3D打印技術在立體足跡提取中的應用

歐陽常青 蔣 龍

（湖南警察學院刑事科學技術系，湖南 長沙410138）

現場足跡作為刑事案件物證之一，在打擊刑事犯罪中起著極為重要的作用，但立體足跡提取和檢驗的技術難度較大，其證據作用的發揮收到限制。立體足跡提取是立體足跡檢驗的基礎，制模法是提取立體足跡的一種重要方法。傳統的石膏制模法和硅橡膠制模法存在一些不可避免的弊端，如制模材料的不穩定性、操作的繁瑣性、提取失敗率高等，已無法滿足現代法制社會對證據條件日趨嚴格的要求。將先進的現代數字化技術和設備應用于現場立體足跡的提取，為立體足跡的提取提供高效、便捷、準確的技術方法，是公安機關刑事技術部門提高工作效率的重要發展方向。3D打印技術作為當前新型數字化技術的代表，可以克服傳統足跡制模法的弊端，為科技強警注入了新鮮血液。

1 3D打印技術概述

3D打印技術，是以計算機工程設計模型為藍本，通過軟件分層、離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積、黏結，最終疊加成型，制造實體產品。這與傳統制造業通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削的最終生產成品不同。3D打印將三維實體分為若干個二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產，大大降低了制造的復雜度。這種數字化制造模式不需要繁雜的工藝，不需要龐大的機床，不需要眾多的人力，直接從計算機圖形數據中便可生成任何形狀的產品，使生產制造得以向更廣的生產范圍延伸。

3D打印的原理是通過計算機輔助設計（CAD）或計算機動畫建模軟件建模，將建成的三維模型“切片”，組成逐層的截面數據，并把這些信息傳輸到3D打印機上，3D打印機將這些“切片”堆積起來，生成一個固態的固體模型。常見3D打印機類型有Inspire D290和Projet 660 Pro等。

3D打印耗材是3D打印技術的核心，直接決定了制造技術成型工藝、設備結構、成型品性能等。由于材料在物理形態，化學性能等方面的差別，形成了3D打印材料的多樣品種和3D打印不同成型方法。目前在國內被廣泛使用的3D打印耗材包括液態光敏樹脂、薄片材料、可燒結粉末材料、熱熔絲線、PC塑料、橡膠類材料、ABS樹脂等。

2 三維掃描系統

三維掃描是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體空間外形和結構及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在于能夠將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了相當方便快捷的手段。三維掃描技術能實現非接觸測量，且具有速度快、精度高的優點。而且其測量結果能直接與多種軟件接口，這使它在CAD、CAM、CIMS等技術應用日益普及的今天很受歡迎。在發達國家的制造業中，三維掃描儀作為一種快速的立體測量設備，因其測量速度快、精度高，非接觸，使用方便等優點而得到越來越多的應用。用三維掃描儀對手板、樣品、模型進行掃描，可以得到其立體尺寸數據，這些數據能直接與CAD/CAM軟件接口，在CAD系統中可以對數據進行調整、修補、再送到加工中心或快速成型設備上制造，可以極大的縮短產品制造周期。

2.1 Artec 3D三維掃描儀

Artec 3D三維掃描儀系統的技術是將特殊的光帶，以成一個視角的方式投射在物體表面，利用物體表面對光源造成扭曲的原理精準計算每個三維數據點的坐標。這些點可形成基本的小三角面然后可轉換成其它的格式。Artec 3D掃描儀附帶的處理軟件，將協助用戶輕松完成掃描工作及最終模型的生成，利用設備自帶的軟件能將三維模型導出各種主流文件格式：STL、OBJ、PLY、ORWRL，能輕松導入Z-Brush、Maya、Rapidform等操作軟件。

2.2 Artec studio 9掃描軟件

Artec studio 9掃描軟件是Artec 3D掃描儀自帶的軟件，可通過軟件的掃描視窗口實時查看到掃描儀的掃描狀態，及時對遺漏部位進行補充掃描，也可對掃描成型的物象進行360度旋轉查看，達到實際掃描效果后，可關閉Artec 3D掃描儀，對物象進行單獨加工，數據整合，具體操作包括“編輯”“擬合”“修理”“邊緣”“測量”“工具”等。

2.3 “STL”文件格式

STL(Stereo Lithography Interface Specification)格式是目前3D打印/增材制造設備使用的通用接口格式，是由美國3Dsystems公司于1988年制定的一個接口協議，是一種為3D打印/增材制造技術服務的三維圖形文件格式，目前已成為3D打印/增材制造的事實上的標準格式。

STL格式是存儲三維模型信息的一種簡單方法，它將復雜的數字模型以一系列的三維三角形面片來近似表達。STL模型是一種空間封閉的、有界的、正則的唯一表達物體的模型，具有點、線、面的幾何信息，能夠輸入給增材制造設備，用于快速制作實物樣品。隨著增材制造技術的發展和應用，STL文件格式也得到了各CAD/CAM軟件公司的廣泛支持。在醫學、自然科學和工程領域里，STL技術也得到了廣泛的應用。

利用三維掃描儀等三維數字化工具對物理原型進行多方位三維掃描，經過點云數據的預處理與優化，得到物體完整的三維數據模型，對該數據模型進行表面三角形小平面化處理，類似于有限元的網格劃分，即用許多空間三角形面片來逼近CAD模型，當三角形面片小到一定程度，其近似性可達到工程允許的精度范圍內，其數據文件稱為STL文件，可以直接輸入3D打印/增材制造設備，用于3D打印/增材制造。

3 利用3D打印技術提取立體足跡的方法

3.1 器材的準備

電腦與三維掃描儀必須配套使用，兩者通過數據線相連，因Artec 3D掃描儀無自配電源，需在220v供電環境下使用，使用時必須保證電源連接無誤，否則會有損掃描儀正常使用及使用壽命。通過實驗驗證，選擇ABS樹脂和液態光敏樹脂作為打印耗材來制作立體足跡模型，獲得較好的打印效果，其中INSPIRE D290打印機配用ABS耗材，ProJet 660pro打印機配用光敏樹脂耗材。

3.2 利用Artec 3D掃描儀掃描現場足跡影像

連接3D掃描儀電源，打開Artec studio 9掃描軟件界面，點擊界面“掃描”工具欄后，按下開關按鈕，這時掃描儀會出現閃爍的光束并伴有“嗞嗞”的響聲；移動掃描儀，將掃描儀至于沙地立體足跡的上方，從足跡前緣向后跟緩慢移動，同時查看電腦軟件的即視窗口，根據電腦成型的物象進行進一步補充掃描。整個掃描過程只需短短的30秒至1分鐘，完成掃描后關閉電源開關，拆除掃描儀。

3.3 物象數據的加工與整合

Artec 3D掃描儀生成的物象為STL文件格式，將數據導入ZBrush 4R6軟件，使用Z-Brush 4R6軟件的工具欄對3D掃描儀掃描的多余物象進行框選、刪除，只保留3D立體足跡的主體部分。數據加工完畢后，將新形成的物象數據導入Zedit軟件，功能強大的Zedit軟件能夠最快速便捷的將三維數據文件轉換為可供3D systems三維打印成型機使用的數據格式。數據整合完畢后，將數據傳輸給與3D打印機連接的電腦。

3.4 用3D打印機打印立體足跡模型

3.4.1 利用INSPIRE D290 3D打印機獲取模型

打開INSPIRE D290 3D打印機的物料倉，裝入ABS打印耗材，打開電腦數據接口，按下3D打印機的開關按鈕，待3D打印機啟動后，通過外部透明窗口查看打印噴頭運行情況，8小時候沙地立體足跡模型制作完畢。取出摸型，模型呈淺象牙色，有輕微毛糙感，表面光澤，重量較輕，特征反應明顯。對模型進行標注、編號、存檔。

3.4.2 利用ProJet 660pro 3D打印機獲取模型

打開ProJet 660pro 3D打印進的物料倉，裝入罐裝光敏樹脂打印耗材，常溫下，光敏樹脂為液態，設置3D打印機工作溫度和通風條件，打開電腦數據接口，啟動3D打印機，電腦界面會提示操作步驟，操作完成后電腦界面出現計時窗口和停止打印窗口。通過外部透明窗口觀察打印噴頭運行情況及物象成型狀態。3小時后，沙地立體足跡模型制作完畢。開啟外蓋，取出模型。模型色澤穩定，表面光滑無粗糙感，邊緣反應清晰，特征反應明顯。對模型進行標注、編號、存檔。

4 3D打印制模技術優勢

利用3D打印技術制作立體足跡模型大大地節省了現場勘驗檢查的時間，整個現場立體足跡掃描過程不超過1分鐘，加工整合可以在后期操作且數據及時保存，不受現場條件約束，能夠數據化還原現場，數據采集后可即時上傳與公安專網辦案系統進行資源共享，以便及時串并案件、遠程分析及查詢比對。3D打印技術作為一種新型的數字化制模技術，實現了非接觸式掃描，在提取現場足時不會對立體足跡產生人為破壞，不會因刑事技術操作不當而導致足跡發生變形或模型破損、斷裂等不良后果。相對傳統石膏制模，3D打印技術制作的足跡模型精致細膩，保存年限長，不易被破壞，能高精度的還原現場立體足跡特征，完整保留立體足跡的細節特征，減少了繁雜的操作步驟，提高了工作效率。同時也一定程度上提高了現場足跡在刑事案件偵破及刑事訴訟中的利用率。