一種快速物證三維重建系統開發

劉永久　汪中

【摘 要】案發現場物證是庭審中重要組成部分，當前通常采用二維拍照或者石膏倒膜方法對其進行提取，無法確保現場物證的客觀性和高精度要求。因此，本文開發一種快速物證三維重建系統，采用基于格雷碼-相移的結構光投影方法，并開發一鍵式三維重建軟件，實現現場物證的無損高精度提取，并通過實驗驗證了該方法對于物證三維重建的有效性。

【關鍵詞】結構光編碼；物證重建；三維掃描

中圖分類號： TP391.41 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）06-0261-001

【Abstract】Evidence of crime scene plays a very important part in court judgments. Conventionally， the evidence is acquired by using of photograph or making of plaster casts， which cannot guarantee the requirement of objectivity and high accuracy. This manuscript develops a fast three-dimensional evidence reconstruction system based on structured light projection method by combining gray-code and phase-shift coding. Meanwhile， one-key operation software is developed for high accuracy acquisition of evidence of crime scene without damage. Finally， corresponding experiments were conducted to test the efficiency of proposed system.

【Key words】Structured-light coding； Evidence reconstruction； Three-dimensional scan

0 引言

在案發現場勘查中，物證始終是法庭刑事科學中不可或缺的組成部分，在刑事偵查中發揮不可替代作用[1][2][3]。目前提取現場物證通常采用二維拍照法與制模法[4]。但這兩種方法都存在著局限性。二維拍照雖然操作簡單，但是由于環境復雜及操作者多變無法保證拍攝結果的客觀一致性，并且無法獲取物證的三維形態信息。制模法提取雖然可以獲取物證的三維形態及尺寸信息，但是精度受限于材料與工藝，并且需要專業技術人員操作，無法實現數字化存儲與分析。

隨著計算機與光學技術的發展，基于光學的非接觸式三維重建技術的優勢正逐漸突出。本文基于結構光投影技術，開發一種快速物證三維重建系統，采用格雷碼-相移相結合的編碼方法，通過軟件的一鍵式測量方式實現物證的客觀與高精度無損提取。該系統可以輕易實現毫米級精度，因此提取精度更高，得到的三維數據既可以實現數字化的操作，也可以進行量化分析與比對檢驗[5]。

1 工作原理

物證三維重建系統基于三角測量原理，主要由一個結構光投影儀與一個與之同步的結構光投影儀組成，重建過程主要由三個部分組成：系統標定；編碼圖像投影與圖像獲取；圖像解碼與表面重建。系統標定的目的是獲取工業相機和投影儀的內外部光學參數，具體算法可參見文獻[6]。在編碼圖像投影與圖像獲取中，采用格雷碼-六相移組合編碼方法，當圖像被投向目標物體后，與之同步的工業相機即可獲取圖像序列。在本系統中，圖像解碼采用格雷碼輔助相移解碼，首先分別對格雷碼和相移圖像序列進行解碼，獲取到階梯形與相對相移圖像。然后利用疊加方法獲取絕對相移圖像，進而基于空間三角關系，進行目標物體的三維重建。

2 重建系統開發

為實現快速物證三維重建，根據物證三維重建算法，基于Qt與OSG開發了一套物證三維重建系統樣機，三維重建系統如圖2左所示。軟件操作主要分為文件操作區、功能操作區、視圖選項區、標定參數設置區、解碼參數設置區、重建參數設置區和樣本圖像選擇區。重建完成后，三維模型即可顯示出來。軟件采用OSG進行三維模型的現實，支持任意縮放和漫游操作，方便用戶對目標模型進行多角度任意區域的細節觀察與測量。軟件操作簡單，可以實現一鍵物證目標三維形態信息重建。

3 物證三維重建實驗

為驗證本方法用于物證三維重建有效性，以現場工痕和外場足跡為實驗對象，對該物證三維重建系統進行了測試。圖2（a）所示為工痕樣本三維重建結果，左側為工痕原圖，右側由上至下分別為重建后三維模型與三維模型深度圖，其中顏色標識物體表面凹凸層度。圖2（b）所示為外場沙地鞋印三維重建結果，左側為鞋底踩踏后的原圖，右側由上至下分別為重建后的鞋底三維模型與壓痕深度圖。由重建結果可以看出，在某些場合例如沙地，采用傳統方法很難分別出鞋印圖案與壓痕的量化特征。而采用該系統重建后的三維物證，不僅能夠進行與為由左至右分別是樣本的二維圖像、三維點云、凹痕模型以及深度顏色模型。由三維重建結果可以看出，重建后模型表面痕跡與鞋底紋路清晰可見，并且包含二維紋理信息。該系統可以實現單次大幅面物證三維重建，無需貼標記點，無需手動拼接模型，通過軟件可實現一鍵式自動物證三維重建。

4 結論

本文采用非接觸結構光技術，開發了一種快速物證三維重建系統，實現了現場物證的三維重建與數字化存儲，給物證特征檢驗提供了一個快捷有效的三維數據獲取手段。將有助于建立刑偵現場物證數據鏈，提高破案效率與準確性。

【參考文獻】

[1]Kennedy R B. Uniqueness of bare feet and its use as a possible means of identification[J]. Forensic science international， 1996， 82（1）： 81-87.

[2]Bodziak W J. Footwear impression evidence： detection， recovery and examination[M]. CRC Press， 1999.

[3]Andal F A， Calakli F， Taubin G， et al. Accurate 3D footwear impression recovery from photographs[C]. Imaging for Crime Detection and Prevention 2011 （ICDP2011）， 4th International Conference on. IET， 2011：1-6.

[4]Bouridane A， Alexander A， Nibouche M， et al. Application of fractals to the detection and classification of shoeprints[C]. Image Processing， 2000. Proceedings. 2000 International Conference on. IEEE， 2000， 1：474-477.

[5]Aitken C G G， Taroni F. Statistics and the evaluation of evidence for forensic scientists[M]. Chichester： Wiley， 2004.

[6]Kimura M， Mochimaru M， Kanade T. Projector calibration using arbitrary planes and calibrated camera[C]. Proceedings of Computer Vision and Pattern Recognition， 2007. CVPR07. IEEE.