基于三维激光扫描的虚拟仿真技术在教学中的应用——以浙江警察学院虚拟犯罪现场实验中心为例

刘 猛,王斌杰,殷克华,王启超

(1.浙江警察学院,浙江 杭州 310053)(2.浙江省公安厅,浙江 杭州 310009)(3.桐乡市公安局,浙江 桐乡 314500)

为学习贯彻落实习近平总书记关于强化实践育人工作的重要指示精神和全国高校思想政治工作会议精神,以及《教育信息化十年发展规划(2011-2020年)》《教育信息化“十三五”规划》和《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知(教高函〔2018〕5号)》等一系列与教育信息化相关文件的要求,高校教师应树立教育信息化的理念,将教育信息化摆在支撑引领教育现代化的战略地位,写好教育“奋进之笔”,探索现代信息技术与教育的全面深度融合,以信息化引领教育理念和教育模式的创新,充分发挥教育信息化在教育改革和发展中的支撑与引领作用,增强学生在网络环境下提出问题、分析问题和解决问题的能力。

2018年,公安部下发了有关加强公安院校公安专业人才现场勘查能力建设的相关文件,文件强调,要加强公安院校公安专业人才现场勘查能力的建设,要求凡是公安院校公安专业学生都要学习犯罪现场勘查课程。这不仅为公安院校犯罪现场勘查课程带来了新的挑战,也给本就紧张的现场勘查实训场地带来了更大的压力。

根据党中央的决策部署和教育部、公安部的要求,结合公安院校犯罪现场勘查教学、实训等实际情况,将基于三维激光扫描的虚拟仿真技术应用到犯罪现场勘查课程的教学实训中,努力创新信息化教学与学习方式,提升个性化互动教学水平,积极探索信息技术与教育教学的深度融合,依靠信息技术、虚拟仿真技术对犯罪现场勘查课程相关教学资源进行数字化建设、对教学实训进行改革创新,成为了全面提升公安院校公安专业人才现场勘查能力、解决学校实训场地紧张的一条切实可行的路径。

一、技术原理与实践应用

将三维建模应用到犯罪现场分析重建的案例屡见不鲜,特别是在弹道分析、[1]血迹分析[2]上的应用,依靠的主要技术包括基于图象建模、计算机模拟建模等。三维激光扫描技术在三维建模领域的应用越来越常见,该技术又称“实景复制技术”,它提供了一种快速、直接、高精度获取高密度、点云式三维空间信息的技术手段,三维激光扫描技术在犯罪现场分析重建中的应用成为了近年来国内外研究的热点。

国外的研究不仅对三维激光扫描技术应用于现场勘查的场景和方法进行了探讨,而且还对该技术应用的法律适应性、使用成本等进行了深入研究。2010年,波兰的Krzysztof探究了利用三维激光扫描技术进行犯罪现场重建的可能性,还探讨了该技术在证据收集中的法律基础,他在论文中总结了三维激光扫描技术具有精确、客观、非接触、无损检测等优点,并得出了三维激光扫描技术适用于犯罪现场重建分析,并且符合相关法律规定要求的结论。[3]2012年,意大利的Barazzetti L比较了三维激光扫描和摄影测量两种用于快速记录事故或犯罪等复杂场景的技术。三维激光扫描技术允许通过密集的点云对复杂场景进行快速几何重建,并且根据区域大小使用不同种类的扫描仪器进行数据采集,以达到所需的详细程度;摄影测量技术既可以用于几何重建,也可以达到激光扫描的真实感纹理。摄影测量更注重小细节,激光扫描提供了更全面的整个现场的几何视图。最后还在论文中分享了两种技术的应用经验。[4]瑞士的Ursula在2013年的论文中列举了借助三维激光扫描技术用于确定案件性质的两起案件。一起枪击案件和一起汽车撞击案件,作案人是否主观故意成为法庭上的争辩焦点,案件性质无法确定,给法庭审判带来了困难。最后利用三维激光扫描技术和真实的现场数据成功地对犯罪现场进行了分析与重建,为案件定性做出了重大贡献。[5]三维激光扫描技术也被应用于交通肇事现场的分析重建中,2020年英格兰的Waltraud利用三维激光扫描技术分析重建了一起致命的行人车辆碰撞事故,成功地还原了交通事故现场,确定了事故性质。[6]

近年来,三维成像技术功能愈发强大,帮助现场勘查人员突破了许多传统方法无法实现的瓶颈制约,越来越多的重大案事件开始应用该技术进行现场分析重建。作为一种相对较新的法庭科学技术,2018年澳大利亚的Domenic从不同角度论证了该技术的有效性以及法律适用性,以指导和促进三维成像技术在犯罪现场分析重建等法庭科学领域的应用和发展。[7]同时，随着全球越来越多的犯罪现场勘查部门采用三维激光扫描技术协助案件勘查,该技术居高不下的使用成本成为了一个令人诟病的话题。2019年,美国的Tredinnick开发了一种三维激光扫描的成本效益分析算法对该问题进行了深入研究。该算法基于真实三维扫描结果和一个由犯罪现场勘查人员组成的小组对这项技术的讨论结果,对开发的成本效益算法进行了10万计数的蒙特卡罗模拟,得出的结果可以更好解释三维激光扫描技术在犯罪现场调查中的成本效益问题。[8]

国内对三维激光扫描技术的研究也是先从实战应用出发,再不断深入研究，提升应用效果，拓展应用场景。蔡能斌于2011年就提出了利用三维激光扫描技术进行现场重建的技术方法。该方法首先使用三维激光扫描仪对犯罪现场进行数据采集,获取现场三维点云数据,然后根据点云数据进行现场建模和动画模拟,可以精确地还原重现犯罪过程,具有较强的交互性和沉浸感。[9]2017年,刘晋对基于三维激光扫描技术的犯罪现场重建进行了研究,介绍了三维激光扫描设备的分类和具体的三维激光扫描技术流程,并根据个人经验按照犯罪现场的范围大小提出了不同的三维重建方案。[10]

也有国内外研究人员将三维激光扫描技术和虚拟现实技术的融合进行了研究,并取得了不错的效果。2018年,Ren Pu利用包括三维激光扫描、基于图像的建模和软件建模等各种流行的技术,构建了室内犯罪现场的三维模型集合,综合运用计算机图形学、基于草图的建模和虚拟现实技术,开发了一种成本低、速度快，适用于现场分析与重建的三维犯罪现场呈现方法和交互式实时虚拟漫游应用程序,并通过实例验证了该方法的可行性和有效性。[11]左倪娜于2019年将三维激光扫描技术与虚拟现实技术融合应用于犯罪现场分析与重建,提出了利用三维激光扫描进行犯罪场景重建和利用虚拟现实技术实现场景漫游的设计思路,并结合实例探讨了对小范围、中型规模和大型规模的犯罪现场重建的技巧和经验。[12]2019年,Wang Jinming利用不同的三维激光扫描设备对犯罪现场进行多角度、全方位的三维空间数据采集,并使用虚拟现实技术对扫描现场进行沉浸式的呈现,通过专家经验和计算机辅助工具相结合对现场的各项证据进行解释,从而实现犯罪现场的分析重建,取得了令人满意的效果。论文还通过一起真实案件的具体应用,证明了基于激光扫描的三维成像技术的应用有助于对案件进行更加深刻的现场分析与调查。[13]

三维激光扫描技术应用于交通事故现场分析重建也是国内研究的一个热点。2017年,孙杰运用三维激光扫描技术结合多刚体动力学和遗传算法优化,对一起汽车与自行车碰撞的交通事故进行了分析与重现,为法医学死因鉴定提供了生物力学依据,在交通事故责任认定、致伤和死因分析鉴定上具有应用价值。[14]李胜东、章雪团队于2018年利用三维激光扫描技术对交通事故现场扫描记录后进行分析重建,成功还原了事故发生过程。[15]其团队后续于2020年还开展了三维激光扫描和计算机技术在还原事故现场、事故过程重建及驾乘关系鉴定中的应用研究,使用三维激光扫描技术对一起交通事故现场进行记录,再结合计算机技术、人体损伤对事故现场分析重建,确定了事故过程和车内人员运动轨迹。[16]2021年,缪启锋利用三维激光扫描设备对标记后的事故现场扫描记录,运用计算机技术对采集的高精度点云数据进行建模,准确、高效地还原了特定瞬间的事故现场,为事故现场重现提供了一种科学有效的方法。[17]

从目前了解的情况来看,全国公安院校少有将三维激光扫描技术应用到犯罪现场勘查课程的教学过程中。浙江警察学院犯罪现场勘查课程教学团队与校局合作实战部门于2018年就开始研究将三维激光扫描技术应用于犯罪现场勘查实战,在研究过程中发现三维激光扫描获取的点云数据难以体现犯罪现场丰富的纹理细节,生成的现场数据可视化效果达不到犯罪现场勘查的要求。为解决这个问题,团队一方面从算法上对生成的三维点云数据进行优化,另一方面进行重点技术攻关,提出了运用数据融合的方法解决三维模型传统顶点着色渲染存在数据体量大、渲染效果差等问题。

全景影像数据是由一系列多视角图像构成,可记录场景全视角下完整且真实的影像信息,能够为用户提供身临其境的视觉体验,弥补了三维点云数据可视化效果不佳的缺陷,而且三维激光扫描设备可以同时采集点云数据和全景影像数据。因此,团队提出了将激光点云和全景影像数据融合生成清晰纹理的方法。该方法利用全景球模型将多站全景影像在空间上运用反距离加权方法进行颜色域融合,同时计算纹理像素点的空间映射点到全景球中心的通视遮挡,并进行纹理图像空白填充,完成三维点云与全景影像的数据融合,实现三维点云与全景影像快速结合生成高清纹理图像,减小最终整体数据的体量,提升视觉效果,更加符合犯罪现场勘查实战应用的要求。[18]

使用三维激光扫描设备同步采集现场的点云和全景影像数据,利用开发建设的平台软件将海量三维点云信息与超高分辨率的全景影像数据有机融合,集成三维激光扫描技术超高的精密度和全景数据优异的可视化效果,能够更加准确、客观地对犯罪现场进行记录和展示,满足犯罪现场勘查的要求,也为后续虚拟仿真实训项目的开发奠定了良好基础。在国内公安院校相关专业领域的实践应用中,浙江警察学院是目前少有的将此研究成果应用到犯罪现场勘查课程理论和实训教学中的高校。

二、浙江警察学院虚拟犯罪现场实验中心的建设及应用

犯罪现场勘查是一门集侦查学、刑事科学技术学、诉讼法学等多学科于一体的交叉学科,不但理论性强,而且具有极强的操作性和实战性。目前全国公安院校普遍存在犯罪现场勘查实验实训场地不足的困境,而浙江警察学院根据教育信息化发展的要求,结合学校具体情况,利用三维激光扫描虚拟仿真技术对犯罪现场勘查课程进行数字化建设和虚拟仿真教学改革创新,开发建设了虚拟犯罪现场实验中心。

(一)虚拟犯罪现场实验中心的建设

1.建设理念。传统的犯罪现场勘查实训场地是以实物为主的实体模拟现场,利用有限的场地资源最大可能地还原最常见的犯罪现场类型,用于教师教学和学生实训。传统的模拟犯罪现场具有一定的局限性,例如受限于场地原因,涵盖的犯罪现场类型有限,模拟犯罪现场更新繁琐,更新周期长且成本高,无法紧跟犯罪形势的变化,对犯罪现场勘查教学的设计更新有一定的影响,教师无法与时俱进地更新模拟现场进行相关的实训教学,学校也没有更多的场地供教师去布置、更新模拟现场。近年市面上的虚拟仿真实训产品基本都是公司搭建的固定的犯罪现场模型,更新模型又要增加投入,不是一个绿色、可持续的发展道路。

浙江警察学院犯罪现场勘查课程教学团队基于前期的研究成果,创新虚拟仿真的理念和思路,提出将常见的犯罪现场、物证利用三维激光扫描技术进行数据的采集、建模,建立一个常见的数字化的虚拟犯罪现场实验中心,内设常见犯罪现场数据库和物证数据库,包括一些经典案件的现场和物证。由于基于三维激光扫描建立的数字化虚拟犯罪现场实验中心仅由数据构成,只会占据硬盘的空间,不会占据真实空间,因此，对于实训场地紧张的学校来说是个绝佳的选择,完美地解决了实训场地不足、模拟犯罪现场更新不及时的问题,对传统实体模拟现场是很好的补充。而且浙江越来越多的公安基层单位开始将三维激光扫描技术运用到一些重特大案件的现场勘查中去,为数字化的犯罪现场数据库的持续建设提供了便捷条件。教学团队将实战部门采集到的数据加工处理后充实到虚拟犯罪现场实验中心数据库中,模拟真实现场将会给犯罪现场勘查教学和实训项目设计带来巨大帮助,真正做到依托校局合作模式,实现实战促教学、教学助实战的效果。将数字化虚拟犯罪现场实验中心和传统模拟犯罪现场有机结合,可以更有效地提升学生的犯罪现场勘查能力。同时，为了贯彻绿色、可持续发展的虚拟仿真项目建设理念,团队提出开发具有自由创建犯罪现场、线上布置现场、勘验现场功能的平台。教师可以根据教学需求在数字化的虚拟犯罪现场实验中心创建新的犯罪现场、线上布置现场并向学生发布勘验任务,而不是再增加投入进行现场模型更新,开发建设的不单纯是某一个虚拟犯罪现场勘查的实训项目,而是创作虚拟仿真实训项目的工具,有利于真正实现绿色、可持续发展。

2.建设情况。根据相关文件要求,依托教学改革项目,积极开展虚拟仿真实验实训项目的开发建设。目前，浙江警察学院已经完成了虚拟犯罪现场实验中心一期三维犯罪现场分析重建平台的建设。平台具有测量、痕迹物证标注、拍照、漫游以及一键生成现场图等功能,可以实现对犯罪现场信息的加工和处理。平台提供了便捷的人机交互手段,可流畅地在三维实景中以VR和第一人称视角自由漫游,提供更强的代入感,使学生犹如身在现场,有利于增强对犯罪现场的认知,更好地为犯罪现场勘查课程的教学和实训服务。目前,团队已经将学校的所有实体模拟现场、校史馆、教师办公室和一些真实案件现场等24个场景采集添加到平台犯罪现场数据库中。(详见图1)

图1 浙江警察学院三维犯罪现场分析重建平台

浙江警察学院虚拟犯罪现场实验中心二期项目初步完成,并将一期项目中的功能进行融合,可实现真实案件教学、在线勘查教学和线下实训教学三种不同场景的教学模式任意切换。二期项目建设核心是开发一套可自由进行虚拟仿真实训项目创作的绿色、可持续发展的工具平台,建立基于真实场景的虚拟仿真线上实训系统。教师可根据教学需求,基于上传的三维实景或自定义绘制的场景,自主搭建烘焙出纯仿真场景,实现线上自建犯罪现场、布置现场和发布勘验任务。系统提供了教师端现场布置工具和学生端模拟勘验的全流程服务,并具有基于三维实景“边看边勘”的现场勘查功能,以及教师在线查看、批阅、评分等教学模块功能,真正做到虚实结合,完全实现线上虚拟仿真犯罪现场勘查实训。(详见图2)

图2 浙江警察学院虚拟犯罪现场实验中心

(二)虚拟犯罪现场实验中心的教学应用

教师既可以直接利用虚拟犯罪现场实验中心的真实经典犯罪现场进行课堂案例教学,也可以利用数字化平台中基于真实场景的虚拟犯罪现场和物证,根据教学需要在线布置犯罪现场进行线上实训教学。

1.理论教学应用。课堂案例教学中,借助浙江警察学院虚拟犯罪现场实验中心,通过三维激光扫描和全景影像技术采集到的相关数据信息,还原犯罪现场,大大提升影像数据的利用价值,实现让学生身临其境感受犯罪现场并理解掌握犯罪现场勘查的教学目的。将基于三维激光扫描的虚拟仿真技术应用到课堂教学中去,教师可以更好地介绍犯罪现场,学生可以更直观地理解、感受犯罪现场。将新科技、新手段应用于课堂教学中去,丰富教学手段、创新教学模式,不仅可以将课堂变得生动有趣,而且还可以让学生在校期间“亲身”体验经典的犯罪现场,培养学生对犯罪现场的掌控和理解能力。

2.实训教学应用。创新实训教学模式,将三维激光扫描和全景影像记录的犯罪现场应用到实训教学中去,教师可以根据教学需要,选用浙江警察学院虚拟犯罪现场实验中心犯罪现场数据库中的场景环境,插入常见的痕迹物证在线布置犯罪现场,学生在线即可进行虚拟仿真实训。在2020年线上教学期间,教师通过平台线上布置虚拟犯罪现场,学生在家就可以登陆学校三维犯罪现场分析重建平台体验三维犯罪现场并进行相关实训。虚拟犯罪现场实验中心二期项目可以更好地满足师生线上实训的需求,实现从教师在线布置现场,包括选择合适的现场去布置现场痕迹物证以及一键送检后的检验鉴定结果,到学生在线勘验现场,寻找发现固定提取送检勘验取得的痕迹物证,根据现场勘验情况制作三录材料,①根据现场物证送检鉴定结果和其他的线索进行现场分析,运用辩证法和侦查思维对现场进行重建,结合三维实景和思维导图对现场勘验情况、分析重建结果进行展示汇报,最后教师对学生作业和展示汇报结果进行点评。(详见图3)

图3 基于三维激光扫描的虚拟仿真实训建设思路

三、教学改革与实践效果

将基于三维激光扫描的虚拟仿真技术应用于犯罪现场勘查教学中,能够做到知识、能力、素质的有机融合,更好地锻炼学生的逻辑推理思维、总结汇报能力,着重培养学生解决复杂犯罪现场的综合能力和高级思维,全面提升学生犯罪现场勘查能力与水平。特别是作为教学难点和重点的犯罪现场分析重建内容,对学生的综合能力和逻辑思维有较高的要求。利用三维激光扫描技术可以帮助学生高效地提升现场分析的能力和水平。在三维激光扫描记录的犯罪现场中插入通过实地勘验寻找发现固定提取的与犯罪相关的痕迹、物证,并贯彻落实“全时空全要素动态勘查快采、快录、快比、快研”的理念,结合勘验过程中第一时间送检的痕迹物证反馈的检验鉴定结果,借助已扫描的三维实景进行犯罪行为重建,可以帮助学生对犯罪现场进行系统梳理,对犯罪行为进行分析、推导。最后，通过逻辑推理重现作案人的犯罪过程,完成对犯罪现场的分析与重建,可以培养学生侦查思维,提升分析、解决复杂问题的能力,从而全面提升犯罪现场勘查水平。游戏感十足的三维场景展示符合年轻人的兴趣和习惯,更容易被学生所接受。通过学生实训及作业情况,可以看出，基于三维激光扫描的虚拟仿真技术全面地提升了学生犯罪现场勘查的能力和水平。

将基于三维激光扫描的虚拟仿真技术应用于犯罪现场勘查课程,受到了教师和学生的一致好评。课程结束后,为检验教学改革的实施效果,对参加教学改革区队的36名学生进行了网络问卷调查,回收有效问卷36份,有效率为100%。问卷数据统计结果主要如下:97.22%的学生对“基于三维激光扫描的虚拟仿真技术”在犯罪现场勘查理论和实训教学上的应用表示满意;91.67%的学生对于教学改革的成效表示满意;94.44%的学生认同基于三维激光扫描的虚拟仿真的教学方式,并认为相较于传统的照片展示和模拟现场教学,这种教学方式更有助于加强对犯罪现场的认识和理解;77.78%的学生认为基于三维激光扫描的犯罪现场分析更加直观,更有利于进行犯罪现场重建,通过此类技术的应用全面提升了自己的犯罪现场勘查能力;25%的学生提出实训作业过多,希望可以减少作业量。上述问卷数据统计结果表明,教学改革基本达到了预期的效果。

利用三维激光扫描和全景影像对犯罪现场进行记录和展示,可以让学生更加直观地体验教学案例中的犯罪现场,更容易理解犯罪现场勘查的重点和难点,身临其境的体验感增强了学生的学习兴趣。虚拟犯罪现场实验中心极大地丰富了教师的教学素材,实现了全面线上实训的目标,在减轻教师工作量的同时也提升了教师教学效果,给场地紧张的学校带来了新的发展空间。研究成果还成功地应用到《刑事影像技术》《痕迹检验》《刑事科学技术》等有案例教学、现场勘验、现场照相需求的课程中。授课教师根据教学需求,选择虚拟犯罪现场实验中心内合适的案件、场景进行案例教学或者在线实训教学,特别是在线实训教学的应用,授课教师课前在线布置现场,提出训练要求,发布实训作业,学生课上在线完成实训任务,很大程度上避免了学校排课时出现实训场地冲突、学生实训无法多次训练的痛点,得到了教师和学生的一致好评。

四、结语

随着科技的进步,信息技术和虚拟仿真技术将在教育领域发挥更加重要的作用。为响应党中央的号召，贯彻落实教育部和公安部的要求,浙江警察学院提出了将基于三维激光扫描的虚拟仿真技术应用于犯罪现场勘查教学,特别是打造的基于真实场景的自主创建仿真场景的虚拟犯罪现场实验中心,符合将教育信息化作为教育系统性变革的内生变量,支撑引领教育现代化发展的思路,真正做到了信息技术与教育教学的深度融合。团队还将不断研究基于实景的虚拟仿真技术,继续探索多元数据的融合交互,并结合元宇宙的理念,基于扩展现实技术增强沉浸式体验,基于数字孪生技术生成现实世界的镜像,[19]打造属于犯罪现场勘查教学的“元宇宙”,持续赋能课程建设和专业发展。

注释:

①三录材料:犯罪现场勘查记录的形式主要包括现场笔录、现场绘图和现场照相,通常称为三录材料。