基于图形渲染的犯罪现场虚拟重建研究

廖广军， 付慧基

(1.广东警官学院刑事技术系，广东广州 510320;2.广东佛山市公安局高明公安分局，广东佛山 510000)

0 引言

犯罪现场重建是法庭科学的重要研究领域。它旨在通过现场勘查和分析，把诸多抽象、孤立、无序的犯罪信息进行归纳、整理，尽可能再现构成现场的基本实体要素，理顺结构关系，确定犯罪实施过程中的行为和事件，是分析复杂疑难案件的重要方法［1］。该理论引起了国内外的广泛关注。W.Jerry Chisum，Brent E.Turvey在《Crime Reconstruction》中阐述了现场重建的历史、实践标准、证据动态变化等［2］。知名鉴识专家李昌钰博士在文献［3］中提到现场重建的流程、方法以及注意事项。以前在该领域的研究大多集中在理论阐述、流程、分类、司法应用等方面，对于科学、客观、量化的展示手段和方法缺乏研究。

近年来，随着三维采集技术、虚拟仿真技术的发展，将虚拟现实相关技术引入到犯罪现场重建逐渐成为研究热点。国外在该领域大致分为:基于虚拟技术和人机交互技术，结合犯罪现场模拟仿真，分析不同人在该场景下的表现情况，主要应用于教育培训、预案研究等领域，相关文献如［4－6］等。将三维扫描技术直接引入到犯罪现场重建中，这种方案对真实、准确记录犯罪现场场景有天然优势，但是存在技术门槛较高、设备价格昂贵等情况［7］。以及利用现场图片结合虚拟漫游实现现场的展示［8］。总的说来，国外在该领域的研究远远领先于国内，国内仅有少数的研究者关注该领域研究。结合国内实际情况，开展该领域的研究是有必要的。

1 研究目标

如前所述，将虚拟现实相关技术与犯罪现场重建结合起来，已经有了分类研究，本文的研究目标是利用虚拟仿真手段实现犯罪现场的再现，进而为现场重建和案件分析研判提供科学、客观的技术手段。其突出意义表现在:案件分析人员可以在不直接接触现场的情况下，对现场进行直观的研判;可以实现现场条件的模拟分析，如光线变化等;可以进一步判断证言的真实性，虚拟场景可以得到永久性保留，可以随时验证核实有关现场发生情况证言的真实性和可靠程度。

在技术实现上，具体目标包括:基于图形渲染技术实现犯罪现场的虚拟重建;利用虚拟漫游技术实现犯罪现场的虚拟展示;结合虚拟物证管理技术，实现虚拟现场的物证展示和管理;通过虚拟条件模拟，为现场模拟分析提供思路。

2 基于图形渲染的犯罪现场虚拟重建

案件现场的虚拟重建包括利用三维扫描设备完整记录现场的三维数据信息或基于图像信息的重建。利用三维扫描设备记录三维信息存在设备价格高，需要专业人员处理后期数据等问题。基于图像信息的虚拟重建可分为基于图像渲染技术的虚拟重建和基于图形渲染技术的虚拟重建。

基于图像渲染的虚拟重建(简称图像法)，是以照相机采集的离散图像或摄像机采集的连续视频为数据基础，通过图像处理生成真实的全景图像，然后选择合适的空间模型组织为虚拟空间，用户通过前进、后退、环视、俯视、近看、远看等操作，实现全方位三维场景浏览。

基于图形渲染技术的虚拟浏览技术(简称建模法)，是以计算图形学和虚拟现实技术为基础，实现真实场景的抽象及浏览。首先在三维建模软件中，用多边形构造虚拟景观(如地形、建筑、实体、树木等)的三维几何模型，建立虚拟环境中的光线和材质模型，并进行纹理映射及参数设定，根据观察者的位置、光照、消隐信息，实时渲染绘制画面，实现真实场景的抽象，然后利用虚拟现实的人机交互技术实现图形化场景的交互浏览。建模法的浏览系统中的景观大多具有精确对应的几何模型，便于用户与虚拟场景中对象的交互，以及对虚拟对象的深度信息获取。仅从构建犯罪现场效果的角度来看，基于图像渲染技术要优于基于图形渲染技术。但是，图形渲染技术灵活性更大，有场景的模型信息，更能有效表达现场情况。考虑到犯罪现场条件模拟仿真等后续任务，本文选取基于图形渲染技术实现犯罪现场的虚拟重建。

为了提供有效的研判平台，仅仅利用基于图形渲染实现现场建模、渲染等还不足以全面展示现场情况，需结合虚拟空间漫游(Virtual space Navigation)技术对现场全面展示。该技术是指用户可以通过输入相关操作指令实现虚拟场景中的视觉变化，是基于全景图的视景绘制过程。所说的全景图是采集场景视觉信息的集合，是场景的一种表示模式。视景绘制是根据视点和视角方向对全景图进行重采样，通过实时运算将全景图的可见部分重投影到视平面上的过程。

如前所述，基于图形渲染的现场虚拟重建在现场条件模拟仿真分析方面有一定优势，能进一步验证证言真实性问题。可以在虚拟场景中，通过灯光参数等情况设置，简单实现现场情况分析，当然还可以进行延展应用。此外，在虚拟空间的物证管理可以通过现场直接拍摄物证，然后利用虚拟空间的热点交互方式实现物证和场景的融合。

3 虚拟重建的技术方法

3.1 基于图形渲染的虚拟场景制作

不同与基于图像渲染的场景获取方法，基于图形渲染的场景制作需要利用如3Dmax等建模软件实现全景图的制作，具体实现上包括数据采集、虚拟建模、贴图、灯光设置、渲染等多个步骤，流程图如图1所示。

数据采集是虚拟重建的基础性环节，必须保证数据采集的客观性和全面性，需要将现场数据和环境数据(现场有关的照片、建筑物平面图、重要物证规格参数等)全面记录下来。

虚拟建模是指完成数据采集后，使用3Dmax创建室内、外现场的墙体骨架，根据现场照片，创建出室内家具和受害人模型，值得一提的是，建立虚拟模型时尽量按照1∶1进行建模，以方便虚拟仿真实验的开展。

纹理贴图是指在建模完成后，根据现场具体的情况和所记录的照片对虚拟物体赋予表面材质或添加与案件有关的痕迹物证。

灯光是实现现场虚拟再现的重要条件，灯光设置包括灯光类型，灯光位置分布等。在案件研判时，可以通过参数设置模拟现场在不同光线条件下的视线情况。

渲染输出，使用3DS MAX中的Panorama全景图插件，可根据特定的视觉中心渲染输出球形、矩形、柱形等全景展开图，该图并不具备现场展示的效果，还需结合虚拟漫游技术，才能完整展示整个现场。

3.2 利用Pano2vr实现虚拟空间漫游

Pano2vr是一个全景图像转换应用软件，它以flash、网页等方式展示全景图，通过平面图管理，将整个虚拟现场直观的呈现在用户眼前，通过热点区域设置等实现物证管理。利用Pano2vr对3DSMAX输出得到的全景图进行转换处理，得到一个具备空间漫游功能的虚拟现场，用户只需使用普通网页浏览器即可查看该虚拟现场空间并实现相关漫游操作。

3.3 模拟案例展示

以下图2～图7展示基于图像渲染的模拟现场情况，其中图2、图3分别表示在不同光线条件下房间的情况。图4、图5显示了室外和室内的虚拟仿真情况。图6、图7显示了在虚拟场景中实现物证管理和展示。

图2 黄昏时场景

4 结论

本文围绕犯罪现场虚拟重建的问题展开论述，详细阐述了基于图形渲染技术的现场虚拟重建的方法，研究中有如下启示，并确定了今后的研究方向。

图3 夜晚灯光场景

图4 现场环境展示

图5 现场内部展示

图6 物证管理示意

(1)基于图形渲染技术的虚拟重建方法在现场条件仿真方面比基于图像渲染技术更为方便和直接，但是存在建模难度，渲染图像的逼真程度与渲染者水平的高低直接相关等客观因素，将基于图像渲染技术用于虚拟漫游，将基于图形渲染用于现场条件仿真，发挥两者的优势，将更有助于公安机关的应用。

图7 物证展示示意

(2)利用三维扫描设备实现现场三维数据的采集，在数据获取方面有明显的优势，随着设备成本的降低，将会逐步引入到公安工作中，如何将其获取现场物证的三维信息与现场虚拟场景结合起来将是有趣的课题。

(3)国外在案件的动态仿真、动态演示方面已经取得了一些研究成果，如何破解侦查实验的难题，结合动力学原理实现部分案情的动态仿真。

(4)现场海量场景和物证的数字化存储、管理。

［1］ 王富斌，魏克强.犯罪现场重建的科学认识［J］.湖南公安高等专科学校学报，2010(2)，22(1):123－125.

［2］ W.杰瑞.奇泽姆，布伦特.E.特维.犯罪重建(Crime Reconstruction)［M］.刘静坤，译.北京:中国人民公安大学出版社，2010.

［3］ 李昌钰.论犯罪现场重建［M］.吴中华，刘增全，译.北京:中国人民公安大学出版社，2002.

［4］ PARK A J，HWANG E，SPICER V，et al.Testing elderly People’s fear of crime using a virtual environment［C］∥Intelligence and Security Informatics Conference(EISIC)，2011:63－69.

［5］ PARK A J，SPICER V，GUTERRES M，et al.Testing perception of crime in a virtual environment［C］∥Intelligence and Security Informatics(ISI)，2010 IEEE International Conference on IEEE，2010:7－12.

［6］ KAVAKLI M.Training Simulations for Crime Risk Assessment［C］∥Information Technology Based Higher Education and Training，2006.ITHET06.7th International Conference on.IEEE，2006:203 －210.

［7］ SANSONI G，CATTANEO C，TREBESCHI M，et al.Scene-of-crime Analysis by a 3-Dimensional Optical Digitizer:A Useful Perspective for Forensic Science［J］.The American Journal of Forensic Medicine and Pathology，2011，32(3):280－286.

［8］ FENG N，WENGUANG J.Study of the key technologies for a virtual crime scenereconstruction System［C］∥Information Science and Engineering(ICTSE)，2010 Ind International Conference on.IEEE，2010:5433 －5436.