刘永久　汪中

【摘 要】案發现场物证是庭审中重要组成部分，当前通常采用二维拍照或者石膏倒膜方法对其进行提取，无法确保现场物证的客观性和高精度要求。因此，本文开发一种快速物证三维重建系统，采用基于格雷码-相移的结构光投影方法，并开发一键式三维重建软件，实现现场物证的无损高精度提取，并通过实验验证了该方法对于物证三维重建的有效性。

【关键词】结构光编码；物证重建；三维扫描

中图分类号： TP391.41 文献标识码： A 文章编号： 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

在案发现场勘查中，物证始终是法庭刑事科学中不可或缺的组成部分，在刑事侦查中发挥不可替代作用[1][2][3]。目前提取现场物证通常采用二维拍照法与制模法[4]。但这两种方法都存在着局限性。二维拍照虽然操作简单，但是由于环境复杂及操作者多变无法保证拍摄结果的客观一致性，并且无法获取物证的三维形态信息。制模法提取虽然可以获取物证的三维形态及尺寸信息，但是精度受限于材料与工艺，并且需要专业技术人员操作，无法实现数字化存储与分析。

随着计算机与光学技术的发展，基于光学的非接触式三维重建技术的优势正逐渐突出。本文基于结构光投影技术，开发一种快速物证三维重建系统，采用格雷码-相移相结合的编码方法，通过软件的一键式测量方式实现物证的客观与高精度无损提取。该系统可以轻易实现毫米级精度，因此提取精度更高，得到的三维数据既可以实现数字化的操作，也可以进行量化分析与比对检验[5]。

1 工作原理

物证三维重建系统基于三角测量原理，主要由一个结构光投影仪与一个与之同步的结构光投影仪组成，重建过程主要由三个部分组成：系统标定；编码图像投影与图像获取；图像解码与表面重建。系统标定的目的是获取工业相机和投影仪的内外部光学参数，具体算法可参见文献[6]。在编码图像投影与图像获取中，采用格雷码-六相移组合编码方法，当图像被投向目标物体后，与之同步的工业相机即可获取图像序列。在本系统中，图像解码采用格雷码辅助相移解码，首先分别对格雷码和相移图像序列进行解码，获取到阶梯形与相对相移图像。然后利用叠加方法获取绝对相移图像，进而基于空间三角关系，进行目标物体的三维重建。

2 重建系统开发

为实现快速物证三维重建，根据物证三维重建算法，基于Qt与OSG开发了一套物证三维重建系统样机，三维重建系统如图2左所示。软件操作主要分为文件操作区、功能操作区、视图选项区、标定参数设置区、解码参数设置区、重建参数设置区和样本图像选择区。重建完成后，三维模型即可显示出来。软件采用OSG进行三维模型的现实，支持任意缩放和漫游操作，方便用户对目标模型进行多角度任意区域的细节观察与测量。软件操作简单，可以实现一键物证目标三维形态信息重建。

3 物证三维重建实验

为验证本方法用于物证三维重建有效性，以现场工痕和外场足迹为实验对象，对该物证三维重建系统进行了测试。图2（a）所示为工痕样本三维重建结果，左侧为工痕原图，右侧由上至下分别为重建后三维模型与三维模型深度图，其中颜色标识物体表面凹凸层度。图2（b）所示为外场沙地鞋印三维重建结果，左侧为鞋底踩踏后的原图，右侧由上至下分别为重建后的鞋底三维模型与压痕深度图。由重建结果可以看出，在某些场合例如沙地，采用传统方法很难分别出鞋印图案与压痕的量化特征。而采用该系统重建后的三维物证，不仅能够进行与为由左至右分别是样本的二维图像、三维点云、凹痕模型以及深度颜色模型。由三维重建结果可以看出，重建后模型表面痕迹与鞋底纹路清晰可见，并且包含二维纹理信息。该系统可以实现单次大幅面物证三维重建，无需贴标记点，无需手动拼接模型，通过软件可实现一键式自动物证三维重建。

4 结论

本文采用非接触结构光技术，开发了一种快速物证三维重建系统，实现了现场物证的三维重建与数字化存储，给物证特征检验提供了一个快捷有效的三维数据获取手段。将有助于建立刑侦现场物证数据链，提高破案效率与准确性。

【参考文献】

[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.