案件場景全景拼接系統分析與設計

張璧瑩，卜凡亮

（中國人民公安大學信息技術與網絡安全學院，北京 102623）

0 引言

目前，案件現場資料的存放占用較大物理空間，偵查人員對案件進行系統性分析困難，而案件場景全景拼接系統是依托成熟的計算機技術結合案件場景信息所構建的應用型系統，方便存儲與分析案件現場的數據。偵查人員通過使用該系統，可快速將獲取的案件現場圖片進行全景圖拼接，方便靈活地查看案件現場情況。國內對三維場景重建的研究主要是針對一般的場景，對于刑事案件現場的研究還不是很多，國防科技大學肖力圍繞公安部門現場勘查工作的特點和需求，研究了基于IBR技術的犯罪案件現場虛擬重建方法，該方法集中研究了生成現場全景圖像的關鍵技術，但其未形成一個系統性的研究成果。

本文根據偵查人員對案件現場資料及其應用的需求，使用C++程序設計語言、MFC（Microsoft Foundation Classes）界面開發庫、OpenCV（Open Source Computer Vision Library）二維圖形開發工具和 OpenGL（Open Graphics Library）三維圖形開發工具，設計和開發出一套方便使用的案件場景全景拼接系統。

1 系統需求分析

1.1 系統功能需求

系統功能需求分析是整個系統設計的關鍵所在。為了設計出滿足用戶且實際可用的系統，一開始必須對系統功能的需求進行分析，這個過程的好壞決定了最終設計并實現的系統的優劣。本文設計的案件場景全景拼接系統為應用型系統，必須結合公安工作實踐，才能設計出一個便于上手，交互效果良好的系統。考慮到偵查人員對計算機的熟悉程度互不相同，對系統交互界面的要求是必須簡易且排列有序，偵查人員無需知道專業詞匯就能使用該系統。針對現場采集的照片分為正常照片與魚眼照片兩類現場圖片，可以將案件場景全景拼接系統分為以下幾個主要功能：

（1）圖像的讀取：通過外接接口，偵查人員可將案件現場采集的圖片數據傳遞至計算機中，該系統可讀取各種格式的圖片信息，并轉化成同一類型的數據進行后續處理。

（2）圖像的顯示：圖像的顯示功能包括讀取圖像的顯示和經處理后的圖像的顯示，通過圖像顯示功能，偵查人員可得知圖像處理后的效果。

（3）魚眼圖像的校正：針對現場采集的魚眼圖像，首先要進行魚眼圖像的校正，校正的效果決定了圖像拼接的效果。魚眼圖像的桶形畸變嚴重，利用不同的校正算法校正達到良好的拼接效果，盡可能保持圖像的垂直不變性。

（4）圖像特征點的檢測與匹配：為了使序列圖像間具有關聯性，需檢測待拼接圖像的特征點，根據檢測出的圖像特征點可得到特征點的描述信息，完成圖像間的匹配，最后得到匹配圖像間的轉換關系。

（5）圖像融合：根據得到的圖像間轉換關系，即轉換矩陣，對序列圖像的重疊部分進行圖像融合，得到平滑過渡的拼接圖像。

1.2 系統性能需求

系統性能需求是指系統在完成功能所耗費的時間、運行內存、空間占用大小等性能指標。一個優秀的系統必須在完成良好的功能時，不影響系統的其他功能或其他系統的使用。這些性能指標決定該系統是否適合投入到實踐中。本系統的性能需求主要有以下幾個方面：

（1）一組序列魚眼圖片（3張視角為180度的魚眼圖片，大小為2048×2048）拼接耗時不超過1分鐘；

（2）拼接出的全景圖片大小為2048×1204，占用磁盤空間內存不超過1M。

（3）全景圖像瀏覽功能達到人眼觀看流暢，不卡頓的效果。

2 系統平臺搭建

良好的交互界面意味著使用人員可快速上手使用系統，同時只有簡明易懂的交互界面才具有實用性。交互界面如圖1所示。利用MFC框架編程語言設計系統菜單欄并分割窗口，主窗口分割為資源區和視圖區兩部分。菜單欄用于選擇需要完成的相應功能，資源區用于放置相應功能對應的對話框，視圖區用于顯示圖像和全景圖三維瀏覽。根據系統的模塊設計相應的菜單欄選項，其中，模塊的層次化結構決定了菜單欄的層次結構，如圖1中的菜單欄中的魚眼校正項分為載入魚眼圖片、校正選項和圖片另存為選項，校正選項又細分為經度校正、雙經度校正和經緯矯正。本系統是基于單文檔編程設計實現的，窗口分割關鍵代碼如下：

其中，第一個條件語句的CreateStatic（）函數是將主窗口分為一行兩列，即兩個并列的窗口。設定分割窗口數量后需要設定窗口大小，后兩個條件語句的CreateView（）是將分割后的窗口與視圖進行綁定，左邊的資源區設定為總面積的1/4，右邊的視圖區設定為總面積的3/4。若未能分割成功或綁定成功，則返回FALSE。

圖1

3 系統運行結果及分析

圖2為全景圖像快速拼接顯示圖，為3張校正后的序列魚眼圖像拼接而成，3張魚眼圖像視角均為180度，圖像兩兩之間存在交叉重復區域，可拼接成全景圖像。資源區中顯示地是圖片快速拼接選項對話框，選擇圖像融合方法和圖片數量可進行圖像拼接，快速拼接后的圖像顯示在視圖區，同樣在圖片頂上有文字說明。

圖2

圖3為全景圖瀏覽顯示圖及案件信息載入對話框，在菜單欄中選擇全景顯示可360度瀏覽全景圖，再載入相應的案件信息，可整體分析案件的概況。其中圖2瀏覽全景圖時，視角轉換整體流暢，滿足系統性能要求。

圖3

4 結語

本文設計并實現了一個使用方便、功能多樣的案件場景全景拼接系統。隨著計算機技術的發展和不斷深入，公安信息化和數字化工作也開始進一步發展，案件現場重建技術的實現能減少傳統存儲案件信息的時間和空間需求，加強整個案件的系統性分析，二次開發下還可以在該系統中添加其他需要的功能，如添加物證信息等，這將給偵查人員帶來前所未有的便捷。

參考文獻：

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