基于软件的交互建模技术主要是根据犯罪现场的照片、平面图、测量数据等资料, 由专业人员利用Autodesk 3Ds Max^{[5, 18, 23, 24]}、Google Sketchup^[25]等三维建模软件完成犯罪现场的三维建模。许锋等利用Unreal 引擎提供的UnrealED编辑器建立了不同类型的房屋结构^[26]。朱福全等^[10]提出了基于纹理映射的犯罪现场中脚印、血迹、弹孔等痕迹的建模方法。该方法首先采用数码相机采集各类痕迹的数字图像, 然后利用Photoshop软件进行透明处理, 最后为每个痕迹建立虚拟表面并通过纹理贴图技术实现痕迹的描述。由于需要对犯罪现场中的每个物体进行建模, 使得该方法工作量大、速度慢、对软件操作人员的技术水平要求高。

为了克服上述问题, 基于模型库的三维建模技术成为一种有效的途径。该技术的关键是建立包含各类物体的三维模型数据库。王靖亚等提出了犯罪现场交互建模方法^[5]。首先, 利用3Ds Max软件制作各类三维模型, 并将其存储于三维模型数据库中。然后, 根据犯罪现场的测量数据从模型库中选择形状相似的三维模型并将其导入三维场景。用户交互地设置三维模型的摆放位置、模型尺寸和朝向。最后, 采用纹理贴图技术添加物证痕迹, 提高犯罪现场三维场景的真实感。Howard等提出一种依据犯罪现场真实照片和视频建立犯罪现场三维模型的方法^[18]。该方法首先从已经建立的三维模型库或互联网中获取犯罪现场中涉及的各类模型。然后, 通过纹理贴图、添加阴影、设置光源、选择光照模型等方法提高场景绘制的真实感。最后, 用户可以通过使用六自由度的鼠标和多通道立体投影实现犯罪现场的虚拟展示。Bevel 和Gardner提出一种利用室内场景设计软件和人物建模软件实现室内场景三维建模和犯罪过程模拟的方法^[27]。该方法首先依据犯罪现场的测量数据, 采用室内场景建模软件在平面空间中勾勒出房屋结构, 包括每个房间的长、宽、高, 家具的尺寸等。然后, 交互地从家具模型库中选择近似的家具三维模型并放置在相应位置。最后, 在三维场景绘制软件中添加虚拟观察视点实现犯罪现场三维场景的虚拟漫游。然而, 由于三维模型数据库中模型数量和种类有限, 且其通常与物证的几何形状并不完全一致, 使得该技术的应用仍存在局限。

不同于全景图生成技术, 基于图像的建模技术是针对不同角度采集的数字照片, 通过摄像机内外参数标定、稠密点云重建、三角剖分、三维模型处理等技术实现物体表面的三维建模^[28]。

Autodesk 123D catch是一款免费的基于图像的建模软件, 建模过程中用户只需将不同角度采集的图像提交至云端即可完成三维建模^[29]。iWitness 是一种基于图像的建模商业软件, 由于具有厘米级的建模精度, 已被广泛应用于交通事故现场的重建^[30]。

国内外研究者已经针对基于图像的建模技术开展了应用。Gibson等提出了一种半自动的室内犯罪场景三维建模方法用于犯罪过程的分析和模拟^[31]。该方法通过基于灭点的参数估计方法和针对基本图元的交互选择技术, 解决了形状规则物体的三维建模。Stephen等提出一种通过手持式立体摄像机实现犯罪现场建模的技术^[32]。该方法首先使用包括两个摄像头的彩色摄像机Bunblebee实现图像序列的采集。然后, 采用具有平移、旋转、和缩放不变性的SIFT算法实现图像特征的自动提取和对应; 采用同步定位与建图算法(Simultaneous localization and mapping)实现点云三维坐标(x, y, z)的计算; 采用基于体素的网格重建算法实现稠密点云的三角剖分。由于重建的三角模型包含孔洞和噪声数据, 进一步通过三角网格孔洞填充算法实现网格处理。最后, 通过选择合适的纹理和纹理映射技术实现高真实感三维建模。

人体全身数据的精确建模是犯罪现场三维建模的难点之一。Leipner等采用botscan多照相机系统和PhotoScan软件, 建立了人体全身快速三维建模系统, 有效解决了人体头发、眼睛的建模问题^[33]。建模过程中首先让建模对象站立在采集设备中间, 通过调整照相机的拍摄角度和参数确保能够拍摄到各个角度的人体图像。然后, 利用PhotoScan软件实现基于图像的建模。最后, 对重建的三维模型进行后期处理。该系统的优势是建立人体三维模型的同时能够获取真实感的纹理信息。

基于图像的三维建模技术能够根据多幅图像实现目标对象三维几何信息和纹理信息的计算。然而, 由于摄像机标定、图像特征的提取和对应、稠密点云计算等步骤的处理时间长、运算量大, 且计算中产生的误差会影响建模质量, 因此对形状复杂的物体或大尺寸场景建模时, 仍需对建模结果进行大量的后期处理。

三维扫描技术具有非接触、数据采集速度快、范围广、精度高等优势, 已被应用于三维模型和场景的建模。该技术的基本原理是由扫描设备向目标物体表面发射可见光（激光）, 然后再通过扫描设备的CCD镜头捕捉反射回来的激光, 最后采用脉冲测距(time-of-flight)或三角测距(triangulation-based)等方法计算物体表面顶点的三维坐标[34]。受到扫描设备扫描范围的限制, 需要将从不同角度扫描的多视深度图像进行配准、融合和三角剖分等处理才能实现物体的三维重建。目前, 常用的数据处理软件包括Polyworks、Geomagic studio、RapidForm等商业软件和Meshlab、CloudCompare等开源软件。

为了提高三维建模的质量, 国内外研究人员已经开展了犯罪现场三维扫描建模技术的研究和应用。蔡能斌等利用脉冲式地面三维激光扫描仪采集了犯罪现场的三维点云数据, 并采用AutoCAD软件和Point Cloud插件实现了犯罪现场场景的三维建模^[16]。针对犯罪现场中部分物证和受害人, Sansoni等利用Vivid 910三维激光扫描仪实现了犯罪现场中颅骨、受害人身体、血迹、弹孔等的三维高精度建模^[7]。该方法首先使用三维扫描仪从不同角度采集物证的深度图像, 然后利用Polyworks软件实现深度图像的配准、融合、三角剖分等处理。

针对三维激光扫描设备价格昂贵、不易应用推广的不足, Gonzalez-Jorge等提出了一种采用廉价的便携式深度传感器Microsoft Kinect实现犯罪现场三维建模的方法^[35]。该方法首先采用Kinect从不同角度采集犯罪现场的深度图像, 然后利用开源软件库Point cloud library实现点云数据的配准、融合、处理和平面、柱面、球面等基本图元的提取和表示。由于受到数据采集精度的制约, 模型细节质量仍有待提高。

综合考虑建模过程的操作复杂性、模型精度和完整性、技术普及性等方面的因素, 基于模型库的软件建模技术无需采集设备、易于使用, 但由于模型精度不高, 更适合犯罪过程的模拟和描述。基于图像的建模技术仅需要使用由数码相机采集的数字照片即可生成较精确的三维模型, 但由于其建模结果通常并不完整（特别是大尺寸场景）且包括大量无关数据和噪声, 因此需要进行大量的后期处理。三维扫描建模技术生成的模型精度最高、质量最好, 但由于需要使用昂贵的三维扫描设备, 使得该技术不易在各地公安机关推广。三种建模技术的优势和不足如表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 三种三维建模技术的比较 Table 1 Comparison among three kinds of 3D modeling techniques 技术 优势 不足 基于模型库的软件建模 无需专业设备、易于推广 模型数据量小, 易于进行犯罪现场实时模拟和网络在线展示 建模结果精度不高, 与实际场景差别大 针对不在模型库中的模型, 需根据现场测量数据和资料, 由具备模型设计和软件操作技能的建模人员完成, 建模时间长、难度大; 不能实现犯罪现场的精确测量 图像建模 建模精度较高, 与实际场景较为一致; 建模结果真实感强, 包含颜色信息; 仅需要使用普通照相机, 易于推广; 可对犯罪现场进行测量 对照片拍摄角度和质量、重叠区域等有要求; 建模结果通常不完整, 容易包含噪声和无关数据, 需进行大量后期处理; 运算量大、数据处理时间长 三维扫描建模 建模精度最高、与实际场景一致; 建模结果质量高; 数据采集和建模速度快; 可对犯罪现场进行测量 数据量大（百万、千万三角网格）、需要进行模型优化处理, 满足实时绘制的要求; 需要提高三维模型纹理质量; 设备昂贵、不易推广

表1 三种三维建模技术的比较 Table 1 Comparison among three kinds of 3D modeling techniques

由于犯罪现场场景复杂且对场景中建筑、物证、重要痕迹等的建模要求不同, 使得仅采用单一设备和建模技术难以满足要求。近年来综合多种建模技术开展犯罪现场三维建模已经成为发展趋势。犯罪现场勘查绘图软件（Crime zone software）实现了犯罪现场二维平面图的生成和三维场景的建模、测量、分析和展示^[36]。该软件可以导入三维扫描技术采集获得的犯罪现场三维场景, 并将其作为基础数据确保犯罪现场三维模型的准确性。可以从软件附加的三维模型库中选择所需的三维模型并交互地放置在犯罪现场三维场景中, 实现基于模型库的物证建模。该软件还提供了三维人体姿态编辑工具, 用户通过交互地调整人体关节位置和姿态, 实现不同姿态人体模型的建模。Colard等利用Sketchup软件建立房屋、家具等的三维模型, 然后根据医学影像数据实现人体骨骼的建模, 最后通过在三维场景中添加弹孔和受害人、嫌疑人的人物模型, 实现了弹道分析^[37]。Buck等利用多种设备实现犯罪现场、受害人及相关物证的三维建模方法, 并应用于室内枪击案件、交通事故的犯罪过程分析和模拟^[38]。该方法首先利用GOM TRITOP结构光扫描仪采集受害人表面皮肤和弹孔等痕迹的三维几何信息和纹理信息, 然后利用医学影像数据实现受害人身体内部结构的三维建模, 如骨骼、器官、皮肤、弹孔等。第三步, 使用莱卡地面三维激光扫描仪Leica Scan Station 2采集犯罪现场场景的三维点云, 并通过Cyclone软件实现点云的配准和融合。最后, 利用3Ds Max软件将基于结构光、基于医学影像数据建模获得的三维模型导入基于地面三维扫描仪获得的犯罪现场三维场景的对应位置, 实现犯罪现场的三维建模。