3D 技术在犯罪现场重建中的应用

陈 旭，张作山，张绍清

（1.云南警官学院，云南 昆明 650223；2.云南省公安厅刑侦总队，云南 昆明 650228）

科技进步对现代社会的各行业都有促进作用，其中就包括公安机关，在科技兴警浪潮中，公安队伍也利用新技术为社会稳定、安宁作出新贡献。科技兴警中重要的任务之一是将新的计算机技术引入公安的工作，提升公安实战能力、工作效率与节约警力资源[1]。其中，运用新技术熟练掌握对刑事案件现场进行调查的能力与掌握复杂的现场勘查重建和还原能力是一项相当艰巨的任务，3D 技术就可以通过对多样变化、复杂的犯罪环境中种类繁多的犯罪物证调查的结果进行重建，可以立体化、可视化地还原犯罪现场。

一、3D 重建现场技术可以帮助犯罪现场重建

犯罪现场重建（Crime Scene Reconstruction）一直是公安技术聚焦的研究热点之一，在刑事案件侦查和法庭诉讼中都有广泛的应用，对获取关键破案线索和形成证据链的意义重大。犯罪现场重建是指根据犯罪现场收集到的证据，例如，犯罪地点的生物信息、现场痕迹的位置、物证的现状及各个物证之间的关系，结合物理证据的实验室测试结论、所有与之相关的客观事实，在逻辑上以图像或物理模拟的形式进行整合，重建犯罪现场的犯罪内容和犯罪过程，以查明犯罪分子的个人特征和犯罪条件的侦查活动[2][3][4]。

近年来，3D 扫描技术、数据建模和虚拟仿真技术在医学、农业、3D 打印、工业、矿采测量等领域都有广泛应用，通过三维软件建模、渲染技术，建立出种类众多的三维素材库，在各行各业发挥出了较多的作用[5][6][7][8][9]。特别是此类领先技术可用于恢复犯罪发生过程的模拟，重新还原犯罪模式，也为公安工作中教学科研与实战创造了新的机会，将犯罪过程还原与分析提升到一个全新的水平，并应用于案件论证、验证、修复和物证痕迹研究等一系列关键工作。目前在公安院校的教学科研工作和实战部门民警都因不断变化的犯罪形式，对现场勘查后重建的方式有了新的认识和调整。3D 技术作为近年来广泛应用的一种新兴技术，其在各个领域都有广泛的应用基础。

随着3D 技术应用研究的不断拓展，在公安队伍打击犯罪分子领域作用日渐凸显，包括3D扫描技术、虚拟仿真技术等，已经广泛应用于犯罪现场勘查中物证保护、修复、标注、存储以及验证等工作。对刑事科学技术人员犯罪现场勘查工作来说，3D 技术能够为案件重建过程提供有效的技术支持，不仅能够进一步提升犯罪现场勘查能力、勘查的质量，还能让犯罪现场真正“走”出原地，长期保存并展现犯罪现场打击犯罪分子方面的价值。3D 重建工具根据犯罪现场客观保留的物证信息重建犯罪活动，近期国内外3D 技术应用于可视化重建勘查现场的热点研究[10]，作为调查中的补充工具，同时可向法庭上控方揭示犯罪内容和犯罪过程，科学、完整、严谨地通过犯罪现场重建，将痕迹物证和生物信息检材中的科学结论直观演示，得到清晰的犯罪现场重建三维立体图，该技术操作简便，不涉及到昂贵的设备和复杂操作的仪器，极易为一线刑事勘查技术人员所掌握和使用。

二、国内外3D 重建现场技术的研究动态

（一）国内研究现状

近年来，虽然传统刑事案件逐年减少，但是命案现场依旧是刑事技术人员工作的重点，现阶段3D技术尽管没有被广泛在实战部门使用，但是应用犯罪现场3D 技术来记录和精准还原刑事案件，已经成为一个重要的研究方向。近期，河南警察学院沈郑燕博士对3d Max 在犯罪现场重建中的应用做了全面论述研究，解决传统方法存在局限性的问题，提高信息的利用率和可视化效果[10]。公安部物证鉴定中心刘晋研究员和北京航空航天大学潘俊君教授共同对3D 激光扫描设备的分类和3D 激光扫描技术做了细致深入的研究，按犯罪现场的范围大小提出了不同的3D 重建技术，验证了将3D 激光扫描技术应用于大范围实战的优势[11]。南京警察学院李浩教授犯罪现场3D 重建与虚拟仿真结合的线上到线下（Online to Offline，O2O）混合实训教学模式进行了探讨，充分发挥网络与传统实训教学方式的优势，使实训课程更为贴近实战需求，学生在实践中更好地培养现场勘查能力与专业技能[12]。中国人民公安大学王震硕士重建以视频信息为主线，综合运用时间链条、视频模拟重建出动态的3D 犯罪现场[13]。云南警官学院刘璇教授根据现场勘查主体发生的变化，利用高科技了解嫌疑人犯罪新的方法和手段，现场勘查理念应该实现动态3D 空间的勘查，其中重要的一部分就是通过3D 技术还原现场，会诊分析案件[14]。国内3D 技术在犯罪现场重建过程中的研究应用已经取得了部分突破，为刑事技术发展提供了技术支持，但是现阶段在实战中的应用范围依旧不广泛、不充分以及技术手段单一。

（二）国外研究现状

国际社会在刑事技术中发展应用3D 技术也日新月异，希腊研究与技术基金会的George Galanakis 等研究者介绍了3D 数字化技术在预防犯罪、犯罪调查和执法机构教育中的重要意义，3D数字化技术在各种环境中进一步呈现出作用，包括户外、室内、大型公共区域的3D 扫描，重建出大面积的现场[15]。瑞士伯尔尼大学法医学研究所Ursula Buck 使用3D 方法重建虚拟事故或凶杀案犯罪现场，真实的颜色和比例对死者、事件现场和相关物品进行还原，使虚拟3D 还原进入虚拟事件现场，重建作案过程来证明或反驳嫌疑人的陈述[3]。澳大利亚阿德莱德南大学Carolin Reichherzer 与新西兰奥克兰环境科学研究所Dion Sheppard 等研究者合作对高精度3D 法庭审判期间使用沉浸式虚拟重建作为陪审员的辅助工具做了深入研究，证实了VR 可以提供一个有前途的解决方案，为无法进行现场访问的法庭提供3D 犯罪现场[16]。意大利那不勒斯坎帕尼亚大学实验医学系Alessandro Feola 也将数字3D 重建和法医调查技术相结合，用以验证动态的伤害过程，并为评估肇事者的责任提供重要信息[17]。马来西亚亚太大学Vinesh Thiruchelvam对构建3D 现场的性能可靠性和逼真效果进行了对比研究，采用Pix4D、Agisoft Metashape 和Sirv 三种软件对比研究，可以用Sirv 快速构建可靠、逼真的3D 场景[18]。乌克兰雅罗斯拉夫穆德里国立法律大学Hryhorenko,A 的研究说明独立的3D 重建概念在犯罪侦查方法及其调查中应用，重建作为一种建模方法在刑事案件系统中可以发挥巨大作用，犯罪重建作为一种特殊的方法调查犯罪[19]。澳大利亚新南威尔士警察学院Domenic Raneri 对法医调查犯罪现场的3D 成像技术重建做了系统的研究，国际上越来越多的执法机构正在继续采用该技术，证实了3D 成像在犯罪现场重建中的优势。3D 工作流程和后端制图技术的改进提高了调查人员的能力，同时缩短了办案时间，3D 成像数据发挥作用在记录犯罪现场和分析3D 空间内的证据方面发挥更大的作用[10]。美国爱荷华州机械工程系大学Richard Fafak 研究了血液滴直径、降低初始速度和发射角度相关轨迹的数值模拟，根据确定的图表给定的分布提出了一项新的调查犯罪现场重建工具，将血迹分布3D 还原[20]。美国警察在犯罪现场调查中正越来越多地使用3D 技术来基于重建的现场数据分析案件，3D 重建技术被用于准确描绘每个证据的关系，以便现场勘查人员在案件侦办中重建犯罪现场。特别在近年来法律系统对在法庭科学中逐步采用高科技证据，3D重建技术渐渐成为一种功能强大的调查工具。法院工作人员和陪审团成员不再单一通过摄影图像便可以看到物证位置准确的、功能多样的可视化效果，从而重建出犯罪现场并将复杂的证据置于案情中。

从国内外近几年的发展可以看出，简便灵活的3D 技术在公安教育工作、实战部门都在积极发展，为打击犯罪精准重建作案过程，对案件的侦办、资源节约、物证提取以及交流都提供了技术支持。

三、3D 重建现场技术的模拟应用

（一）案发中心现场房间重建

刑事犯罪分子利用日新月异的科学技术发展，犯罪手段更加复杂、犯罪场景多变，而精准有效的犯罪现场重建将为侦查破案提供强有力的支撑。犯罪现场的记录是物证种类多、数量大、光线变化以及环境变换的过程，传统的取证工具包括照相机、摄影机、比例尺和痕迹物证勘查箱等，是一个极其繁琐的过程，难以长期、稳定、完整地记录整个犯罪过程，在几个月后或者几年后开庭时物证保管与案件现场难以被准确地表述与传达给法庭，现场勘查人员收集证据的时间短，组织较多警力在现场工作一直充满挑战，不仅要快速完成现场勘查，确定侦查方向，还要寻找与法庭审判相关的关键物证，取证的复杂性不言而喻。结合犯罪现场痕迹物证、生物检材等勘查，将3D 技术应用于犯罪现场重建，利用其非接触性、实时、精确等优点，不仅可以保留犯罪现场的完整性，还可以快速精确地记录犯罪现场3D 信息，使案件过程清楚再现，法庭上的工作人员将能够重新在没有亲自到现场的情况下再次访问犯罪现场（见图1）。随着地理空间技术进入公安行业，采用Blender、3D sweet home、CorelDRAW 等软件重建犯罪现场，综合呈现模拟案发现场的平面图（a）和自然光下3D 图（b），以及为模拟特殊光照下现场图（c）的情景。调节光源位置、强度、角度、特定物体照射等参数，可以具体标注出案发过程中数量巨大、位置精准、原始状态的现场，特别是光照特殊环境、有助于还原案件最真实的状态。从图1 中可以看到，3D 重建技术是一种使用有条理的科学方法，可以通过重建的3D 场景将犯罪现场带入法庭。3D 重建技术可以将犯罪现场真实的物品数量、位置关系、作案后的空间位置分布等进行真实、客观地还原，帮助现场勘查人员分析收集到准确的作案工具及其尺寸、证据和特征等，并进行三维记录以便之后长期的复勘分析工作。

图1 模拟重建犯罪现场

通过快速采集现场的数据，3D 重建技术让现场勘查人员能够在较短时间内创建完整的、三维立体的、可视化的场景图像。精准重建出证据之间的空间位置关系对于侦查员判断案件性质非常重要，准确的证据位置和客观的犯罪环境是对案件办理客观公正的必要条件。3D 重建技术全面的重建弥补了传统取证工具数据信息不足以及现场记录繁琐困难的问题。随着法庭对高科技工具接受程度的提高，3D 重建技术可能会成为标准的法务实践[21]。

（二）枪击案件弹道重建

近年来，涉枪案件现场勘查的工作不断成为新的挑战。在枪击案件犯罪现场中，基本会留下涉案枪支击发后的弹头、弹壳、射击残留物及形成的枪弹痕迹。对现场枪弹痕迹进行分析，确定发射枪支种类、型号是枪击案件的重点工作，枪弹痕迹是重要的现场物证。犯罪现场的重建最重要的内容是基于痕迹物证的精确提取，根据足迹、指纹、射击残留物痕迹、弹着点、使用工具痕迹等综合分析重建，图2 是模拟现场遗留的击发弹头、弹壳、射击残留物，结合被射击衣物上的弹孔、射击残留物痕迹确定弹道的大致轨迹及射击距离等，判断出是击发1 发子弹，形成2 个伤口，2 个弹着点，存在2 次跳弹的现象。图中（a）是模拟现场的总概览，描述犯罪分子击发1 枚子弹，弹头贯穿受害者身体（b），击中地板，反弹到墙面形成2 次弹着点。根据射击痕迹和特殊的角度，可以推断出射击方向、高度、距离等参数（c），对弹头或披甲和钢芯的受力情况，以及它们对人体组织、地板砖、墙面等弹着物体的影响，通过穿透深度和径向穿透能力，弹着点纹理分布和应力应变分析，弹壳的痕迹特征可以了解枪支型号、射击初动能等，对枪案现场重建具有至关重要的作用。另外，根据血迹黏附物、枪支包装物的位置以及数量也可以用于辅助确定弹道、射击距离等，还是对犯罪嫌疑人DNA 提取并提起诉讼的重要证据。枪案的现场三维图，能很好地反映射击过程中涉及到的所有物体的细节特征，准确反映数量、距离、位置等物证关系。客观还原射击者、枪支、枪弹痕迹、被害人尸体、射击位置之间的距离、位置、方向等细节关系，为现场分析提供准确的数据，现场重建为法庭提供有力的物证。

图2 模拟重建犯罪现场射击图

在枪击案件现场的建筑物、陈设物和被射击的种种客体甚至人体上，常留有弹着点、射入口、射出口、弹孔、弹道等枪弹痕迹。在较近距离射击的物体上，常留有反映弹种和射击方向、射击角度、射击距离的弹孔和射击残留物。其中尸体上的弹孔是勘查的重点，火药颗粒、金属粉末以及黑褐色的烟熏等物质一般都会分布在弹孔周围，如果孔洞周围这些类型的残留物，可以提取具体的射击残留物进行理化检验，应对其特殊痕迹进行检验分析，判断枪弹信息。图3 是图2 中局部放大现场勘查痕迹的细节特征，现场遗留的关键两个弹着点，分析判断是两次射击形成，还是一次射击形成就是重建的关键。结合射击角度、法医检验结论（伤者贯穿口痕迹），以及第一弹着点射击受力方向，第二弹着点受力方向，结合弹道投影线，第二弹着点与墙面的夹角j1（b）、反射弹道与地面夹角j2 以及入射弹道与地面夹角j3、伤口贯穿路径与地面夹角j4，假使j1 与j2 之和为90°和j3 与j4 相等，那么就具有唯一性，合理推断是一次击发所形成的。现场弹头、弹壳数量、分布、弹道反向延长推断射击位置以及真实状态。在实战中已经有通过弹道重建后，反向延长线寻找到较远距离（>100 米）的射击点位置，对射击点的勘查后判断出是蹲伏守候点，在射击点提取到弹壳、跳弹、足迹和口香糖等具有重要信息的新物证。将弹头、弹壳上的痕迹特征，通过放大镜、实体显微镜、比较显微镜、扫描电镜等放大影像仪器和相应的光照条件来发现和确定细微痕迹，使用读数显微镜、工具显微镜、天平、痕迹图像处理系统测量弹头、弹壳的痕迹以及质量等信息，来区分发射枪种，印证射击枪支，然后再根据勘查的痕迹检验确定射击枪支，并用3D 技术在数据空间中重建射击弹头、弹壳的痕迹、位置以及其他特殊痕迹等。3D 技术辅助判断出弹孔、弹着点、入射角度、方向、射出口对射击者人数、击发数量、击发距离、射击残留物分布以及对现场射击痕迹的分析与提取至关重要。

图3 模拟重建射击弹道示意图

（三）痕迹物证固定与犯罪过程刻画

枪击案件中关键的步骤是通过分析确定发射枪种，对射击弹头、弹壳的分析、提取、固定以及记录，是对案件性质、案件侦查起决定性作用的内容。因此，能通过3D 技术重建枪支类型、弹头种类及数量、在现场遗留部位，弹体高、材质、形态，阳线数量、直径、旋向、宽度、倾角以及弹壳数量、型号、外直径、缓冲孔形状等。图4a 是模拟重建了案件现场枪支类型，通过真实种类、尺寸、颜色和材质属性，在虚拟空间中根据实际比例重建出枪支。3D 技术可以结合痕迹检验技术方法，通过枪支、子弹、内外弹道等枪弹痕迹知识，对枪支发射后留在弹头、弹壳和目标物上的痕迹、射击残留物进行记录、固定以及储存，进而辅助分析锁定发射枪种、枪支，通过枪支判断并缩小侦查范围，进一步通过枪支锁定嫌疑人。在这个过程中，枪支弹夹内很有可能会有未击发子弹如图4b 所示，在上膛过程较大概率会遗留下犯罪分子的指纹痕迹，3D 技术也可以立体地固定真实案件中的指纹形状，对圆柱形的实际指纹进行固定和储存，在环形表面的指纹痕迹中还可能遗留下生物信息，也可对具体的生物信息进行进一步的固定。图4c、d 是对a 枪柄上紫外光和荧光背景下显示指纹的放大示意图，通过3D 技术可以再现犯罪现场中枪支的原始状态或者表面的痕迹物证，或生物检材的位置反应，有助于后续DNA 提取和痕迹物证鉴定。还可以确定射击距离，判明案件性质，从而达到揭露犯罪、证实犯罪的目的。

图4 模拟作案枪弹示意图

现场勘查中弹头、弹壳、枪支以及涉枪案件现场的重点物证，不仅要进行痕迹检验以及足迹提取、潜指纹显现等工作。还要进行射击残留物的提取，先后顺序十分重要，一般利用无损光学方法进行足迹、指纹的显现以及DNA、微量物证的发现。发现后对指纹等无损提取，无法达到鉴定要求的需要进一步显现的工作都应该在射击残留物提取后，进一步使用有损显现、固定和提取。提取工作更为细致的是，物体表面不仅需要进行射击残留物的提取，也需要进行DNA 等生物信息或者其它微量附着物的提取工作，因此提取物证数量巨大、提取顺序对结果也会造成巨大影响。在现场就可以实时根据勘查人员寻找、发现、固定和提取痕迹物证的顺序在3D 技术应用下进行详细标注，精准记录提取的顺序和提取种类、数量等信息，为公安实际工作中的困难寻求到一种解决的方法。图5 是通过3D 技术模拟作案现场，可以通过立体模式刻画犯罪现场遗留的足迹（可根据真实足迹贴入赤脚、穿袜、穿鞋形成的单个或成趟的足迹<血足迹>），结合犯罪现场遗留的足迹数量、方向、大小及鞋子特性进行分析，判断步幅步态特征具体参数，计算犯罪分子的身高、年龄、体态等特征。同样可以根据射击残留物分布和弹壳抛甩方向、距离等规律印证判断的射击点是否正确等。甚至根据犯罪分子足迹分布，从射击点到血迹中心在离开的路径可以被清晰地标注。通过血迹分布规律、进入路线、离开路线等重要物证分析作案时心理和作案手法，可以直观地再现作案过程。

图5 通过模拟足迹分析作案过程

3D 现场重建技术是一种简便、易于掌握和实用的技术。公安工作中可以应用于记录、固定和保存犯罪现场的生物信息、现场痕迹的位置、物证的现状及各个物证之间的关系，以3D图像或动画模拟的形式重建犯罪内容和犯罪过程，为查明犯罪分子的个人特征和犯罪条件，以及重建作案过程来验证嫌疑人陈述的真实性，案事件发生后的案情分析和为侦查提供技术支持。同时，3D 现场重建技术为案件复勘、案情交流、长期积案的重建过程提供直观、简便的帮助，也避免了累赘复述的过程，缩短办案时间，节约警力资源。另外，3D 现场重建技术在模拟重建人物关系、黑夜白天等多种场景状态、作案过程分析、痕迹物证与生物检材位置、数量等原始状态，以及射击痕迹及残留物、弹道、足迹的细节特征进行固定与标注中发挥作用。甚至3D 现场重建技术对案件研判与分析，为侦查方向与法庭科学提供辅助说明方面更是越来越不可或缺。3D 现场重建技术在未来的发展中还可能与新兴的无人机技术、大数据建模、3D打印技术、人工智能、VR 技术相结合，为智能现场勘查提供一种新技术手段，使其更好地服务于公安实战和教学科研中。