犯罪现场的场景种类复杂, 场景的范围大小各异。所以, 要有针对性地使用不同类型的三维扫描设备进行协同处理。从扫描范围看, 三维激光扫描仪一般分为三种类型：机载激光扫描仪(Airborne Laser Scanner)、地面激光扫描仪(Terrestrial Laser Scanner)、手持激光扫描仪(Hand-held Laser Scanner)。

机载激光扫描仪：装载在飞机上的激光发射器重复高速率（每秒几千次）地向目标物体发射激光束, 之后通过接收器监测被物体表面反射回来的激光脉冲, 然后计算机记录激光发射器发射出和接收到的激光脉冲之间的差异和返回激光束能量强度, 由这些数据就可以计算出飞机与目标物体之间的距离。测量过程如图1所示, 所有扫描的点都要在一个绝对坐标系中, 但飞机一直在运动, 所以还需要提供地面惯性系统(INS)、飞机的方向、飞机的位置(GPS获取)、激光束发射时的方向、发射时发射器的位置来计算每个扫描点在绝对坐标系中的坐标。在获取扫描的点云数据后, 处理软件自动对扫描场景进行三维重建。机载激光扫描仪的扫描范围大、扫描快速、扫描精度可达10 cm。三维扫描过程不易受光照和航高等参数影响, 扫描数据的处理由特定软件完成, 大大缩短了测量时间, 极大提高了航测的效率。对于范围大、环境复杂的犯罪场景, 如高铁事故现场、爆炸案现场, 可以使用机载激光扫描仪进行快速扫描和三维重建。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 机载激光三维扫描Fig.1 Airborne laser scanner

地面激光扫描仪：地面三维激光扫描仪的原理与机载三维激光扫描仪的原理相同, 不过需要固定在地面上工作, 如图2所示。将扫描仪放置在地面上使得它能够从多个角度获取待扫描物体的信息。地面三维激光扫描仪能每秒钟获取待扫描物体表面几万到几十万个样本点, 这比传统的测绘和摄影采集技术的数据采集密度更高。地面三维激光扫描仪更适合获取小型不规则的物体, 如建筑物、土木工程和开采过程中需要监测的悬崖面的地形。地面三维激光扫描技术是一种数字重建大型物体和全景的新颖且有效的方法, 可将地面三维扫描仪看作是一个电动的全站扫描仪, 它能够自动地对周围物体进行水平和垂直方向扫描。对于每个扫描点, 它到扫描仪的距离和水平垂直夹角都会被记录下来, 所以它在扫描仪相关的空间坐标可以计算出来。此外, 激光扫描仪还会记录每一点的光照强度值, 这个强度值由转换和放大的反向散射光功率得出的电信号强度值计算得出。每个点的光强在其他应用中也有作用, 比如点云对齐、点云分类等。地面三维激光扫描仪, 使用的场景范围一般都在百米左右, 可以对一些复杂的场景进行扫描, 并且可以精确地计算场景中点与点之间的距离, 它还能够对各种不规则物体进行扫描和重建。但是地面三维激光扫描仪也有很多缺点, 比如点云遮盖等问题。地面三维激光扫描技术应用相当广泛, 在地质灾害监测、土方和体积测量、文物保护和古建筑物修复、事故调查测量、生物医学测量、工业设备测量、地质测绘^[13]等多个领域都有重要的作用。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 地面三维激光扫描设备（Leica ScanStation PS16[14]）Fig.2 Terrestrial laser scanner (Leica ScanStation PS16[14])

手持激光扫描仪：手持三维激光扫描仪发射激光投影到目标物体上并用一个传感器测量扫描仪到物体的距离, 最后通过三角化方法生成目标物体的三维模型, 如图3所示。获取的数据与扫描仪内部的坐标系有关, 所以扫描仪在运动中搜集数据时也需要确定扫描仪自身的位置。扫描仪的位置可以通过在目标物体上设置标志物（通常是胶粘剂反光片）来确定, 或者使用外部追踪方法, 即利用集成的3个或更多相机组成的六自由度摄影进行追踪。扫描仪获取到三维空间的点云数据后, 将数据转换成三角网格和CAD模型, 通常是非均匀有理B样条曲面。手持三维激光扫描仪一般用来扫描单个物体, 或者小范围内的场景。手持扫描仪可以在扫描物体时移动, 所以很适合在犯罪现场对某个物证进行扫描和三维重建。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 手持三维激光扫描仪（FARO Freestyle3D X[15]）Fig.3 Hand-held laser scanner (FARO Freestyle3D X[15])

三维激光扫描技术的处理过程^[16]分为三个步骤：点云数据的获取、点云数据的预处理和三维模型重建（可视化）。除此之外, 扫描仪还有一台内置相机对目标场景拍照, 用于后期对三维模型进行纹理贴图映射。

2.2.1 点云数据获取

三维激光扫描技术是一种非接触主动式扫描技术, 扫描仪发射一种辐射或光并检测它的反射来获取物体或环境信息。通常发射类型有光、超声波和X射线等。典型的三维激光扫描仪检测技术一般分为2大类：飞行时间法和相位偏移法。这两种技术之间是相互独立使用的, 不过也可以将他们结合起来使用。Alonso等人^[17]在文章中对两种方法进行了比较。下面本文将对这两种技术进行简要介绍。

飞行时间法：飞行时间法利用光速c(3.0× 10⁸ m/s)来测量扫描仪到某一点的距离。首先, 扫描仪发射一束激光, 激光到达某个物体的某一点, 经过反射的一部分激光返回扫描仪被传感器捕捉到。从发射激光到激光从物体某一点返回的时间为t, 那么扫描仪到该点的距离为D=ct/2。三维激光扫描仪的精度取决于时间t的测量精度, t越精确得到的点的位置越精确。每一时刻, 激光扫描仪在一个方向只能扫描一个点的位置。所以, 如果要扫描一个场景则需要不断变换方向来扫描不同的位置, 扫描的点融合在一起形成了点云数据。飞行时间法的优点是测量范围广、利于大场景的扫描重建。缺点是扫描精度较相位偏移法低。

相位偏移法：三维激光扫描仪发射连续的周期性信号到待测物体, 将遇到物体某一点反射回来的信号与原发射信号进行对比, 得出信号的总相位偏移φ 。假设调制信号频率为f, 将φ 分为波长整数倍Nλ 和不足一个整波长的部分Δ φ , 则三维激光扫描仪到物体该点的距离D为：

式中整数通过使用多频率激光测量同一点得出距离集合的交集确定。相位偏移法测距的优点是测量的精确度极高, 缺点是测量范围较小, 一般适合小范围场景的扫描重建。

2.2.2 点云数据预处理

点云数据的预处理一般包括3个步骤：异常点去除、点云配准和点云平滑（局部去噪）。异常点去除^[18]过程将不在物体表面或距离物体表面超过一定阈值的点去除掉, 如图4所示。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 异常点去除前后[18]Fig.4 Pre-(Left) and post-(Right)removal of the outliers

点云配准^[19]在现场重建过程中具有重要作用。对现场进行的扫描过程经常会出现遮挡的情况, 为了获取更精确的模型, 往往需要将扫描仪放在不同的位置对同一场景进行多次扫描, 这就会导致扫描得到的点云数据三维坐标位于不同的坐标系中, 扫描到的场景也会有差别, 同时扫描的场景会有重叠。点云配准的功能就是将这些在不同坐标系中的点云数据变换到同一坐标系中, 并且将重叠的部分对齐。图5(a)为从两个不同的角度对大卫头像扫描得到的点云数据, 并且标定了一些特征点作为对齐参考点, 经过点云配准之后的点云数据如图5(b)所示。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 点云配准[19]Fig.5 Pre-(a) and post-(b)registration of the point cloud data

点云光滑：在获取点云数据之后一般会进行三角化, 即将场景中的物体用三角网格表示。由于噪音的存在, 三角网格往往是不光滑的, 为了对三角网格进行光滑处理, 一般会采用拉普拉斯法、双边滤波法和平均曲率流法等。不精确的扫描数据和数据合并过程容易也会产生噪声, 噪声的存在会大大影响物体三维重建的操作, 比如：网格化、表面细化、表面参数化和光滑处理等过程。Guskov等人^[20]使用局部波前遍历法来消除局部噪声。

2.2.3 三维场景重建（可视化）

犯罪现场三维场景重建的目的就是建立一个尽可能接近犯罪发生时实际状态的场景。在完成数据的采集和预处理之后, 还需要对场景中的物体(作案工具、家具、血迹等)进行建模, 然后将各个物体组合在一起形成一个完整的三维场景。对物体建模广泛采用的方法是构建几何模型, 比如三维表面或三维体积。由许多三角形组成的三角形网格是表示复杂表面的一种常用方法, 这是一种创建非冗余没有重叠表面的理想方法。生成三角网格之后需要将纹理图片映射到三角形网格上来达到照片级的真实感。纹理图片一般由一个单独的相机获取, 且一个模型可能需要多个纹理图像。纹理图像间可能存在接缝, 需要进行平滑处理, 一般采用线性插值法。在完成三维场景重建后, 可以进行全景虚拟漫游。办案人员可以通过特定的软件（比如Cyclone软件^[21]）进行测量得出物证的尺寸, 痕迹的长度等信息, 且可以将经分析得出的犯罪嫌疑人作案过程加载到三维场景中, 通过动画的方式演示整个犯罪过程, 以便验证该犯罪过程的可能性和可靠性。同时, 也可以通过鼠标、键盘等进行场景进行平移、旋转、放缩等操作。虚拟漫游的功能使得办案人员可以根据对案件的分析以第一视角或第三视角真实地再现整个犯罪过程。