基于VR技术的现场勘验实战模拟智能训练平台的设计与应用探讨＊

马元元 高尚 关珩 但青松 王昌正

1. 重庆市公安局 2. 重庆三原色数码科技有限公司

引言

打击犯罪与恐怖主义、保护人民公共安全，是我国重要国策。然而，目前公共安全形势日趋严峻，公共安全需求越来越高，需要强大的科技创新作为支撑。国家“十三五”公共安全科技创新专项规划中强调突破一批重大关键技术，其中包含“数据-模型-案例”耦合驱动的突发事件情景推演、研判与展示技术及仿真系统。

针对虚拟现实技术在刑事科学技术领域的应用研究，早在本世纪初已经开始，但未形成可推广应用的研究成果。最近数年，现场勘查实训教学的应用研究及民警现场勘查培训的应用研究仍在继续，但未形成实际可应用的产品。基于VR技术的现场勘验实战模拟智能训练平台的研究与应用，针对实际案件现场真实还原构建虚拟现场、虚拟现场勘查、痕迹物证提取、协同侦查与现场分析、基于大数据的勘验技能缺失分析等功能及现场勘验智能实战训练平台进行设计与应用探讨，其研究成果是刑侦实战部门与公安院校教学、训练与考核的实际迫切需要。

一、勘训VR虚拟勘验的基本原理

（一）虚拟勘验现场

勘训VR采用虚拟现实技术，构建虚拟空间时真实还原实际案件现场，使用户仿佛在真实案件现场进行勘验。虚拟现实是一个跨学科的综合技术，涉及计算机图形、计算机仿真、人机交互、传感技术、人工智能及计算机网络并行处理等多个领域，是一门具有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。利用计算机产生逼真的案件现场三维视、听、触感官，创建视觉、听觉、触觉等感官模拟的虚拟勘验现场，让受训者临其境，实时且无限制地发现提取三维虚拟现场的痕迹物证，使其沉浸于真实感官的案件虚拟现场中。

（二）虚拟勘验感官

采用虚拟现实技术模拟环境、感知与自然技能，通过计算机生成实时动态渲染的三维逼真现场，使其具备一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉，这些对虚拟勘验非常重要。自然技能通过三维交互设备，捕捉头部转动、眼睛及手势或其它人体行为动作，计算机处理人体动作数据，对人体动作作出实时响应，反馈到人体五官，使受训者感觉处在真实案件现场。

（三）虚拟勘验操作

虚拟现实也是一种计算机与思维科学相结合的技术，用自然方式与创建的虚拟环境进行交互，在虚拟空间进行现场勘验操作，改变传统训练中除非亲眼看见或亲身经历，只能间接认识模拟环境的模式，有效地扩展了认知手段和现勘思维。勘训VR不仅是一个展示的虚拟空间，还是一个虚拟现勘设计平台，以视觉形式产生一个适人化多维现勘数字空间，为创建、改变及利用虚拟现勘空间提供有效技术手段。

二、勘训VR平台的主要应用场景与特点

（一）平台组成

勘训VR平台的设计基于虚拟现实与大数据及人工智能技术，不仅提供VR训练场景，同时实时采集训练时操作数据，上传平台服务器，形成勘训大数据。如图1所示，平台由勘训VR设备、VR头盔、平台服务器、客户端等组成。勘训VR设备包含虚拟勘验现场、虚拟勘验工具库、虚拟痕迹物证库、勘验操作交互程序，平台服务器中含勘验数据库、大数据平台、考核系统、痕迹物证编辑系统，客户端分教官客户端、警员客户端及管理客户端。

（二）功能特点

现勘民警对刑事案件现场勘查流程及痕迹物证发现、固定、提取与现场分析等能力参差不齐，模拟现场勘验是提升勘验技能的有效途径，可快速提高现勘民警的技术水平、能力及勘查意识。然而，传统模拟勘验存在诸多弊端，勘训VR具有如下功能特点：

1. 节省人力、物力、财力和时间成本

以重庆市公安局为例，组织全市每轮次的模拟勘验比武，历时数天，组织和参训人员众多，需消耗大量人力、物力等。相比较，勘训VR可较大幅度节约人力、物力、财力和时间成本。

2. 不受勘验场地限制

重庆全市有42个分县局，参与侦技队伍庞大，每次组织模拟比武要多方协调找寻合适场地，通常外围现场考点设置受限。勘训VR不受场地限制，可在本单位参加全市考核或大比武。

3. 场景仿真度高

传统模拟训练现场布置仿真程度低，由于场景布置无法根除的某些因素，出现非考核设置痕迹物证，干扰受训者，无法使其沉浸式勘验，思维训练效果不佳。勘训VR场景仿真度高，受训者可在其中进行沉浸式勘验训练。

4. 避免考官主观判断

对勘验民警的评判，传统模式在一定程度上依靠现场考官的主观判断，难免评判上出现偏差，无法完整、准确的发现勘验民警的所有问题。勘训VR实时采集操作数据，系统客观、精准评判考核结果，避免考官主观判断。

（三）技术架构

如图2所示，勘训VR采用C/S（Client/Server）技术架构，分客户端与服务器端，主要包含如下几个方面技术。

1. 刑事案发现场建构技术

根据实际刑事案件建构虚拟现场，采用PBR（Physically Based Rendering）实时渲染技术，逼真写实地创建场景、工具、痕迹、物证等各种三维模型，如图3所示为受训者提供一个真实还原的虚拟现场。

2. 虚拟现场中痕迹物证可编辑技术

勘训VR需解决的另一关键技术是虚拟现场中痕迹物证动态可编辑技术。目前，VR虚拟场景是固定模式，制作完成后不再变化。为实现个性化与差异化训练，降低虚拟场景制作成本，提供同场景、可变化的实训虚拟现场，开发了场景可编辑技术，对场景中物体、痕迹物证等进行编辑。

3. 勘验实训沉浸式操作技术

目前，VR场景里很难模拟勘验操作，造成受训者体验不好。开发一套基于数据数套的勘验实训沉浸式操作技术，实现受训者在虚拟现场中与实际案件现场一样的操作方式，如图4所示，保证操作精准稳定。

4. 勘验结果自动评判技术

系统实时采集传统培训无法获取的受训者勘验操作数据，其中包含时间、位置、工具、痕迹、操作及结果。系统根据采集数据自动评判受训者操作流程与规范。同时形成勘验实训大数据，建立数据模型进行深度学习，诊断分析受训者技能缺失情况及其原因，提供改善建议，实现个性化、针对性训练。

5. 勘验操作回放技术

在虚拟现场，根据受训者的操作数据生成勘验操作回放视频，受训者对照查看，分析勘验操作出错原因。

6. 虚拟现场中嫌疑人行为重现技术

根据实际案情，通过虚拟现场中人物角色演绎，再现犯罪嫌疑人行动轨迹，多角度重建犯罪现场。为受训者检验自己的勘验思路和分析结果提供支撑，增强勘验人员对犯罪心理分析刻画能力，提高勘验技术水平。

（四）操作方式

1. 基础训练

在勘训VR设备上或在警员客户端（APP），受训者可观看勘验工具及实地勘验教学视频，掌握各种勘验工具原理及使用方法与勘验流程。同时，在勘训VR设备上可进行动作教学，佩戴VR设备进入教学虚拟场景，按教学步骤完成各种动作与操作。

2. 现场训练

勘训VR提供各种实际案件虚拟现场，其中包含室内命案、室外命案、入室盗窃、食堂投毒、爆炸案、重特大火灾等。受训者佩戴VR设备，进入虚拟现场，遵循公安部《公安机关办理刑事案件程序规定》及国家与行业规范，进行沉浸式现场实地勘验。

3. 多人勘验

多人通过网络可联机进入同一虚拟现场，按照规范流程进行协同勘验。在虚拟现场分工协作，包括现场指挥、现场保护、现场访问、现场侦查、痕迹物证提取、物证送检、大情报侦查等工作。

4. 教学模式

对非刑侦专业民警或警校学生，提供专业教学内容，在虚拟现场以实操的方式学习使用勘验工具及痕迹物证提取，掌握现场勘验规范流程。

5. 训练模式

受训者针对自己的短板，反复训练，直到熟练掌握相应勘验技能。系统记录训练过程，实时采集操作数据，统计分析受训者提升趋势。

6. 考核模式

教官在客户端进行痕迹物证编辑，设置考点分值。警员进入指定考核虚拟现场参加考核，在规定时间内完成所有考核内容。系统自动评判，生成考核成绩。

7. 训练考核结果

教官及警员可在其客户端（APP）查看考核成绩，教官可对每一个警员的考核结果进行评估，指出训练考核中存在的问题及改进建议。警员可查看考核成绩、教官评估建议与详细勘验操作记录，可观看操作回放视频与嫌疑人行为重现视频。

8. 勘训大数据

勘训VR平台实时采集受训者虚拟现场勘验操作数据，形成勘训大数据。通过对数据清洗挖掘，建立数据模型，对受训者技能缺失情况进行诊断，对受训者技能提升趋势进行分析。

（五）应用环境与条件

1. 基层部署

勘训VR部署在派出所等基层单位时，如图5所示，可单机使用，也可部署两套以上设备。单机使用时，需要10m2左右空间。如果部署两套以上设备，则需要20m2以上空间。勘训VR平台服务器可通过局域网与勘训VR设备连接，也可将设备通过公安专网与平台服务器连接。

2. 分局部署

分局部署时，如图6所示，勘训VR分局平台服务器部署在分局数据中心，勘训VR设备可安装在分局单位或分局基层单位，通过公安专网与勘训VR平台服务器连接。

3. 市局部署

市局部署时，如图7所示，勘训VR平台服务器部署在市局数据中心。同时，通过公安专网，各分局平台服务器与市局平台服务器连接，市局单位使用的勘训VR一体设备与市局平台服务器连接。

4. 战训基地部署

战训基地分市局与分局两个不同级别，如图8所示，勘训VR平台在战训基地部署时，其平台服务器可分别使用市局平台服务器或分局平台服务器，也可独立部署战训基地平台服务器。部署时，根据其级别设置在市局数据中心或分局数据中心。战训基地的勘训数据根据战训基地需要可与市局或分局勘训数据整合。

5. 警校部署

警校部署与实战部门有比较大差异，如图9所示，勘训VR设备可集中部署在某个学院实验室或分散部署在不同学院实验室，其平台服务器不分层级，可分别部署在学院，也可集中部署在警校数据中心。

（六）应用方向

1. 技能训练

在基层单位，勘训VR可以用于日常训练，帮助基层民警提高现场勘验基础技能。根据单位或个人需要，可以选择不同类型刑事案件场景，针对勘查流程中的不同环节，进行反复训练，提高对勘验流程的认识及刑侦专业技能与现场分析能力。平台实时采集训练数据，对受训者综合能力进行评估，受训者可随时查看其结果，在缺失的技能上进行针对性训练。

2. 集中训练

勘训VR可用于基层单或以分局为单位的集中培训，教官编辑考题，设置考点分值，规定训练考核时长。在同一时间，所有参加集中训练的人从所在单位同时进入指定案发场景，按照考核要求开始训练，教官可远程实时观看训练进展及考核情况。训练结束时，系统生成考核成绩，大数据平台对考核成绩进行统计分析。单位领导可立即查看考核结果，参加训练的每一个人可查看自己的考核成绩。

3. 全市大比武

在全市范围，勘训VR可用于年度大比武，所有参加者可以在自己单位或在指定场所参加大比武。大比武时，同时进入大比武勘验现场，参加大比武勘验考核。市局领导及各分局领导可在中控室，实时观察各单位及指定场所的大比武进展情况。

4. 警院学生实战教学

在警院中，勘训VR可用于学生勘验实践教学，老师带领学生一同进入勘验虚拟现场，进行沉浸式现场勘查教学。老师一边示范，一边讲解。学生一边观看老师示范，一边进行实际操作。学生可在系统配置的教学模式下，一边观看教学内容，一边进行实际操作练习。

5. 刑侦专家技术交流

针对全国性大案或疑难案件，勘训VR提供一种有效的技术手段，刑侦专家从所在单位进入案件虚拟现场，与从各地进入现场的刑侦技术人员进行沉浸式现场勘查技术交流，专家一边示范、分析、讲解，其他技术人员一边身临其境进行思考，理解专家讲解内容，学习掌握专家刑侦思维方式，提高大案及疑难案件的实际勘验水平。

6. 战训基地实况演练

在战训基地，勘训VR可用于展示各种类型案件现场勘查实战训练，参观者进入虚拟现场，身临其境体验案发虚拟现场及在其中的勘查操作。同时展厅可与各单位勘训VR设备联机，进行协同勘验训练，展示网络化协同勘验平台跨越时空的实战训练。

7. 刑事案件快速侦破

在实际发生刑事案件侦查中，对于案件快速侦破，将来勘训VR可发挥作用。通过专业3D扫描设备，对案发现场进行扫描，生成点云数据，再对案发现场痕迹进行拍照提取。在此基础上，进行虚拟现场快速建模与搭建，并真实还原案发现场。刑侦技术人员与刑侦专家进入搭建的案发现场进行协同勘查，为案件快速侦破提供身临其境的技术手段。

三、国内外同类研究成果的比较分析

勘训VR将VR技术应用到刑侦勘验领域，实现了虚拟现场沉浸式实地勘验、痕迹物证可编辑、勘训数据实时采集、勘验操作回放、嫌疑人行为重现、系统自动评判，实现了突破与创新，拥有自主知识产权，技术国内外领先，与国内外同类研究成果相比，在如下几个方面，其实战性、实用性和创新性有明显优势。

1. 现场勘验模式创新

采用VR技术构建虚拟现场及痕迹物证，所有场景均是实际典型犯罪现场的真实还原，受训者在虚拟现场中身临其境进行沉浸式实地勘验。

2. 勘验实训考核网络化创新

勘训VR平台创建虚拟场景库、痕迹物证库、训练考核库等资源，受训者不需长途跋涉参加集中训练，可超越时空在所在单位通过网络参加或组织各种勘验训练与考核，实现勘验实训考核网络化。

3. 勘验技能纠错模式创新

考官不需跟踪式观察，勘验训练结束后，系统自动评判，形成考核成绩，生成勘验操作回放视频，重现嫌疑人行动轨迹。受训者对照观看，直观地找出自己操作中存在的问题，实现受训者勘验技能自主纠错新模式。

4. 勘验实训考核智能化创新

系统实时采集传统培训无法获取的所有受训者勘验操作数据，形成勘验实训大数据，所有受训者训练及考核数据上传平台服务器，实现勘验实训考核智能化，将考核结果传输至综合管理比对子系统，建立个人档案，为人员精细化管理提供依据。

四、实战成效分析

勘训VR平台已用于实战训练共计1000余人次。如图10所示，在实际应用过程中提升了现勘人员勘验技能及规范意识，大幅度降低了实地模拟现勘实训组织者和受训者的劳动强度，在节约人力、物力、财力与时间等方面效果显著。现场勘验实战模拟智能训练平台的搭建，打破了传统训练方式，扩展了模拟训练范围，开创了实训新模式，实现了勘验实训的数据化、信息化、网络化、个性化和智能化。可用于个人技能训练、单位集中训练考核、警校学生实践教学、刑侦专家技术交流、战训基地演练等，满足刑侦技术部门及公安院校教学、培训与考核实际需要，在刑侦技术领域具有广阔应用前景，可在全国公安机关刑侦部门及院校推广应用。

勘训VR提供的实战训练，过程更加高效、评价更加客观，实施方式更加灵活，可根据受训者情况，布置不同场景，实现差异化、针对性训练。可跨越时空组织或参加训练与考核，规模从一个人到整个单位甚至全市或更大范围参加。平台拥有自主知识产权，已申请发明专利2项、实用新型专利1项（已授权）、外观设计专利2项（其中1项已授权），获2019年公安部刑事侦查局首届刑事技术“双十计划”攻关创新大赛银奖。

五、结语

经过近两年的深入研究与探讨，一种以新技术手段展示勘验实训新理念的平台初步形成。受训者佩戴VR头盔进入VR勘验虚拟现场，身临其境观察分析现场与案情。在虚拟实地勘验中，按照勘验规范流程进行勘验，使用各种虚拟勘验工具，发现痕迹、固定物证、提取痕迹、记录现场，实现了勘验实战训练要求的基本流程。在中期评审会上，专家对技术方向给予了肯定，这一成果是刑侦勘验领域迫切需要的新技术、新产品、新模式。勘训VR所建立的技术路线为刑侦技术人员及现勘民警提供一种身临其境并富有丰富想象空间与超越时空的勘验实战训练平台。

现阶段，VR技术还存在一些瓶颈，如在虚拟场景中有些操作稳定性与精准性欠缺、VR头盔设备过大等，影响用户体验。今后，VR技术将更加成熟，设备将向着小型化与多样化发展。在技术上继续实现突破，提高操作稳定性与准确性。同时，制作更多全国典型及重特大案件系列场景，特别是纵火、爆炸、暴恐等场景，充分发挥VR技术优势。在刑侦专业细节上进一步完善，所有勘验点做到更精准、细致，保证勘验操作的专业性，采集虚拟现场中受训者动作、操作、观察、分析等数据，形成更丰富的勘训大数据，对数据进行清洗，创建勘训神经网络，通过人工智能深度学习，训练技能诊断等数据模型，实现VR勘验实训平台智能化，在刑侦专业技术领域深入推广应用。