基于虛擬現實技術的案件現場重建方法

李馥娟， 王 群， 紀佩宇

(1. 江蘇警官學院 計算機信息與網絡安全系， 江蘇 南京 210031；2. 江蘇警官學院 網絡管理中心， 江蘇 南京 210031)

基于虛擬現實技術的案件現場重建方法

李馥娟1,2， 王 群1,2， 紀佩宇1,2

(1. 江蘇警官學院 計算機信息與網絡安全系， 江蘇 南京 210031；2. 江蘇警官學院 網絡管理中心， 江蘇 南京 210031)

介紹了虛擬現實的概念和關鍵技術，分析了虛擬現實技術的應用特點。在此基礎上，通過一個具體實例，從應用環境設計、場景建設與漫游、模擬動畫設計、邏輯程序設計及系統集成與拓展等方面，討論了虛擬現實技術在案件重建及教學中的應用方法，實現了真實實驗難以實現的教學功能。

虛擬現實； 三維仿真； 現場重建； 觸覺反饋

犯罪現場是對每一起案件偵查的起點?，F場復原(重現)的重要性在于現場勘查過程中，對案件性質、作案嫌疑人、作案過程、作案方式、物證價值提出的假設或出現的矛盾等，根據現場情況對案件現場進行復原，從而對現場物證的客觀性、調查信息的真實性、案件性質的準確性、作案過程的連續性等進行驗證和推測，為偵破案件和模擬訓練提供虛擬情境。刑事科學技術專業的學生可以利用多種類型的案件模擬現場，反復學習和練習現場處置方法，從而提高實踐能力。

案件現場三維仿真系統能夠將特定案件的處置方法形成數據庫，為人員培訓提供輔助處置的建議，并對錯誤處置發出警告和信息提示，對學生的實訓和在職民警培訓進行模擬訓練和評測。本文結合江蘇警官學院科研和教學實際，通過虛擬現實技術來重建各類犯罪和事故現場，將其應用到在職民警培訓和學生的實踐教學中，豐富了教學內容，改善了教學手段，取得了良好的應用效果。

1 虛擬現實技術

1.1 應用介紹

虛擬現實(virtual reality，VR)[1]是綜合運用計算機三維仿真技術、計算機圖形技術、多媒體技術、人機交互技術、計算機網絡技術和立體顯示技術等多種技術，并借助各類傳感技術和設備，通過對視覺、聽覺、觸覺的實時感知和綜合模擬，虛擬出一個近似真實的環境，使人憑借對自然環境已形成的認知，實現對虛擬世界的觀察和互動操作[2-3]。

隨著互聯網技術、多媒體技術和可視化技術的發展，三維(three-dimension，3D)技術日趨成熟，虛擬現實技術乘勢而上，在服務內容、交互方式、用戶體驗等方面都取得了成功，并且具有沉浸感、交互性和構想等3個主要特征[4-5]。沉浸感是指由計算機生成的虛擬情境能夠給用戶提供一種與真實世界相同的貼身體驗，產生身臨其境的感覺；交互性是指在虛擬情境中，用戶可以像在真實環境中一樣，與虛擬情境中的對象進行交互；構想特指虛擬現實技術所具有的對人類思維的啟發功能，通過虛擬現實技術的應用可以使人深化對已有知識的理解，并獲得新的知識或得到啟發。

1.2 關鍵技術

虛擬現實技術是多種技術的綜合[6]，其關鍵技術和研究內容包括環境建模、立體顯示、觸覺反饋、硬件交互、系統集成等內容。

(1) 環境建模技術。通過對虛擬情境的搭建獲取和反映實際環境的三維數據，并根據應用的需要，通過采集的3D數據建立相應的虛擬情境模型。

(2) 立體顯示技術[7]。立體顯示技術的基本原理是基于人類兩眼之間存在的4～6 cm的距離，兩眼看到的物體存在視差，當兩眼看到的圖像經大腦融合后，便使人產生立體的感覺。在VR環境中，人通過戴上特殊的眼鏡后，能夠實現在左右眼睛分別呈現奇數幀和偶數幀的圖像，從而產生立體感。

(3) 觸覺反饋技術[8]。在3D場景中，讓用戶能夠直接操作虛擬對象(人或物體)，并能夠感知到虛擬對象給出的信息反饋，從而產生身臨其境的感覺。例如，在VR系統中，當用戶看到一個虛擬的水杯并去“拿”它時[9]，可以通過數據手套[10]內層安裝的可振動的觸點來產生與水杯表面接觸的觸摸感，與真實環境中的感覺沒有明顯區別。

(4) 硬件交互技術[11-12]。3D場景的人機交互既可以使用傳統的鍵盤和鼠標方式，也可以使用觸摸屏或外部設備(如PAD、智能手機、體感設備等)控制技術來實現。

(5) 系統集成技術。虛擬現實技術中涉及的大量感知信息和模型，需要通過信息同步、模型標定、數據轉換、識別和合成等技術來集成。

作為一門先進的人機交互技術，虛擬現實技術已被廣泛應用于軍事模擬、視景仿真、虛擬制造、虛擬設計、虛擬裝配、科學可視化以及教育和科研等眾多領域，發揮著真實環境難以實現的功能。

2 系統設計與實現

基于虛擬現實的現場重建可以通過內部網絡，用戶利用客戶端瀏覽器來觀摩或扮演某一角色，在對現場每個細節再現的過程中，進行分析和研判。通過安全方式，用戶也可以利用公共網絡進行與內部網絡相同功能的操作。

2.1 應用環境

根據應用需要，本系統所采用的網絡拓撲如圖1所示，其中：

(1) 應用服務器軟件：Apache或IIS；

(2) 數據庫服務器軟件：SQL Server、Oracle或MySQL；

(3) 服務器操作系統：Windows Server 2003/2008或Linux；

(4) 客戶端操作系統：Windows或Mac OS；

(5) 瀏覽器：IE內核、Chrome、Firefox等；

(6) 開發平臺：.NET 4.0；

(7) 主要開發工具：Unity3D、Blerder和GIMP。

圖1 實驗環境所采用的網絡拓撲

其中，Unity3D是由Unity Technologies開發的一個用于創建實時三維動畫的多平臺綜合型開發工具，在本方案中主要用于三維現場的開發；Blender是一個開源的跨平臺三維動畫制作軟件，在本方案中通過Blender實現建模、動畫、材質、渲染、音頻處理和視頻剪輯等功能；GIMP是一個可以同時運行于GNU/Linux、Windows、Mac OS等平臺的跨平臺圖像處理軟件，在本方案中用來處理各類圖像，包括圖像合成和創建圖像等操作。

2.2 技術實現流程

以某單位財務室搶劫案現場重建為例，具體介紹虛擬現實技術實現流程以及各個環節所涉及的關鍵技術。

(1) 場景建設。利用三維仿真技術，真實還原財務室案件現場的各種環境元素，主要包括房屋結構，房間內家具和設備的布置與相互間的關系，與房間相關的場景建筑、地形、交通路線、聲音效果等。使用三維建模技術對案件現場場景進行仿真，并且為場景中的各元素配備相應的物理屬性。用戶可以在案件分析、教學和實訓中自定義條件，對不同假設場景中的元素進行設定，模擬案件現場可能發生的各種情況。圖2所示的是對案件現場場景的三維仿真，圖3和圖4分別是對受害人和現場發現的作案工具的三維仿真，圖5是對周圍環境的三維仿真。

圖2 案件現場場景仿真

圖3 案件現場受害人仿真

圖4 案件現場作案工具仿真

圖5 對周圍環境的仿真

(2) 場景漫游。場景漫游的實現必須考慮人機交互功能，場景漫游中的人機交互，一直是虛擬現實系統研究中的重要內容[13]。利用漫游系統的實時交互性，用戶可對場景中的實體對象進行某些操作，而且實體對象也能立即響應用戶的操作，并以某種形式的變化反饋給用戶。當用戶的位置與視角改變時，漫游引擎能夠立即調度場景數據庫實時生成新的視點畫面，并顯示給用戶。漫游場景可以不斷地變換視點相應參數，生成連續的圖像并輸出到顯示設備。

(3) 模擬動畫。使用動作捕捉和手動關鍵幀等技術，對現場道具、場景、人物等進行三維實時動畫制作。與傳統視頻動畫不同的是，該過程以及涉及的仿真動畫可以實現用戶對事件各個不同視角和各種條件下的觀察分析。在此過程中，主要使用正反向動力學及骨骼綁定等技術，再配合三維圖形引擎，使邏輯屬性與事件細節通過無死角的動畫演示有機關聯。

(4) 邏輯程序。以三維圖形引擎為依托，根據使用者的邏輯需求，有針對性地編寫具體的程序，可實現三維元素與數據屬性的有效連接、對各種響應事件進行邏輯關聯、控制動畫播放、對畫面元素進行組織與調節、鼠標鍵盤操作與其他硬件操作、自動攝像機與自定義攝像機的控制、數據庫數據讀取與存儲、程序執行封裝等操作。

(5) 拓展性功能。以虛擬現實場景為基礎，可以通過不同的數據接口，經過內部服務器調用所需要的信息(如單位安防監控系統中的圖像信息、校園一卡通的消費信息等)，再通過接口協議展示在場景中。能夠實現點擊某個對象(如攝像頭、POS機等)時，即顯示相對應的監控畫面或在該POS機上的消費數據等即時信息。

(6) 接口關聯技術。由于Unity3D的可拓展性，可以將程序文件生成Web格式，再通過網頁技術將場景嵌套到Web網站中，使用戶既可以用Web方式進行瀏覽和交互，也可以實現在場景中察看網絡中的實時信息，并將信息通過微博、微信等方式進行分享。

3 結束語

將刑偵案例應用到具體的教學過程中，使教學內容反映實踐，教學過程貼近實踐，是刑事科學技術職業教育必須重視的一個問題。長期以來，受技術限制，很多曾經發生的事件以及出現的場景無法真實、直觀地再現，不利于對事件的客觀判斷，也無法在課堂上展現給學生。利用虛擬現實技術很好地解決了這一問題，已引起了醫學、軍事、公共安全、應急指揮等眾多領域的普遍關注，在教育界更將其作為學科專業與信息技術深度融合的產物，成為推動高等學校實驗教學改革和創新的重要方式。

作為一種全新的教學手段和方法，虛擬現實技術在案件重建及教學中具有真實實驗難以實現的教學功能，降低了實驗教學的成本和風險，在提高教學能力、拓展實踐領域、豐富教學內容等方面具有很大的優勢。隨著對虛擬現實技術研究的深入和其應用功能的拓展，它將在刑事科學技術領域得到更多的應用。

致謝：本系統的實現得到了南京溪谷晨歌網絡科技公司技術人員的大力支持，在此表示感謝！

References)

[1] Her M G, Hsu K S.design and analysis of haptic direct drive robot for virtual reality[J].Journal of Information and Optimization Sciences,2001,22(3):441-461.

[2] 蘇學軍,趙媛,張紀磊,等.基于Web的三維仿真虛擬實驗室構建[J].實驗技術與管理,2011,28(8):183-185.

[3] 張敬南,張镠鐘.實驗教學中虛擬仿真技術應用的研究[J].實驗技術與管理,2013,30(12):101-104.

[4] 姜學智,李忠華.國內外虛擬現實技術的研究現狀[J].遼寧工程技術大學學報,2004,23(2):238-240.

[5] 陳娜,張俊友,姬全健.基于虛擬現實技術的交通標志視認性實驗分析方法[J].重慶交通大學學報：自然科學版,2014,33(4):134-137.

[6] 楊慶,黃陳蓉.虛擬現實與系統仿真實驗教學改革探討[J].實驗技術與管理,2011,28(3):94-97.

[7] 鄭華東,于瀛潔,程維明.三維立體顯示技術研究新進展[J].光學技術,2008,34(3):426-430，434.

[8] 崔洋,包鋼,王祖溫.虛擬現實技術中力/觸覺反饋的研究現狀[J].機床與液壓,2008,36(7):1-4.

[9] Lynette J. Dextrous hands:Human,prosthetic,and robotic[J].Presence,1997,6(1):29-56.

[10] Dipietro L，Sabatini A M，Dario P. A survey of glovebased systems and their applications [J].IEEE Transactions on Systems，Man，and Cybernetics(Part C)：Applications and Reviews，2008,38(4):461-482.

[11] 胡永利,孫艷豐,尹寶才.物聯網信息感知與交互技術[J].計算機學報,2012,35(6):1147-1163.

[12] 李文生,解梅,鄧春健.基于多點手勢識別的人機交互技術框架[J].計算機工程與設計,2011,32(6):2129-2133.

[13] 宮勇,蒲小瓊,張翔.虛擬場景漫游技術及其系統實現[J].計算機工程與應用,2007,43(15):89-92.

Methods of scene reconstruction based on virtual reality technology

Li Fujuan1,2，Wang Qun1,2， Ji Peiyu1,2

(1. Department of Computer Information and Cyber Security，Jiangsu Police Institute，Nanjing 210031, China;2. Center of Network Management, Jiangsu Police Institute，Nanjing 210031, China)

This paper introduces the concept and key technologies of virtual reality, and analyzes the application of virtual reality technology. Through a specific case, from application design, scenario-building and roaming, simulation and animation design, logic programming and systems integration and development, this paper also discusses the application of virtual reality technology in reconstruction of cases and teaching methods. Functions of the virtual reality in teaching have been achieved, which cannot be achieved in a real experiment.

virtual reality; three-dimension simulation; scene reconstruction; tactile feedback

2014- 11- 12

江蘇省高等學?！笆濉敝攸c學科建設專項資金資助項目(JS110838)；2013年江蘇省高等教育教改研究立項課題(2013JSJG150)；國家社會科學基金資助項目(13BTQ046)

李馥娟(1974—)，女，陜西西安，碩士，副教授，主要研究方向為計算機網絡技術與應用.

E-mail：lfj@jspi.edu.cn

TP391.9

A

1002-4956(2015)5- 0124- 03