楊軍海 王戰(zhàn)偉 于敬

(石家莊市公安局，河北石家莊050020)

基于犯罪現(xiàn)場的圖像與建模相結合的虛擬現(xiàn)實技術研究

楊軍海 王戰(zhàn)偉 于敬

(石家莊市公安局，河北石家莊050020)

本文研究圖像與建模相結合的虛擬現(xiàn)實技術，把握圖像與建模相結合的尺度，使建立的虛擬環(huán)境既有好的真實感，又有好的實時性。圖像與建模相結合的虛擬現(xiàn)實技術具有廣闊的應用前景，該技術的研究能夠有力地推動虛擬現(xiàn)實技術理論與應用研究的發(fā)展，特別是對犯罪現(xiàn)場重構技術的研究具有重要的理論意義和應用價值。

虛擬現(xiàn)實；圖像與建模；傳感器模塊

一、引言

虛擬現(xiàn)實是指用計算機生成的一種特殊環(huán)境，人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環(huán)境中，并操作、控制環(huán)境，實現(xiàn)特殊的目的，即人是這種環(huán)境的主宰。它的研究內(nèi)容涉及到人工智能、計算機科學、電子學、傳感器、計算機圖形學、智能控制、心理學等。虛擬現(xiàn)實技術是在很多領域都廣泛應用的技術，將虛擬現(xiàn)實技術融入不可達現(xiàn)場信息監(jiān)控系統(tǒng)體系中，目標是用視覺、音效和動態(tài)參數(shù)的二維可視化建立一種高度融洽的人機關系，實現(xiàn)虛擬場景與現(xiàn)場信息的實時交互性，用具有機器智能與現(xiàn)場真實感相結合的可視化環(huán)境，體現(xiàn)人機相融的新型控制理念。虛擬現(xiàn)實技術一直面臨實時性與真實感之間的矛盾。逼真的虛擬環(huán)境往往包含很大的數(shù)據(jù)量，這導致渲染效率下降，而采用簡化模型建立的虛擬環(huán)境真實感較差。

虛擬現(xiàn)實是在計算機圖形學、計算機仿真技術、人機接口技術、多媒體技術以及傳感技術的基礎上發(fā)展起來的交叉學科，進入20世紀90年代以來，迅速發(fā)展的計算機硬件技術與不斷改進的計算機軟件系統(tǒng)相匹配，使得基于大型數(shù)據(jù)集合的聲音和圖像的實時動畫制作成為可能。人機交互系統(tǒng)的設計不斷創(chuàng)新，新穎、實用的輸入輸出設備不斷地進入市場。而這些都為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的發(fā)展打下了良好的基礎，該技術應用于犯罪現(xiàn)場的重構，對快速、準確的鎖定犯罪嫌疑人、快速破案具有重要的理論意義和應用價值。

二、虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)方法

把虛擬現(xiàn)實分為兩大類基于虛擬現(xiàn)實設備的虛擬現(xiàn)實和基于軟件的虛擬現(xiàn)實?；谔摂M現(xiàn)實設備的虛擬現(xiàn)實是指虛擬環(huán)境的創(chuàng)建依賴于虛擬現(xiàn)實硬件設備，如立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣頭盔顯示器等，基于虛擬現(xiàn)實設備的虛擬環(huán)境一般都是完全沉浸式的虛擬環(huán)境;基于微機的虛擬現(xiàn)實主要是指基于普通微機設備以軟件技術實現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實，它可采用基于圖像的方法或基于建模的方法實現(xiàn)，基于微機的虛擬環(huán)境一般是部分沉浸的虛擬環(huán)境。從虛擬現(xiàn)實的發(fā)展歷史可以看出，虛擬現(xiàn)實技術主要在基于虛擬現(xiàn)實設備的虛擬現(xiàn)實領域取得了一系列成果。在基于微機的虛擬現(xiàn)實領域，雖然微機硬件的發(fā)展迅速，但軟件瓶頸在很大程度上阻礙了基于微機的虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展。基于圖像的方法和基于建模的方法是實現(xiàn)基于微機的虛擬現(xiàn)實的兩種方法。

（一）虛擬現(xiàn)實技術體系結構

從實現(xiàn)方法上可將虛擬現(xiàn)實分為基于虛擬現(xiàn)實硬件設備的虛擬現(xiàn)實和基于軟件的虛擬現(xiàn)實兩大類。由于基于微機的虛擬現(xiàn)實主要采用軟件方法實現(xiàn)半沉浸式的虛擬環(huán)境，因此，基于微機的虛擬現(xiàn)實又稱為基于軟件的虛擬現(xiàn)實。同時，基于硬件的虛擬現(xiàn)實也離不開軟件控制部分。基于硬件的虛擬環(huán)境體系結構如圖1所示。典型的基于硬件的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)有VIDEOPLACE系統(tǒng)、VIEW系統(tǒng)、Super Vision系統(tǒng)等。

VIEW系統(tǒng)是第一個走出實驗室進入工業(yè)應用的虛擬環(huán)境系統(tǒng)，VIEW系統(tǒng)允許操作者以自然的交互手段考察全視角的人工世界，目前大多數(shù)基于虛擬現(xiàn)實硬件設備的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)體系結構都是由此發(fā)展而來的。

圖1 基于虛擬現(xiàn)實硬件的虛擬環(huán)境體系結構

基于軟件的虛擬現(xiàn)實僅僅以普通計算機設備為交互設備，通過軟件方法實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。基于軟件的虛擬現(xiàn)實一般以鼠標和鍵盤作為輸入設備，以顯示器和耳機作為輸出設備，因此，一般只能實現(xiàn)半沉浸式的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。

（二）基于硬件的虛擬現(xiàn)實結構

目前成熟的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)絕大部分是依賴于虛擬現(xiàn)實硬件設備的，且主要是基于工作站的，對基于普通微機外設的虛擬現(xiàn)實的研究還很薄弱。無疑，工作站的普及程度遠遠不如微機，互聯(lián)網(wǎng)上的虛擬現(xiàn)實更是以微機為基礎，而且對于普通用戶而言，虛擬現(xiàn)實外設是非常昂貴的，因此，研究基于微機和普通外設的虛擬環(huán)境非常有必要。從實現(xiàn)方法上虛擬現(xiàn)實體系結構如圖2所示。從組成模塊來看，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)由以下模塊組成:

圖2 虛擬現(xiàn)實體系結構實現(xiàn)方法

輸入模塊：是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸入接口，其功能是檢測用戶的輸入信號，并通過傳感器模塊作用于虛擬環(huán)境。對于基于虛擬現(xiàn)實硬件設備的虛現(xiàn)實技術而言，輸入模塊一般是數(shù)據(jù)手套和頭盔顯示器上的傳感器，用于感應手的動作、手和頭部的位置；對于基于軟件的虛擬環(huán)境而言，輸入模塊一般是指鍵盤、鼠標、麥克風等。

傳感器模塊：是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中操作者和虛擬環(huán)境之間的橋梁。一方面，傳感器模塊接受輸入模塊產(chǎn)生的信息，并將其作用于虛擬環(huán)境；另一方面將操作后產(chǎn)生的結果反饋給輸出模塊。

響應模塊：是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的控制中心。響應模塊一般是軟件模塊，其作用是處理來自傳感器模塊的信息，如根據(jù)用戶視點位置和角度實時生成三維模型，根據(jù)用戶頭部的位置實時生成聲效。

圖3 虛擬現(xiàn)實的體系組成結構

反饋模塊：是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的輸出接口。其功能是將響應模塊生成的信息通過傳感器模塊傳給輸出設備如頭盔顯示器、耳機等，實時渲染視覺效果和聲音效果。從系統(tǒng)組成結構來看，虛擬現(xiàn)實的體系結構如圖3所示。

（三）基于軟件的虛擬現(xiàn)實

1.基于圖像的方法

全景圖生成技術是基于圖像的方法的關鍵技術四。了解全景圖首先要了解視點和視點空間。視點是指用戶某一時刻在虛擬實景空間中的觀察點，觀察時所用的焦距固定。視點空間是指某一視點處用戶所觀察到的場景。全景圖實際上是空間中一個視點對周圍環(huán)境的360°的全封閉視圖。根據(jù)全景圖允許瀏覽的空間自由度，全景圖可分為柱面全景圖和球面全景圖，柱面全景圖允許用戶對場景進行水平空間360°環(huán)繞瀏覽，球面全景圖允許用戶對場景進行經(jīng)緯360°全方位的環(huán)繞瀏覽。全景圖生成方法涉及基于圖像無縫連接技術和紋理映射技術，其原始資料是利用照相機的平移或旋轉得到的部分重疊的序列圖像樣本。紋理映射技術用于形成封閉的紋理映射空間，如柱面紋理映射空間和球面紋理映射空間。用戶可以在柱面全景空間中進行水平360°范圍內(nèi)任意視線切換，在球面全景空間中進行經(jīng)緯360°范圍內(nèi)任意視線切換?；趫D像的三維重建和虛擬瀏覽是基于圖像的虛擬現(xiàn)實的關鍵技術。

2.基于建模的方法

基于建模的方法是以幾何實體建立虛擬環(huán)境。幾何實體可采用計算機圖形學技術繪制，也可用己有的建模工具如AutoCAD、3DStudio等建立模型，然后以統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式輸出，進行實時渲染。建立虛擬現(xiàn)實模型后，通過加入事件響應，實現(xiàn)移動、旋轉、視點變換等操作，從而實現(xiàn)交互式虛擬環(huán)境。

基于建模的方法主要涉及以下關鍵技術:

（1）三維實體建模技術虛擬環(huán)境的建模是虛擬現(xiàn)實技術的核心內(nèi)容，動態(tài)建模則是建模技術的難點。動態(tài)建模技術的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應的虛擬環(huán)境模型。三維數(shù)據(jù)的獲取可以采用CAD技術(有規(guī)則的環(huán)境)，而更多的環(huán)境則需要采用非接觸式的視覺建模技術，兩者的有機結合可以有效地提高數(shù)據(jù)獲取的效率。

（2）實時渲染技術實時渲染是實現(xiàn)虛擬環(huán)境真實感的關鍵技術之一，假如實時性不好，用戶在虛擬環(huán)境中瀏覽或操縱時，會出現(xiàn)視覺或聽覺滯后。假如從一個視點轉向另一個視點，或操縱虛擬環(huán)境中的物體時，需要等待很長時間，用戶很難在虛擬環(huán)境中獲得參與感和沉浸感。為了達到實時的目的，至少要保證圖形的刷新率不低于15禎/秒，最好是高于30禎/秒。如何在不降低視覺效果的前提下，減小圖形數(shù)據(jù)量，是該技術的主要研究內(nèi)容之一。

（3）碰撞檢測、干涉校驗及關聯(lián)運動為使虛擬環(huán)境對事件產(chǎn)生與真實環(huán)境相同的反饋，碰撞檢測、干涉校驗及關聯(lián)運動是不可缺少的技術，在機械虛擬裝配、機械設備虛擬布局等技術中，碰撞檢測和干涉校驗就顯得尤為重要。如，當虛擬環(huán)境下的汽車前有障礙物時，汽車不能越過障礙物，假如沒有碰撞檢測和干涉校驗技術，汽車就有可能穿越障礙物，這顯然不符合現(xiàn)實邏輯。關聯(lián)運動則反映虛擬環(huán)境中物體之間的連動關系。目前還沒有解決碰撞檢測的完全性和唯一性問題的高效算法，同時，對于虛擬環(huán)境下關聯(lián)運動的研究還是空白。

（4）物理屬性。物理屬性包括實體表面光滑程度、光學效果、軟硬程度、密度、力學特性等。軟觸覺與力反饋是基于建模的虛擬現(xiàn)實物理屬性的主要實現(xiàn)方法。由于軟件瓶頸的限制，虛擬環(huán)境的物理屬性一直是虛擬現(xiàn)實技術的難點。

3.基于軟件的虛擬現(xiàn)實體系結構

圖4 基于軟件的虛擬現(xiàn)實體系結構

三、總結

本文闡述了虛擬現(xiàn)實技術基本理論，并從多個角度分析了虛擬現(xiàn)實技術的體系結構。首先，給出了虛擬現(xiàn)實的確切定義，并通過具體實例闡明了虛擬現(xiàn)實與仿真的相似與區(qū)別。分別從實現(xiàn)方法和組成模塊兩個角度，闡明了虛擬現(xiàn)實技術的體系結構。著重探討了基于軟件的虛擬現(xiàn)實技術的體系結構、關鍵技術、以及技術難點。由于計算機應用的普及，對基于軟件的虛擬現(xiàn)實技術的研究顯得尤為迫切?；谲浖奶摂M現(xiàn)實的兩種實現(xiàn)方法MBM和IBM各有其優(yōu)缺點，圖像與建模相結合的方法就是充分發(fā)揮兩種方法各自的優(yōu)點，以解決虛擬場景實時性與逼真性之間的矛盾，為犯罪現(xiàn)場重現(xiàn)技術提供了可靠的理論基礎。

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［編輯：張欽］

D918.3

A

1672-6405（2016）04-0027-04

楊軍海（1968-），男，河北靈壽人，河北省石家莊市公安局技術偵察支隊高級工程師。

王戰(zhàn)偉（1978-），男，河北無極人，河北省石家莊市公安局技術偵察支隊工程師。

于敬（1980-），女，河北威縣人，河北省石家莊市公安局技術偵察支隊助理工程師。

2016-07-20

河北省教育廳科學研究重點項目“犯罪現(xiàn)場重構關鍵技術研究”（項目編號：ZD2016040）研究成果。