基于Virtools技術的犯罪現場三維重建

朱福全，楊麗平，許 波

（1.四川警察學院 四川瀘州 646000；2.瀘縣公安局 四川瀘州 646000）

一、引言

傳統的犯罪現場重建主要通過現場筆錄、現場圖和現場照片等方式來保存和描述現場信息，缺少三維空間信息，使偵查人員缺乏對犯罪現場的直觀認識，容易受主觀因素的影響，給案情分析和案件偵破帶來困難。因此，如何有效地對犯罪現場進行全面客觀、形象直觀地重建已成為刑事科學技術的一個重要研究課題。

隨著虛擬現實技術的不斷發展和廣泛應用，利用計算機對犯罪現場進行三維重建成為現場重建的一條有效途徑，并逐漸受到國內外學者的關注。 2009年美國國家科學基金會（NSF）花140萬美元資助北卡州立大學設計開發IC-CRIME平臺[1]，該平臺使用3D激光掃描技術記錄空間和物體的維度，以及犯罪現場每項證據的位置，依靠Unity游戲引擎技術運行，允許用戶為犯罪假設創建腳本及真實場景，使刑偵人員及陪審團可以在虛擬世界中分享各自的犯罪假設。在國內，重慶市公安局研發了案發現場三維圖像重建系統[2]，該系統采用無縫拼接技術，將現場照片進行智能拼接，生成360度全景圖，能實現多角度的觀察，但該系統屬于“假三維”，交互性不強，應用受到限制。文獻[3]-[5]基于虛擬現實系統開發平臺實現了對犯罪現場的三維重建，但由于技術性太強，開發難度較大，實用性不高。另外，上述方法未就犯罪過程重建展開討論，這在很大程度上影響了現場重建在案情分析和案件偵破中的作用和意義。

針對上述方法存在的不足，本文提出了一種基于Virtools技術的犯罪現場重建方法。其采用3D+Virtools的開發思路，利用3D建模軟件進行模型構建，利用Virtools平臺對模型進行整合，并通過創建行為腳本重構出虛擬犯罪現場和犯罪行為過程。方法顯著的特點是不需要開發人員掌握相關程序語言和編程知識，開發難度小，實用性較高；同時，方法實現了犯罪過程的重建，增強了現場重建的效果。

二、Virtools技術及其特點

Virtools是由法國全球交互三維開發解決方案公司達索開發的游戲和虛擬現實開發平臺，其最大特點是采用直覺式圖形開發界面和直觀的圖形化程序接口，內建700多個的行為模塊（Building Blocks簡稱BB），除自身的3D/VR開發平臺Virtools Dev以外，還有網絡服務器Virtools Server、物理屬性模塊Physics Pack、人工智能模塊AI Pack、Xbox開發模塊和沉浸式平臺VR Pack等5個模塊。圖形化程序接口使開發人員只需拖曳行為模塊（BB）就可以輕松建構出復雜的三維互動應用程序，可同時滿足無程序背景的設計人員和高階程序設計師的需要，有效降低開發難度、縮短開發周期，已成為虛擬實驗、產品展示和三維漫游等虛擬現實系統開發的主要方法。

三、基于Virtools的犯罪現場重建

（一）重建模型。

根據犯罪現場重建的功能需求，其基本模型，如圖1所示.

圖1 犯罪現場重建模型

運行模塊是整個系統的核心，通過接口載入模型資源庫和音效資源庫中的模型文件和音效文件生成虛擬的犯罪現場；用戶通過漫游控制模塊控制虛擬攝像機實現對虛擬現場的漫游和觀察；通過行為控制模塊實現對犯罪行為過程的重現；重建犯罪現場需要提供多種漫游控制功能以方便偵查人員與虛擬場景進行交互，從而實現從不同的角度觀察和分析現場情況.現場物證是犯罪嫌疑人行為的作用結果，研究現場物證及其形成的過程有助于技術人員對物證的檢驗鑒定。現場勘查人員在現場勘查中對現場物證的初步分析往往基于技術人員的經驗，這些分析需要經過數據的測量運算和實驗結果來驗證，現實中由于受實驗環境、材料、觀察的角度等條件的制約，一些現場實驗無法多次重復進行或進行多角度觀察。但借助虛擬現實技術，技術人員可以通過虛擬的現場實驗環境，設置多種可能的參數，反復地進行試驗，多角度觀察整個物證形成的全過程，來驗證分析結果的準確性，這樣不僅使一些現場實驗變成了可能，而且大大降低了實驗的成本和風險，提高了實驗的可靠性和效率。痕跡物證往往隱含著許多豐富的信息，而這些信息往往又無法在三維模型中進行表現。物證管理的目的就是要實現對痕跡物證隱含的信息進行動態的顯示。

（二）犯罪過程重建。

重建犯罪現場，再現犯罪嫌疑人在現場的活動過程，不僅是現場勘查的目的之一，而且也是分析犯罪嫌疑人犯罪心理的重要依據。利用虛擬現實技術來進行現場重建，不僅一改傳統的以文字或圖片描述犯罪過程的形式，而且為用戶提供了全方位、多角度研究現場，審視現場勘查全過程的平臺。在重建過程中，將犯罪嫌疑人的行為按照現場分析的結果預先設定在現場中，研究者以第三者的角度從各角度旁觀案犯的作案過程，以驗證當初的分析結果.或預先設置好各個物證的空間位置，以研究者的主觀角度，去嘗試完成作案過程，這樣，研究者就更容易分析體會案犯的犯罪心理.犯罪過程的重建主要指根據案件的分析，對犯罪行為實施過程進行三維再現.犯罪行為的實施過程主要包括犯罪嫌疑人的犯罪行為過程，受害人在犯罪行為下的行為過程以及現場相關物證的運動過程，因此在犯罪過程的重建中，虛擬人的行為重建是關鍵。目前虛擬人的行為重建方法主要有關鍵幀法，基于運動學和逆向運動學的方法以及運動捕捉法等。但這些方法由于涉及復雜的計算，運算量較大，難以滿足實時性要求。考慮到犯罪過程重建是一個不斷修正的過程，為提高重建效率，本文基于重用性原則，采用了分層構建的思想進行重建。

（三）重建流程。

利用Virtools技術對犯罪現場進行三維重建主要包括數據采集、模型構建、場景組織和系統發布四個步驟，具體流程如圖2所示：

圖2 犯罪現場重建流程圖

1.數據采集。數據采集的目的是收集案發現場客觀環境和痕跡物證的信息，為模型的構建和場景的組織提供事實依據。與普通虛擬現實系統不同，犯罪現場重建要求重構出的虛擬犯罪現場能客觀、真實地反映原始犯罪現場，重建過程不能脫離實際現場，必須依賴于對原始現場的勘測、痕跡物證的檢驗與鑒定以及偵查活動等相關信息的記錄。數據采集對象主要包括現場環境、痕跡物證、犯罪主客體以及作案工具等客觀事物；采集內容包括采集對象的性質狀態、空間位置、尺寸大小、方位朝向等信息；采集方式可采用現場照相、現場繪圖、現場錄像以及文字記錄等形式。

2.模型構建。模型構建主要指根據數據采集階段采集的數據信息對現場環境中的客觀事物進行三維模型的構建，如房屋結構、家具、家電、生活用品、受害人、嫌疑人以及在作案過程中留下的作案工具、足印、指紋、血跡等痕跡物證。（1）實體模型的構建。（2）犯罪痕跡的重建。主要指指紋、足印、血跡等痕跡.與常見的幾何物體相比，這一類犯罪痕跡具有兩個顯著的特點：一是幾何表現極不規則且表面細節豐富；二是不能獨立存在，而必須依附于其它物體表面，如地面、墻面、桌面等，因此用傳統的幾何建模方法很難對其進行重建。為最大程度地還原犯罪痕跡的真實情況，本文主要采用了透明貼圖技術.即利用數碼相機獲取犯罪痕跡的原始圖片，然后利用圖像編輯軟件Photoshop從原始圖片中提取犯罪痕跡制作成透明紋理；最后為每個犯罪痕跡建立一個虛擬表面，并將制作好的透明紋理通過透明貼圖方式賦予虛擬表面之上。但需要注意的是：為減小視角差異，原始圖片的獲取應盡量沿垂直于犯罪痕跡所在平面的方向進行。

3.場景構建。場景組織是重建的關鍵。主要包括兩個方面：一是按照現場數據，利用Virtools提供的直覺式圖形開發界面通過鼠標執行平移、旋轉、縮放等基本操作對虛擬場景進行布置；二是根據用戶需要利用行為交互模塊（Building Blocks，BB）對場景進行交互功能設計，其中包括犯罪過程重建。（1）漫游設計。自動漫游是指用戶根據系統預先設定的軌跡和視角進行漫游的一種方式，主要用于展示犯罪現場情況.在自動漫游方式下，用戶不能自由控制攝像機的運動軌跡和觀察視角，因此設置自動漫游攝像機時需要注意以下四個問題：（1）要能展現犯罪現場的整體狀況；（2）要能全面展示現場所有痕跡和物證；（3）設置觀察角度要合適，并對重要物證要設置多個觀察角度；（4）設置攝像機的運動軌跡要合理，一般可按位置關系、時間順序或邏輯順序設置攝像機的運動軌跡。自主漫游是指通過用戶的輸入來控制攝像機的軌跡和視角以實現不同角度和方位的觀察虛擬環境。自主漫游的實現原理是：在虛擬環境中建立世界坐標系S，并為自主漫游攝像機建立局部坐標系s，則s的原點o在S下的坐標即為攝像機在虛擬犯罪現場中的空間位置，同時定義攝像機視角方向為z軸正方向，如圖3所示.理論上，攝像機可沿坐標系S的X、Y和Z三個坐標軸方向移動，同時也可圍繞局部坐標系s的x軸和y軸旋轉，因此攝像機具有五個自由度.但如果考慮攝像機只能在視角方向上移動，則可將自由度降低為三個，即圍繞x軸、y軸的旋轉和z軸方向的移動.本文采用了用W鍵和S鍵控制攝像機在視角方向（即z軸）上的移動，用鼠標控制攝像機視角方向的變化，即圍繞x軸和y軸的旋轉的聯合控制方式。當攝像機需要移動到指定位置時，首先通過鼠標將視角方向指向指定位置，然后通過鍵盤將攝像機移動到指定位置；當攝像機到達指定位置時，則只需移動鼠標即可將視點方向改變到指定方向。

4.系統發布。虛擬犯罪現場的發布有兩種方式：一是將場景文件以VMO格式進行保存，同時自動生成一份對應HTML文件；二是將場景文件打包生成獨立的可執行文件.前者在播放時需要安裝virtools專用播放插件Virtools Web Player，同時適合進行單機操作和網絡操作；后者在發布時需要將Virtools中相應。dll文件與licence文件一起發布，主要適用于單機操作。

四、應用實例

本文以某入室殺人案為例進行犯罪現場和犯罪過程的重建，其中關于模型構建和場景布置的實現過程在此不再贅述，下面主要描述行為重建、漫游設計和物證管理的主要實現過程。

（一）行為重建的實現。

根據對案發現場的分析，犯罪過程如下：

圖3 虛擬犯罪嫌疑人行為控制腳本

圖4 虛擬受害人行為控制腳本

（二）漫游設計的實現。

利用 Switch On Key模塊響應W鍵和S鍵的消息，通過Get Dir獲取攝像機視角方向，并利用Normalize等運算器將數據進行處理后傳到Translate模塊實現攝像機的移動；利用Mouse Waiter模塊響應按下左鍵并移動鼠標的消息，然后通過Get Mouse Displacement獲取鼠標在屏幕上的移動距離，同時利用Multiplicatio等運算器將鼠標移動的數據進行處理后傳到Rotate模塊實現視角方向的變化.實現腳本如圖4所示。

圖5 自主漫游攝像機腳本

（三）物證管理的實現。

1.建立物證管理陣列（Evidence Array）.Evidence Array包含物證索引、物證圖片地址和物證說明。物證索引為數值型，用于檢索虛擬現場中物證模型；物證圖片地址為字符型，用于存儲現場照片地址；物證描述為字符型，用于存儲物證的相關描述和說明。（2）創建兩個二維幀Evidence Shows Frame和Evidence Description Frame，分別用于顯示物證照片和物證描述。（3）利用BBs建立物證模型、物證管理陣列和二維幀之間的關聯。即首先為每個物證模型創建唯一的索引號，并添加Switch On Message模塊響應左鍵雙擊消息，同時添加Send Message模塊將索引號發送到二維幀；然后為Evidence Shows Frame和Evidence Description Frame二維幀分別添加Switch On Message模塊接收信息，并根據索引號讀取陣列Evidence Array中的物證圖片地址和物證說明進行顯示。圖6為二維幀Evidence Shows Frame的腳本內容。

圖6 二維幀Evidence Shows Frame腳本

（四）重建效果。

圖7 現場重建效果圖

圖8 犯罪過程重建效果圖

圖6展示了從不同位置和角度觀察虛擬犯罪現場的靜態效果圖，其中左圖展示了虛擬犯罪現場的整體情況；右圖展示了近距離觀察受害人的情況。圖7是犯罪過程重建的效果截圖，其中左圖展示的是虛擬嫌疑人敲門和虛擬受害人開門的過程，右圖為嫌疑人殺害受害人的過程。

五、結語

利用計算機對犯罪現場進行三維重建不僅能夠提供對犯罪現場直觀、形象的描述，而且能夠再現犯罪嫌疑人的犯罪過程，為分析犯罪心理提供重要依據，有助于偵查人員認識和分析案件。此外，犯罪現場的三維重建還可以實現對犯罪現場的永久性保存，為案件的再研究提供方便。本文提出的基于Virtools技術的犯罪現場三維重建方法不僅能夠重建出逼真的犯罪現場環境，而且實現了對犯罪過程的重建。與現有方法相比，該方法不僅具有場景逼真、交互性強等特點，而且由于采用了圖形化程序接口技術，有效地降低了犯罪現場的重建難度，提高了重建效率，具有一定的實用性。

[1]http://www.smartertechnology.com/c/a/Technology -For-Change/ICCRIME -Brings-CrimeScene -Investigations-into-21st-Century．

[2]http://lnb.gansudaily.com.cn/system/2009/06/15/011134531.shtml．

[3]孫樹峰，顧君忠，鄭偉進.基于虛擬現實技術重構犯罪現場[J].上海公安高等專科學校學報，2003，（4）：41-43.

[4]劉 晶，查亞兵．基于虛擬現實技術的犯罪現場重建系統設計[J]．微計算機信息，2009，（7-3）：166-167．

[5]趙 雷，王靖亞，王斌君．TrueVision 3D技術在犯罪現場還原中的應用[J]．中國人民公安大學學報（自然科學版）2008，（2）：85-88．

[6]盧曉軍，李 眾，賀漢根．維修仿真中虛擬人動作數據庫的研究與實現[J]．計算機仿真，2006，（1）：187-190．