身于犯罪现场之中，可以对当时的犯罪情景进行全方位的推理、判断和综合，从而快速掌握案情并采取相应措施。

为了使犯罪过程更加真实生动的重现，可以将重建出的三维模型和案件过程的动态反演技术相结合，目前国内公安机关对动态反演技术开发和使用的重视程度还不高，还未将其广泛的应用于公安侦查工作中，基于光编码的三维重建为动态反演技术创造了一个很好的场景平台，在真实的犯罪场景中加入以节点技术为基础的人物、工具等在犯罪过程中可能出现的事物，根据犯罪过程有目的的控制人物运动，通过简单快捷的操作，在较短时间内对案件可能发生的多种过程创建反演，帮助侦查人员进一步认识案件 ，从而为科学办案提供巨大帮助。

此外，在犯罪过程重现的同时，为了解物与物之间的距离、位置、空间关系，免不了要对现场中关键地点进行三维测量。由于三维场景是由点云数据形成的，因此可以直接对长度、高度、以及区域的面积进行测量，测量过程即简单又快速。通过三维测量可以获得所需要的破案信息，为之后的侦查提供便利。

4 结束语

本文简单介绍了基于光编码的三维重建技术，并详细论述了其在犯罪现场重建中的应用前景。在以后的应用过程中需要解决的是如何与其他技术的有效结合问题，比如如何实现与数字视频技术、激光雷达技术、等现有技术及现有公安业务信息的有效结合，来进一步丰富警务三维应用系统的功能，使其更贴近实战的需要。

随着公安改革的不断深化，各种高新技术会越来越多的应用于基层公安工作中。目前，基于光编码技术的三维重建在犯罪现场重建中的应用正处于起步阶段，在公安实战的应用上还要继续试验和完善。但作为一项能应用于犯罪现场重建等多个方面的新技术，有很大的应用潜力，并且随着公安智能信息化的不断发展，一定会得到更加广泛的应用。

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