全息技术在现场勘查与重建中的优势及应用

本节我们以三维激光扫描技术在现场重建中的应用说明全息技术在现场勘查的应用。

犯罪现场重建主要有两个方面的内容：犯罪现场的场景重建和犯罪过程的重现。传统的现场重建技术是建立在现场访问、文字笔录、绘图、照相、摄像等基础上的，重建工作不仅烦琐，重建难度也很大。三维激光扫描技术是近年来迅速发展起来的一种新型空间数据获取手段和工具，利用地面三维激光扫描系统可以快速、准确地进行现场三维重建。三维激光扫描技术已经在文物古迹的保护以及船体测量等领域得到了成功的应用。上海市公安局物证鉴定中心和北京欧诺嘉科技有限公司研究了利用三维激光扫描技术对犯罪现场进行重建的方法，并在实际案件中进行了应用。

三维激光扫描技术，它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标信息和反射率信息，将各种实体或实景的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。结合其他各领域的专业应用软件，所采集点云数据还可进行各种后期处理应用。传统的测量概念里，所测得的数据最终输出的都是二维的结果，现在广泛使用的测量仪器中全站仪和GPS比重居多，但测量的数据都是二维形式的。在逐步数字化的今天，三维已经逐渐代替二维，因为其直观的表现形式是二维无法比拟的。当今的三维激光扫描仪器每次测量的数据不仅仅包含X，Y，Z点的信息，还包括R，G，B的颜色信息，同时还具有物体的反色率信息，这样全面的信息量可以带给人一种物体在电脑中真实再现的感觉，这是一般的测量手段无法做到的。快速扫描是扫描仪诞生后产生的概念，在常规的测量手段里，每一点的测量费时都在2～5 s不等，更甚者要花费几分钟的时间对一个点的坐标进行测量，在数字化的今天，这样的测量速度已经远远不能满足测量的需求，三维激光仪的诞生改变了这一现状。起初，三维激光扫描仪1000点／s的测量速度已经让测量界大为惊叹，而现在的三维激光扫描仪最高速度已经达到每秒90万个点以上，这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证。

三维激光扫描仪主要分为两种：脉冲式三维激光扫描仪和相位式三维激光扫描仪。

脉冲式三维激光扫描仪的性能特点如下：射程大于200 m，最远的甚至达到6 000m；对于中距离脉冲扫描式三维激光扫描仪（最大射程＜2 000m）：±2～±7 mm（测量距离＜50m时）；对于超长距离的脉冲式三维激光扫描仪（最大射程＜6 000m）：±15mm（测量距离50m以内时）。距离测量准确和精度高是基于脉冲式扫描的三维激光扫描仪的一个性能特点；最大的激光发射频率是2 000～300 000 Hz；对扫描速度上来说不同厂家的产品相差较大，高精度扫描的扫描时间在2～16min和40～80min不等。太阳光和室外光线对扫描点数和精度的影响小；植被覆盖区域也可以使用，可以去除植被。

基于脉冲扫描式三维激光扫描仪应用范围广，除了能够在上述的室内等应用中使用，还能够在室外的环境中使用，基本不受限制。

相位式三维激光扫描仪的性能特点如下：射程较小，一般小于150 m；精度5 mm（距离＜25 m）：±12 mm（距离＜50 m）；最大激光发射频率是300 000～600 000 Hz；扫描速度是随激光发射频率变化而变化的，虽然相位差激光扫描仪的扫描发射频率很高，可以达到500 000 Hz以上，但是，在应用中，由于扫描时间太长，几乎不可能使用超过60 000 Hz的激光发射频率。在使用低于40 000 Hz的激光发射频率时，其扫描时间还是比较短，与基于脉冲的激光扫描仪处于一个量级。太阳光和室外光线对扫描点数和精度的影响比较大，不适宜在阳光和晴天下室外进行大于20m的测距工作。

通常，基于相位差的三维激光扫描仪多用于室内的应用。犯罪现场的情况比较复杂，它储存着有关犯罪和犯罪嫌疑人的信息，并保留着犯罪证据，其状态容易发生变化或遭到破坏。在进行现场勘查时，由于时间和空间的限制，要选用轻便、高速、激光数据获取量大的三维激光扫描仪，对犯罪现场的扫描和数据记录。(www.xing528.com)

在犯罪现场的场景重建过程中，本文使用脉冲式三维激光扫描仪的多种精度进行三维激光扫描的尝试，最终选择了使用±3 mm的精度对现场进行扫描。因为一个现场我们通常需要扫描多个站，才能将这些站进行完全的拼接从而得到一个完整的现场。而每一站的扫描时间不能太长，否则就会对现场的整体工作进度产生影响。选择±3mm的精度进行扫描，不仅可以保存现场的精确数据，节省了大量进行三维扫描所用的时间，从而提高了工作效率。

对现场进行全方位的扫描以后，就得到了点云数据。点云数据是实际物体的真实尺寸的复原，是目前最完整、最精细和最快捷地对物体现状进行档案保存的手段。点云数据不但包含了对象物体的空间尺寸信息和反射率信息，结合高分辨率的外置数码相机，可以逼真地保留对象物体的纹理色彩信息；结合其他测量仪器诸如全站仪、GPS，可以将整个扫描数据放置在一定的空间坐标系内。通过PointCloud软件，我们可以在点云中实现漫游、浏览和对物体尺寸、角度、面积、体积等的量测，直接将对象物体移到电脑中，利用点云在电脑中完成传统的数据测绘工作。犯罪现场场景重建的形式之一，是获得犯罪现场的各种的测绘图件，包括平面图、立面图和剖面图等。这些图件可以表示建筑物内部的结构或构造形式、分层情况，说明建筑物的长、宽、高的尺寸，门窗洞口的位置和形式，装饰的设计形式和各部位的联系和材料等。利用点云数据，在CAD中使用PointCloud插件，可以方便地做出所需相应图件。如图5.4所示。

对现场进行全方位的扫描以后，就要根据这些点云数据对现场进行三维建模，重建犯罪现场的场景，如图5.5。首先，我们要将点云数据通过PointCloud插件导入到AutoCAD中，通过CAD中强大的三维建模功能，准确地对犯罪现场的点云数据进行模型创建，通过图像数据对模型进行材质贴图的构建，最终精确地重建犯罪现场的场景。

图5.4　干涉记录第一步图

图5.5　干涉记录第二步图

犯罪过程的重现是现场重建的重要组成部分，传统的犯罪过程的重现是借助照片、视频、文档等资料进行的，这种方式不能给人直观、形象的概念，缺乏互动，难以让人对现场的整体情况及案件情况进行更深入的分析。三维激光扫描技术的产生和发展拓展了犯罪过程重现的技术实现手段，进而使虚拟现实技术有了跨越式应用。虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是在计算机图形学、计算机仿真技术、人机接口技术、多媒体技术以及传感技术的基础上发展起来的交叉学科。虚拟现实有很多种定义，一种比较有概括性的定义是：虚拟现实是一种非常强大的高端人机接口，包括通过视觉、听觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交互。虚拟现实有三个关键特征，包括实时的交互性（Interaction），实时指计算机能探测到用户的输入并同时修改虚拟世界；交互性有助于产生沉浸感（Immersion），即让用户感觉到置身于屏幕所显示的情节中；要实现虚拟现实的交互性和沉浸感，以及要在实际应用中更好地解决问题，在很大程度上取决于研究者和设计者的想象力（Imagination）。因此，交互性、沉浸感和想象力构成了虚拟现实的基本特征。