基于犯罪现场的图像与建模相结合的虚拟现实技术研究

杨军海 王战伟 于敬

(石家庄市公安局，河北石家庄050020)

基于犯罪现场的图像与建模相结合的虚拟现实技术研究

杨军海 王战伟 于敬

(石家庄市公安局，河北石家庄050020)

本文研究图像与建模相结合的虚拟现实技术，把握图像与建模相结合的尺度，使建立的虚拟环境既有好的真实感，又有好的实时性。图像与建模相结合的虚拟现实技术具有广阔的应用前景，该技术的研究能够有力地推动虚拟现实技术理论与应用研究的发展，特别是对犯罪现场重构技术的研究具有重要的理论意义和应用价值。

虚拟现实；图像与建模；传感器模块

一、引言

虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、心理学等。虚拟现实技术是在很多领域都广泛应用的技术，将虚拟现实技术融入不可达现场信息监控系统体系中，目标是用视觉、音效和动态参数的二维可视化建立一种高度融洽的人机关系，实现虚拟场景与现场信息的实时交互性，用具有机器智能与现场真实感相结合的可视化环境，体现人机相融的新型控制理念。虚拟现实技术一直面临实时性与真实感之间的矛盾。逼真的虚拟环境往往包含很大的数据量，这导致渲染效率下降，而采用简化模型建立的虚拟环境真实感较差。

虚拟现实是在计算机图形学、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，进入20世纪90年代以来，迅速发展的计算机硬件技术与不断改进的计算机软件系统相匹配，使得基于大型数据集合的声音和图像的实时动画制作成为可能。人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入输出设备不断地进入市场。而这些都为虚拟现实系统的发展打下了良好的基础，该技术应用于犯罪现场的重构，对快速、准确的锁定犯罪嫌疑人、快速破案具有重要的理论意义和应用价值。

二、虚拟现实技术实现方法

把虚拟现实分为两大类基于虚拟现实设备的虚拟现实和基于软件的虚拟现实。基于虚拟现实设备的虚拟现实是指虚拟环境的创建依赖于虚拟现实硬件设备，如立体眼镜、数据手套、数据衣头盔显示器等，基于虚拟现实设备的虚拟环境一般都是完全沉浸式的虚拟环境;基于微机的虚拟现实主要是指基于普通微机设备以软件技术实现的虚拟现实，它可采用基于图像的方法或基于建模的方法实现，基于微机的虚拟环境一般是部分沉浸的虚拟环境。从虚拟现实的发展历史可以看出，虚拟现实技术主要在基于虚拟现实设备的虚拟现实领域取得了一系列成果。在基于微机的虚拟现实领域，虽然微机硬件的发展迅速，但软件瓶颈在很大程度上阻碍了基于微机的虚拟现实技术的发展。基于图像的方法和基于建模的方法是实现基于微机的虚拟现实的两种方法。

（一）虚拟现实技术体系结构

从实现方法上可将虚拟现实分为基于虚拟现实硬件设备的虚拟现实和基于软件的虚拟现实两大类。由于基于微机的虚拟现实主要采用软件方法实现半沉浸式的虚拟环境，因此，基于微机的虚拟现实又称为基于软件的虚拟现实。同时，基于硬件的虚拟现实也离不开软件控制部分。基于硬件的虚拟环境体系结构如图1所示。典型的基于硬件的虚拟现实系统有VIDEOPLACE系统、VIEW系统、Super Vision系统等。

VIEW系统是第一个走出实验室进入工业应用的虚拟环境系统，VIEW系统允许操作者以自然的交互手段考察全视角的人工世界，目前大多数基于虚拟现实硬件设备的虚拟现实系统体系结构都是由此发展而来的。

图1 基于虚拟现实硬件的虚拟环境体系结构

基于软件的虚拟现实仅仅以普通计算机设备为交互设备，通过软件方法实现虚拟现实系统。基于软件的虚拟现实一般以鼠标和键盘作为输入设备，以显示器和耳机作为输出设备，因此，一般只能实现半沉浸式的虚拟现实系统。

（二）基于硬件的虚拟现实结构

目前成熟的虚拟现实系统绝大部分是依赖于虚拟现实硬件设备的，且主要是基于工作站的，对基于普通微机外设的虚拟现实的研究还很薄弱。无疑，工作站的普及程度远远不如微机，互联网上的虚拟现实更是以微机为基础，而且对于普通用户而言，虚拟现实外设是非常昂贵的，因此，研究基于微机和普通外设的虚拟环境非常有必要。从实现方法上虚拟现实体系结构如图2所示。从组成模块来看，虚拟现实系统由以下模块组成:

图2 虚拟现实体系结构实现方法

输入模块：是虚拟现实系统的输入接口，其功能是检测用户的输入信号，并通过传感器模块作用于虚拟环境。对于基于虚拟现实硬件设备的虚现实技术而言，输入模块一般是数据手套和头盔显示器上的传感器，用于感应手的动作、手和头部的位置；对于基于软件的虚拟环境而言，输入模块一般是指键盘、鼠标、麦克风等。

传感器模块：是虚拟现实系统中操作者和虚拟环境之间的桥梁。一方面，传感器模块接受输入模块产生的信息，并将其作用于虚拟环境；另一方面将操作后产生的结果反馈给输出模块。

响应模块：是虚拟现实系统的控制中心。响应模块一般是软件模块，其作用是处理来自传感器模块的信息，如根据用户视点位置和角度实时生成三维模型，根据用户头部的位置实时生成声效。

图3 虚拟现实的体系组成结构

反馈模块：是虚拟现实系统的输出接口。其功能是将响应模块生成的信息通过传感器模块传给输出设备如头盔显示器、耳机等，实时渲染视觉效果和声音效果。从系统组成结构来看，虚拟现实的体系结构如图3所示。

（三）基于软件的虚拟现实

1.基于图像的方法

全景图生成技术是基于图像的方法的关键技术四。了解全景图首先要了解视点和视点空间。视点是指用户某一时刻在虚拟实景空间中的观察点，观察时所用的焦距固定。视点空间是指某一视点处用户所观察到的场景。全景图实际上是空间中一个视点对周围环境的360°的全封闭视图。根据全景图允许浏览的空间自由度，全景图可分为柱面全景图和球面全景图，柱面全景图允许用户对场景进行水平空间360°环绕浏览，球面全景图允许用户对场景进行经纬360°全方位的环绕浏览。全景图生成方法涉及基于图像无缝连接技术和纹理映射技术，其原始资料是利用照相机的平移或旋转得到的部分重叠的序列图像样本。纹理映射技术用于形成封闭的纹理映射空间，如柱面纹理映射空间和球面纹理映射空间。用户可以在柱面全景空间中进行水平360°范围内任意视线切换，在球面全景空间中进行经纬360°范围内任意视线切换。基于图像的三维重建和虚拟浏览是基于图像的虚拟现实的关键技术。

2.基于建模的方法

基于建模的方法是以几何实体建立虚拟环境。几何实体可采用计算机图形学技术绘制，也可用己有的建模工具如AutoCAD、3DStudio等建立模型，然后以统一数据格式输出，进行实时渲染。建立虚拟现实模型后，通过加入事件响应，实现移动、旋转、视点变换等操作，从而实现交互式虚拟环境。

基于建模的方法主要涉及以下关键技术:

（1）三维实体建模技术虚拟环境的建模是虚拟现实技术的核心内容，动态建模则是建模技术的难点。动态建模技术的目的是获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。三维数据的获取可以采用CAD技术(有规则的环境)，而更多的环境则需要采用非接触式的视觉建模技术，两者的有机结合可以有效地提高数据获取的效率。

（2）实时渲染技术实时渲染是实现虚拟环境真实感的关键技术之一，假如实时性不好，用户在虚拟环境中浏览或操纵时，会出现视觉或听觉滞后。假如从一个视点转向另一个视点，或操纵虚拟环境中的物体时，需要等待很长时间，用户很难在虚拟环境中获得参与感和沉浸感。为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于15祯/秒，最好是高于30祯/秒。如何在不降低视觉效果的前提下，减小图形数据量，是该技术的主要研究内容之一。

（3）碰撞检测、干涉校验及关联运动为使虚拟环境对事件产生与真实环境相同的反馈，碰撞检测、干涉校验及关联运动是不可缺少的技术，在机械虚拟装配、机械设备虚拟布局等技术中，碰撞检测和干涉校验就显得尤为重要。如，当虚拟环境下的汽车前有障碍物时，汽车不能越过障碍物，假如没有碰撞检测和干涉校验技术，汽车就有可能穿越障碍物，这显然不符合现实逻辑。关联运动则反映虚拟环境中物体之间的连动关系。目前还没有解决碰撞检测的完全性和唯一性问题的高效算法，同时，对于虚拟环境下关联运动的研究还是空白。

（4）物理属性。物理属性包括实体表面光滑程度、光学效果、软硬程度、密度、力学特性等。软触觉与力反馈是基于建模的虚拟现实物理属性的主要实现方法。由于软件瓶颈的限制，虚拟环境的物理属性一直是虚拟现实技术的难点。

3.基于软件的虚拟现实体系结构

图4 基于软件的虚拟现实体系结构

三、总结

本文阐述了虚拟现实技术基本理论，并从多个角度分析了虚拟现实技术的体系结构。首先，给出了虚拟现实的确切定义，并通过具体实例阐明了虚拟现实与仿真的相似与区别。分别从实现方法和组成模块两个角度，阐明了虚拟现实技术的体系结构。着重探讨了基于软件的虚拟现实技术的体系结构、关键技术、以及技术难点。由于计算机应用的普及，对基于软件的虚拟现实技术的研究显得尤为迫切。基于软件的虚拟现实的两种实现方法MBM和IBM各有其优缺点，图像与建模相结合的方法就是充分发挥两种方法各自的优点，以解决虚拟场景实时性与逼真性之间的矛盾，为犯罪现场重现技术提供了可靠的理论基础。

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[4]王彦成,田宏安.虚拟现实光线跟踪加速方法研究[J].创新与实践，2016,(14):110-111.

[5]李琳,张子逊,何玉林.虚拟环境建模方法及应用[J].重庆大学学报(自然科学版),2002,25(6):32-34.

［编辑：张钦］

D918.3

A

1672-6405（2016）04-0027-04

杨军海（1968-），男，河北灵寿人，河北省石家庄市公安局技术侦察支队高级工程师。

王战伟（1978-），男，河北无极人，河北省石家庄市公安局技术侦察支队工程师。

于敬（1980-），女，河北威县人，河北省石家庄市公安局技术侦察支队助理工程师。

2016-07-20

河北省教育厅科学研究重点项目“犯罪现场重构关键技术研究”（项目编号：ZD2016040）研究成果。