3D打印技术在立体足迹提取中的应用

欧阳常青 蒋 龙

（湖南警察学院刑事科学技术系，湖南 长沙410138）

现场足迹作为刑事案件物证之一，在打击刑事犯罪中起着极为重要的作用，但立体足迹提取和检验的技术难度较大，其证据作用的发挥收到限制。立体足迹提取是立体足迹检验的基础，制模法是提取立体足迹的一种重要方法。传统的石膏制模法和硅橡胶制模法存在一些不可避免的弊端，如制模材料的不稳定性、操作的繁琐性、提取失败率高等，已无法满足现代法制社会对证据条件日趋严格的要求。将先进的现代数字化技术和设备应用于现场立体足迹的提取，为立体足迹的提取提供高效、便捷、准确的技术方法，是公安机关刑事技术部门提高工作效率的重要发展方向。3D打印技术作为当前新型数字化技术的代表，可以克服传统足迹制模法的弊端，为科技强警注入了新鲜血液。

1 3D打印技术概述

3D打印技术，是以计算机工程设计模型为蓝本，通过软件分层、离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积、黏结，最终叠加成型，制造实体产品。这与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削的最终生产成品不同。3D打印将三维实体分为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要繁杂的工艺，不需要庞大的机床，不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的产品，使生产制造得以向更广的生产范围延伸。

3D打印的原理是通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，将建成的三维模型“切片”，组成逐层的截面数据，并把这些信息传输到3D打印机上，3D打印机将这些“切片”堆积起来，生成一个固态的固体模型。常见3D打印机类型有Inspire D290和Projet 660 Pro等。

3D打印耗材是3D打印技术的核心，直接决定了制造技术成型工艺、设备结构、成型品性能等。由于材料在物理形态，化学性能等方面的差别，形成了3D打印材料的多样品种和3D打印不同成型方法。目前在国内被广泛使用的3D打印耗材包括液态光敏树脂、薄片材料、可烧结粉末材料、热熔丝线、PC塑料、橡胶类材料、ABS树脂等。

2 三维扫描系统

三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日益普及的今天很受欢迎。在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触，使用方便等优点而得到越来越多的应用。用三维扫描仪对手板、样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期。

2.1 Artec 3D三维扫描仪

Artec 3D三维扫描仪系统的技术是将特殊的光带，以成一个视角的方式投射在物体表面，利用物体表面对光源造成扭曲的原理精准计算每个三维数据点的坐标。这些点可形成基本的小三角面然后可转换成其它的格式。Artec 3D扫描仪附带的处理软件，将协助用户轻松完成扫描工作及最终模型的生成，利用设备自带的软件能将三维模型导出各种主流文件格式：STL、OBJ、PLY、ORWRL，能轻松导入Z-Brush、Maya、Rapidform等操作软件。

2.2 Artec studio 9扫描软件

Artec studio 9扫描软件是Artec 3D扫描仪自带的软件，可通过软件的扫描视窗口实时查看到扫描仪的扫描状态，及时对遗漏部位进行补充扫描，也可对扫描成型的物象进行360度旋转查看，达到实际扫描效果后，可关闭Artec 3D扫描仪，对物象进行单独加工，数据整合，具体操作包括“编辑”“拟合”“修理”“边缘”“测量”“工具”等。

2.3 “STL”文件格式

STL(Stereo Lithography Interface Specification)格式是目前3D打印/增材制造设备使用的通用接口格式，是由美国3Dsystems公司于1988年制定的一个接口协议，是一种为3D打印/增材制造技术服务的三维图形文件格式，目前已成为3D打印/增材制造的事实上的标准格式。

STL格式是存储三维模型信息的一种简单方法，它将复杂的数字模型以一系列的三维三角形面片来近似表达。STL模型是一种空间封闭的、有界的、正则的唯一表达物体的模型，具有点、线、面的几何信息，能够输入给增材制造设备，用于快速制作实物样品。随着增材制造技术的发展和应用，STL文件格式也得到了各CAD/CAM软件公司的广泛支持。在医学、自然科学和工程领域里，STL技术也得到了广泛的应用。

利用三维扫描仪等三维数字化工具对物理原型进行多方位三维扫描，经过点云数据的预处理与优化，得到物体完整的三维数据模型，对该数据模型进行表面三角形小平面化处理，类似于有限元的网格划分，即用许多空间三角形面片来逼近CAD模型，当三角形面片小到一定程度，其近似性可达到工程允许的精度范围内，其数据文件称为STL文件，可以直接输入3D打印/增材制造设备，用于3D打印/增材制造。

3 利用3D打印技术提取立体足迹的方法

3.1 器材的准备

电脑与三维扫描仪必须配套使用，两者通过数据线相连，因Artec 3D扫描仪无自配电源，需在220v供电环境下使用，使用时必须保证电源连接无误，否则会有损扫描仪正常使用及使用寿命。通过实验验证，选择ABS树脂和液态光敏树脂作为打印耗材来制作立体足迹模型，获得较好的打印效果，其中INSPIRE D290打印机配用ABS耗材，ProJet 660pro打印机配用光敏树脂耗材。

3.2 利用Artec 3D扫描仪扫描现场足迹影像

连接3D扫描仪电源，打开Artec studio 9扫描软件界面，点击界面“扫描”工具栏后，按下开关按钮，这时扫描仪会出现闪烁的光束并伴有“嗞嗞”的响声；移动扫描仪，将扫描仪至于沙地立体足迹的上方，从足迹前缘向后跟缓慢移动，同时查看电脑软件的即视窗口，根据电脑成型的物象进行进一步补充扫描。整个扫描过程只需短短的30秒至1分钟，完成扫描后关闭电源开关，拆除扫描仪。

3.3 物象数据的加工与整合

Artec 3D扫描仪生成的物象为STL文件格式，将数据导入ZBrush 4R6软件，使用Z-Brush 4R6软件的工具栏对3D扫描仪扫描的多余物象进行框选、删除，只保留3D立体足迹的主体部分。数据加工完毕后，将新形成的物象数据导入Zedit软件，功能强大的Zedit软件能够最快速便捷的将三维数据文件转换为可供3D systems三维打印成型机使用的数据格式。数据整合完毕后，将数据传输给与3D打印机连接的电脑。

3.4 用3D打印机打印立体足迹模型

3.4.1 利用INSPIRE D290 3D打印机获取模型

打开INSPIRE D290 3D打印机的物料仓，装入ABS打印耗材，打开电脑数据接口，按下3D打印机的开关按钮，待3D打印机启动后，通过外部透明窗口查看打印喷头运行情况，8小时候沙地立体足迹模型制作完毕。取出摸型，模型呈浅象牙色，有轻微毛糙感，表面光泽，重量较轻，特征反应明显。对模型进行标注、编号、存档。

3.4.2 利用ProJet 660pro 3D打印机获取模型

打开ProJet 660pro 3D打印进的物料仓，装入罐装光敏树脂打印耗材，常温下，光敏树脂为液态，设置3D打印机工作温度和通风条件，打开电脑数据接口，启动3D打印机，电脑界面会提示操作步骤，操作完成后电脑界面出现计时窗口和停止打印窗口。通过外部透明窗口观察打印喷头运行情况及物象成型状态。3小时后，沙地立体足迹模型制作完毕。开启外盖，取出模型。模型色泽稳定，表面光滑无粗糙感，边缘反应清晰，特征反应明显。对模型进行标注、编号、存档。

4 3D打印制模技术优势

利用3D打印技术制作立体足迹模型大大地节省了现场勘验检查的时间，整个现场立体足迹扫描过程不超过1分钟，加工整合可以在后期操作且数据及时保存，不受现场条件约束，能够数据化还原现场，数据采集后可即时上传与公安专网办案系统进行资源共享，以便及时串并案件、远程分析及查询比对。3D打印技术作为一种新型的数字化制模技术，实现了非接触式扫描，在提取现场足时不会对立体足迹产生人为破坏，不会因刑事技术操作不当而导致足迹发生变形或模型破损、断裂等不良后果。相对传统石膏制模，3D打印技术制作的足迹模型精致细腻，保存年限长，不易被破坏，能高精度的还原现场立体足迹特征，完整保留立体足迹的细节特征，减少了繁杂的操作步骤，提高了工作效率。同时也一定程度上提高了现场足迹在刑事案件侦破及刑事诉讼中的利用率。