智慧現場空間信息采集分析系統的研發與應用

邱家柱

摘要：在平時的刑事案件現場勘查過程中及之后的勘查材料制作、案件分析研判時，對于時間和空間的把控還存在著許多的不足之處，如何利用更先進的信息技術完善當下的勘查工作成為了一項重要的工作。

關鍵詞：數字孿生技術;輕量化掃描裝備;分析處理軟件

1、項目研發背景

刑事案件中，現場勘查是收集、獲取案件基本情況，推動案件偵破的第一手推動力。現在通常的空間測量及記錄方法是測距儀、卷尺測量以及照片記錄、現場標記。在實戰中存在著許多不足之處，比如：現場圖繪制速度較慢，無法以最快速度進行分析研判;先期處置時進出現場人員較多會對現場產生二次破壞;對于重特大案件破案后的講解分析缺乏較為完整立體的重現等。

隨著智能化、數字化的技術推進，數字孿生技術逐漸成熟，此項目的產生即是建立在了該數字技術的成熟和發展的背景之下。為加強現場勘查與智慧公安的有效銜接，開創刑技工作新局面，重點解決現場勘查工作中存在的效率低，智能化水平不高，新手段新技術匱乏等短板問題，浦東公安分局刑科所與相關科技公司及高校進行產學研發合作，結合實際情況提出該方案，努力提高應對復雜現場，快速反應快速處置能力，更好地提升服務打擊破案能力。

2、項目研發原理及創新性

2.1項目研發原理

數字孿生，是指針對物理世界中的物體，通過數字化的手段來構建一個數字世界中一模一樣的實體，藉此來實現對物理實體的了解、分析和優化。其原理方法是通過數碼相機進行全景拍攝，所得圖像實時傳送至微型處理器，在微型處理器內對獲取的圖像進行圖像匹配算法，進行特征檢測和匹配，并用光束平差法進行處理，經過光束平差法標定出相機參數后，計算出每個特征點的三維信息，利用三維重構算法對每個特征點三維信息，生成密集位點，再對密集位點三角化等處理生成位點模型，重建現場圖像。利用尺度不變特征變換的特性，提取每個圖片中的關鍵點，再通過比測試的方法測試兩兩圖像對特征的相似度進行匹配。利用立體匹配得到的匹配點，根據空間坐標系和攝像機坐標系之間的關系，通過一個光束平差法來得到二維點反投影到空間中的三維坐標，大量的匹配點最終會得到三維位點模型。

在先后調研測試了激光雷達、雙目相機、紅外結構光相機、TOF相機等技術解決方案后，選擇了較為穩定的紅外結構光相機研發了手持三維實時掃描儀。并開發了人工智能和深度學習的識別和處理軟件，以及便捷的前端查看工具。傳統的FARO等站式三維激光掃描儀，體積重量極大，需要攜帶大設備箱子和三腳架。掃描耗時長且麻煩，需要在每個房間分別設站進行掃描，整體耗時是本項目時間的7-8倍。無法實時查看三維結果，需要用專業軟件花大量時間進行復雜處理，其數據以數十至數百GB計，須配備專業計算機才可以使用;螳螂慧視等高精度近距離三維掃描儀，其更擅長2米以內的小尺度物體掃描，對房間尺度掃描優化明顯不足。設備體積重量普遍較大，難以單手長期握持。算法無法實時查看三維結果，需要后期花大量時間進行復雜處理。

2.2項目創新性

2.2.1、在能夠保證精度和質量的前提下，適用于勘驗人員的輕量化手持式使用，減輕勘驗人員的負擔。

2.2.2、結合實戰需求而優化的掃描算法，智慧現場空間信息采集分析系統會選擇最合適的三維掃描方案。案件現場普遍情況復雜，網絡狀況不可預測，傳統三維重建方案依賴云計算，且重建時間較長，無法實時得到掃描結果，容易出現掃描遺漏，對一線人員有較高的三維規劃水平要求，而此項目操作簡便，無需繁瑣的教學過程，掃描及生成效率較高。

2.2.3、現場三維場景的智能識別、標注、現場圖自動繪制，犯罪現場全貌草圖獲取：通過掃描獲取現場整個位點數據，通過截取需求平面，快速獲得現場的二維截面圖，在幾分鐘內獲取現場平面布置圖，具有操作簡單，處理快速、數據精準等特點，方便現場快速處理數據、臨場指揮等用途。

2.2，4、實時導出dwg、dxf格式到AutoCad，而且支持導出iges、step、catia等市場主流的CAD格式，實現偵查現場數據備份，掃描完成后，整個現場圖像數據會導入到電腦中進行存檔，可以實時讓研究人員對具體的信息加以分析，重現犯罪過程及犯罪現場的證據，甚至可以在法庭上作為證詞出現。在案件的分析研判中起到非常重要的作用。

3、項目結構

智慧現場空間信息采集分析系統包含兩個主要部分：一套手持式三維實時掃描儀，與一套數字孿生三維智能分析處理軟件。

3.1手持式三維實時掃描儀

此設備提供不依賴網絡的刑事案件現場三維掃描采集功能。整體設備輕便，可單人攜帶使用，適合一線實戰需求，現場民警可借助此設備對犯罪現場整體情況和細節進行三維掃描和記錄，設備內部的多傳感器平臺可以記錄設備的位姿變化，提高三維掃描的精度和速度。

3.2數字孿生三維智能分析處理軟件

此軟件平臺應用了深度學習模型，對三維空間數據執行十大類別的物體識別與場景理解分析，并通過一系列計算機視覺算法，自動生成符合現場勘查標準的現場平面圖、現場結構圖以及數字孿生3D現場數據。通過此平臺，可以方便快捷的回看犯罪現場的每個三維細節，調取采集時拍攝的照片和軌跡信息，進行數字化的虛擬測量和標注等等工作。

4、實戰操作

現場勘查人員可以在進入現場之后首先手持三維實時掃描儀進行“刷墻式”操作即可初步完成對現場的固定。與此同時，掃描取得的數據可以通過網絡、USB等方式進行傳遞，然后通過數字孿生三維智能分析處理軟件自動對整個掃描數據進行解析，并同步傳輸至遠程端，形成了對現場的多層次、全覆蓋的把控，不會造成遺漏，并可以指導對現場物證的提取工作。而微型處理器會直接生成現場勘查所需要的平面示意圖，并通過數據接口進入或關聯現場勘驗信息系統，從而大幅度簡化現場繪圖過程，直接提高了現場勘查工作的效率。最后，在案件需要復勘時或案件破獲后，可以通過回看生成的圖像，并與其它證據鏈相互印證，從而達到更完善的勘查效果。

該項目以提升刑事技術現場勘查質量為主要任務，堅持科技興警理念，發揚探索創新精神，提高刑事技術服務實戰能力，旨在奮力開創新時代刑偵工作新局面。