虚拟现实技术的公安应用现状与展望

2019-09-10沈郑燕

赤峰学院学报·自然科学版 2019年10期

沈郑燕

摘要：随着虚拟现实技术的发展，相关硬件设备和软件平台日渐完善，虚拟现实系统的数据获取、计算显示和人机交互部分的研究都呈现出多样化趋势，其应用也逐渐扩大到了公安领域，在刑事技术教育培训、案件侦查、科技成果展示等多方面提供了沉浸式的虚拟体验.但虚拟现实技术的公安应用仍处于起步阶段，人才储备不足，还存在技术瓶颈，公安院校及相关部门应加强技术推广和研发.5G时代即将到来，今后的虚拟现实技术会向移动化方向发展，交互体验更加真实，而光场技术会引领其向更高水平迈进，虚拟现实技术的公安应用将更加深入和广泛.

关键词：虚拟现实;公安应用;VR系统;沉浸式

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2019）10-0071-04

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种能够创建三维模拟环境，使用户沉浸于虚拟世界，进行体验或交互的综合性系统仿真技术.国外对于VR技术的研究起步较早，发展迅速，从游戏、电影等娱乐业到营销展示、工程设计、军事仿真、医疗模拟等诸多领域，开发了多种类型的应用系统，产生了巨大的经济和社会效益.国内对VR技术的研究虽起步较晚但势头强劲，2016年5月，中共中央、国务院发布《国家创新驱动发展战略纲要》，明确提出要加强虚拟现实技术的研究;2017年，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》将VR技术确定为人工智能领域的新兴产业.在这样的大背景下，国内虚拟现实技术在教育、传媒、医疗、军事等领域快速渗透，也逐渐应用到了公安领域.

1 虚拟现实技术研究概况

1.1 虚拟现实技术的发展

虚拟现实技术可追溯到20世纪60年代以前，除在一些文学作品中出现对虚拟现实的相关描述外，人们根据双目视差原理发明了立体观片器，观看由两张图像还原出的立体景象，其中一款View-Master立体观片器后期还被用来进行“虚拟旅游”[1];1929年，Edwin A. Link发明了Link Trainer飞行模拟器，飞行员能够通过交互操作体验飞行驾驶，二战期间，该模拟器被几乎所有参战国用于飞行员的辅助训练[2].20世纪60年代初，Morton L. Heilig引入多模态技术研制出了Sensorama[3]，使用户在摩托车驾驶体验中感受气味、立体声和震动等，被认为是最早的虚拟现实系统之一.1965年，计算机图形学之父Ivan E. Sutherland提出了所谓的“终极显示”，其超前的人机协作理念成为当下虚拟现实及增强现实技术的核心起源[4].此后，很多研究开始对虚拟现实技术进行探索，1985年，Jaron Z. Lanier参与创建了VPL公司，研制销售虚拟现实眼镜和手套，他首次提出了Virtual Reality一词，被认为是“虚拟现实之父”[5]，至此，虚拟现实的概念正式确立，各种商业化产品不断涌现，直到2016年，业内各大技术公司集中推出了品牌旗舰产品，线上线下资源进一步整合，VR技术进入了发展元年[6].到目前为止，VR技術产业链逐步趋于完善，美、日、韩及欧洲国家在VR硬件设备和软件平台方面都占据领先地位，主流的硬件设备包括VR成像设备、三维视觉显示设备及VR交互设备.成像设备方面，较为著名的包括Matterport Pro系列相机、Lytro光场相机、谷歌Jump VR摄像机平台[7].三维视觉显示设备中最为常见的是头戴式立体显示器，如Facebook旗下的Oculus Rift、索尼公司的Play Station VR、三星的Gear VR和Google的Cardboard等;交互设备除了传统的游戏手柄外，还包括VR手柄、数据手套[8]、手势控制器、全身动作捕捉、眼控和头部跟踪[9]、力反馈设备等.知名产品如Play Station Move手柄、Oculus Touch、Manus手套.软件平台方面，主要包括三维建模软件和交互式虚拟现实开发平台两大类，前者较为知名的如3ds MAX、Maya、Zbrush等，后者包括美国海军研究院开发的Delta 3D、法国的Virtools、荷兰的Quest3D、Presagis公司的系列虚拟现实建模与仿真软件等[10]，较为流行的开发平台还有Epic Games研发的UnrealEngine 4、丹麦的Unity3d等知名游戏开发引擎.国内的VR技术相关研发也逐渐显露头角，insta360 pro系列VR相机、Teche系列VR相机等相继推向市场;三维视觉显示设备方面，HTC Vive系列产品、小米VR一体机等表现不俗;中视典独立研发了具有完全自主知识产权的VR Platform （VRP），率先打破国外软件平台的垄断局面[10]，叠境数字致力于VR直播……

1.2 典型的虚拟现实系统

纵观国内外VR技术的发展，VR系统的关键组成包括数据获取部分、计算显示部分和人机交互部分，典型的VR系统主要构成如图1所示.数据获取部分一般通过三维建模和拍摄记录两种方式获得VR所需渲染的场景数据.其中，实现三维建模的方法主要包括几何绘制建模、真实图像建模和三维扫描建模，几何绘制建模借助专业软件，以几何图形构建为基础，通过材质贴图、灯光效果等得到逼真的场景[11];真实图像建模以拍摄得到的数码照片为基础，利用Reality Capture、Agisoft Photoscan等软件建立三维模型，理想情况下建模精度可达到厘米级[12-13];三维扫描建模使用三维扫描系统捕捉物体的空间数据，根据扫描范围不同可分为机载三维扫描系统、地面三维扫描系统和手持三维扫描系统[14-15].拍摄记录得到的场景是现实中存在的，效果更为真实，可以利用普通相机、全景相机或光场相机进行，普通相机拍摄的照片往往需要通过Pano2VR、PTGui等软件制作出全景图才可进一步利用;全景相机又大体分为普通全景相机和能记录深度信息的3D全景相机（如Facebook Surround 360 x24），加入深度信息制作出的VR场景，除上下左右方向外，场景前后的纵深感被凸显，用户可以获得6个自由度的空间体验;光场相机能够捕捉实际空间内的光线，通过还原任意位置和方向的光场信息，真正意义上实现VR现实场景漫游.计算显示部分以计算机或服务器为基础，在软件开发平台（如Unity3d）下导入三维模型或全景图，设计相关交互，即可导出进行显示，当然，多数全景相机可以利用配套软件来完成.导出显示时，按照体验方式不同可分为桌面式、头显式和投影式，桌面显示使用立体显示器和立体眼镜实现观看，沉浸感不强;沉浸式VR主要包括头显式和投影式，头显式利用HTC Vive等头戴式显示器创造相对独立的VR空间，而投影式则利用多面投影，包围形成真实的独立空间来展示虚拟场景，用户使用立体眼镜进行观看，具有代表性的投影式VR是洞穴状自动虚拟系统，如中视典的VR-Platform CAVE.在人机交互部分，较为常用的交互设备包括定位追踪传感器、VR手柄和数据手套等.

2 虚拟现实技术的公安应用

2.1 应用现状及优势

国外VR技术较早普及到了公安技术领域，瑞士苏黎世大学探索了对犯罪现场进行VR重建和法医损伤鉴定[16].澳大利亚维州警方的Glen Waverley培训学院通过VR技术模拟绑架或袭击等暴恐案件，训练警员的应对能力，以更好地打击恐怖主义活动[17].美国普渡大学西北分校、伊利诺伊大学芝加哥分校和视觉仿真创新中心于2018年共同研发成功了用于犯罪現场勘查的VR教学平台Crime by The Fives[18]，使用手柄交互，能够实现痕迹、物证的发现、固定和测量分析;美国还在法医科学中，尝试使用VR进行虚拟验尸.欧盟资助英国斯塔福德郡大学20万欧元，支持其研究将犯罪现场的证据以VR形式呈现在法官和律师面前.国内VR技术在公安教育培训中用于现场勘查[19]、案件侦查[20]、治安检查[21]、安全防范[22]、消防[23]和法医学研究[24]等，其中较为成熟的应用包括四川大学华西基础医学与法医学院研发的《人卫3D系统解剖学》VR版，可以全方位立体式展示人体结构，弥补了人体标本不足而无法给学生提供足够学习机会的遗憾;广州世峰数字科技为中国人民公安大学定制研发的警用刑侦勘查VR教学培训系统，用于现场勘查课程的实训教学.其他应用还包括公安科技成果VR展示[25]、VR射击训练、公安VR心理训练、法庭诉讼VR示证等等.

可以看出，VR技术目前在公安工作中主要应用于教育培训和演练，为培养现代化的公安警务人才，增强公安队伍的战斗能力提供技术支持.以现场勘查训练为例，多数公安院校的现场勘查训练缺乏模拟真实犯罪现场的环境，虽然部分院校建立有较完备的模拟街区，但可模拟的环境也十分有限，纵火案、爆炸案等难以进行模拟[26]，且受天气、场地的影响，有时训练不能正常进行;某些贵重器材台（套）数少，学生人均接触时间不长，而像尸体等往往无法逼真的模拟其姿态和伤情;虽然部分传统的虚拟现场勘查平台能够解决上述问题，但虚拟过程呈现扁平化，学生无法投入其中，训练效果仍不理想.而在引入虚拟现实技术后，这些问题都能迎刃而解，通过调动视觉、听觉、触觉等感官，在虚拟的复杂案件场景中，操作各种虚拟器材，沉浸式的体验整个现场勘查过程.因此，总结起来，VR技术在公安应用中的突出优势表现为：突破时空约束、不受其他资源限制和沉浸式的信息交互体验.

2.2 应用中存在的问题

2.2.1 应用深度、广度不够

VR应用集中于公安教育培训，应用面不广，其他方面的应用有待探索和发掘.从应用深度上来说，数据获取、计算显示和人机交互各方面都有涉及，但整体还不够完善和系统化，没有找到最适合的应用方法.以数据获取部分为例，对于公安应用来说，三维建模还是现阶段最好的选择.拍摄记录方面，虽然谷歌在2018年改装了GoPro Odyssey Jump相机平台，拍摄了多个VR光场视频，已经允许用户直接在70cm*70cm范围内移动观看，极大提升了沉浸体验感，但使用VR相机采集的照片构建VR环境的最大问题在于视角变换不自由、交互不灵活.而三维建模方法中，高精度的三维扫描建模设备价格昂贵，不易推广，在有遮挡物时扫描困难，公安应用最多的仍是几何绘制建模，几何绘制建模适合于不太复杂的模型，特别是包含强反射面或透明材质的模型，只要注重材质细节，可以达到照片级的渲染效果.但基于图像的建模效果十分逼真，且实验表明，对某些不包含过多细枝末节的复杂模型来说，该方法比几何绘制建模能节省时间，因此，在三维扫描建模设备普及之前，应多考虑几何绘制与图像相结合的方法，从计算显示和交互方式上来看，也应考虑更多样化的选择.当然，应用深度、广度不够与现阶段VR技术在公安工作中的应用还刚刚起步的现状是分不开的，随着技术的发展和经验积累，这一问题势必有所改善.

2.2.2 相关人才匮乏

行业内核心系统的开发多依赖于技术公司，自主研究不够深入，大多还处于对VR技术公安应用潜力、系统构成等层面的探讨[27-28]，技术人才储备严重匮乏.人才匮乏导致的问题主要有两方面：一是公安技术的保密性得不到保障.例如，VR技术可应用于包括现场勘查、现场重建等在内的公安教育培训中，相关技术流程是侦查破案的关键，若交付技术公司进行VR系统研发，存在一定安全风险.二是应用缺乏创新，多数技术公司的产品研发较为程式化，尽可能利用现有的成熟技术满足用户要求，技术革新相对滞后，某些应用效果不适应新时代公安工作的需求.

2.2.3 技术问题凸显

目前来说，VR技术的公安应用还存在诸多技术瓶颈.由于运动追踪对象有限，可交互点少，导致系统规模扩展困难，多是单兵应用，较多人参与并协同工作的VR系统还不多见;虚拟场景搭建效率较低，场景逼真程度与系统运算能力有关，精细的渲染会耗费大量时间，在计算机或服务器负担较重时，系统会产生延迟，从而破坏体验的沉浸感;交互设备方面虽然使用VR手柄、力反馈手套等已经能够操作虚拟物体，但与真实操作过程还存在差距，有待进一步提高;VR技术标准仍在完善之中，行业巨头成立的全球虚拟现实协会、VirtualLink联盟对VR技术、头戴式显示器兼容性等制定了标准，我国的虚拟现实头戴式显示设备通用规范联盟标准也于2017年正式发布[29]，但虚拟现实内容标准还未落地.

3 展望

今后，VR技术硬件设备上将不断向轻量型、可移动方向发展，且设备性价比会有所提高，国内拥有自主知识产权的软件平台也会不断涌现，VR技术市场将更加成熟，随之而来的，VR技术的公安应用也会越来越深入和广泛.除了公安教育培训外，VR技术有望真正用于实战，重建三维现场，进行VR现场分析和研判，利用VR技术开展相关侦查实验等.公安院校在VR技术应用中担负着培养人才的重任，可以通过第二课堂、大学生科技创新活动甚至增开课程的方式使学生了解、掌握VR技术，培养学生的学习兴趣和创新能力，为公安应用储备技术力量，从而推动行业发展.当然，随着新技术的出现，VR技术的公安应用也会更加灵活：

（1）5G+VR.一直困扰VR技术普及和移动化发展的难题在于数据传输和运算速度，高精度的渲染和实时显示极大地考验着用户的硬件设备，因此出现了一批云平台，将大量渲染任务放置于云端，以提高效率，而随着5G时代的到来，借助云计算，VR应用将有望成功转向移动端.2019年初，华为发布了5G云VR开发者指南[30]，并对部分功能进行了公测.在5G云VR架构下，VR技术的公安应用也会更加高效和便携.

（2）真实感交互.交互過程的真实感直接影响体验的沉浸感，以VR现场勘查中的手部交互为例，VR手柄和数据手套相比较，VR手柄使用按键执行预设定命令实现操作，而数据手套能够捕捉手部的具体动作，如抓握勘查工具等，部分带力反馈的手套能让人真实感受到虚拟工具的存在.2019年，鑫天视景即将发布带有真实力矩反馈的WISEGLOVE手套，会使对虚拟体操作的感受更接近真实，将来的人机交互必定会模糊现实与虚拟的区别.

（3）VR视频应用.经过不断改良和创新，光场技术会引领VR应用向更高水平迈进，VR视频中对视角和移动范围的限制会越来越小，最终使人们真正走进虚拟世界.公安工作也可以借助VR视频，在虚拟空间中复刻出可以随意走动观察的现实环境，为相关展示、分析和研判等服务.

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