专利名称：现场立体足迹数字化综合处理系统的制作方法
技术领域：
本发明是指一种现场立体足迹数字化综合处理系统。主要是完成现场立体 足迹信息数字化采集、立体足迹三维比对及立体足迹雕刻还原。
背景技术：
立体足迹是在犯罪现场上遗留率最高的一类痕迹，是犯罪现场最常见的痕 迹物证之一。立体足迹检验鉴定能够反映案犯犯罪现场活动的轨迹，以及案犯 的个体信息，因此，立体足迹可以为侦查破案工作提供线索，并且可以作为证 据揭露和证实罪犯。世界上许多国家的警察机关对犯罪现场遗留立体足迹的研 究和利用都很重视。传统的立体足迹检验鉴定方法主要依据立体足迹检验专家和学者的经验以及手工操作。通常的立体足迹检验鉴定步骤是a.现场提取立体足迹；b.人工 测量比对计算。现场提取立体足迹提取主要通过石膏制模方法。石膏制模方法虽然可以较 好的反映立体足迹轮廓特性，但是在实际搡作中难度较大。石膏制模方法具有 提取时间长、技术要求高、以及只能进行一次性有损提取等缺点。石膏立体足 迹检验鉴定通常只通过手工测量和经验分析，因此，立体足迹检验鉴定难以保 证定量化和科学化。石膏立体足迹易碎、易磨损、不易于携带、不易于长期保 存。现有技术方案中，我国立体足迹检验专家、学者不满足于传统的经验型、 手工操作式的立体足迹检验手段，开始运用人体运动力学、高等数学与计算机 技术，研究和解释人体行走与足迹形成的机理，以及影响足迹变化的相关因素， 将步法与形象检验相结合，不仅进一步丰富了我国足迹检验理论，也创造了许多新的检验方法和手段。现有技术中，足迹的二维图像输入计算机进行分析， 但这类方法忽略了足迹的立体信息，因此分析准确性下降。发明内容有鉴于此，本发明是一种现场立体足迹数字化综合处理系统，实现现场立 体足迹信息数字化釆集、立体足迹三维比对及立体足迹雕刻还原。 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种现场立体足迹数字化综合处理系统，包括光学投射器、CCD摄像头、步进电机、支架、计算机；光学投射器、CCD 摄像头、步进电机装在支架上；光学投射器用于照射立体足迹，进行光学编码；CCD摄像头用于釆集光学编码图像；步进电机用于驱动光学投射器和CCD摄像头步进；计算机对CCD摄像头光学编码后的图像进行数字图像分析，得到立体足迹 三维点云数据。所述光学投射器可以是指激光器，用于投射线结构光。所述光学投射器可以是激光器，用于投射点结构光。所述光学投射器可以是指栅光源，用于投射栅结构光。所述CCD摄像头共有一个或两个，CCD摄像头轴线与光学投射器投射方 向间夹角为0度至90度，两个CCD摄像头对称放置于光学投射器两侧。所述步进电机由计算机控制，驱动CCD摄像头和光学投射器作平移运动。所述现场立体足迹数字化综合处理系统进一步包括立体足迹雕刻还原装 置，根据三维点云数据雕刻还原立体足迹。所述现场立体足迹数字化综合处理系统进一步包括立体足迹三维比对装 置用于立体足迹三维比对检验。本发明的现场立体足迹数字化综合处理系统，能够有效克服传统石膏制模 方法测量不准确，测量速度慢，并且不便于携带的缺点。本发明的现场立体足迹数字化综合处理系统，通过现场立体足迹信息数字化釆集，更科学，精度更 高，提取时不会破坏现场立体足迹，可以实现多次无损提取。立体足迹三维比 对为鉴定人员提供更科学，更方便的鉴定工具。立体足迹雕刻还原可以加工制 作立体足迹模型，可以选用重量轻且质地结实耐用的材料加工还原，很容易制 作多个相同立体足迹模型，克服传统石膏立体足迹唯一性、精度低等缺陷。
图1为本发明现场立体足迹数字化综合处理系统架构示意图； 图2为本发明现场立体足迹数字化综合处理系统流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。如图1所示为本发明现场立体足迹数字化综合处理系统架构示意图。本发明现场立体足迹数字化综合处理系统包括现场立体足迹信息数字化釆集101、计算机102中立体足迹三维比对软件装置以及立体足迹雕刻还原装 置103。现场立体足迹信息数字化采集101用于采集现场立体足迹104信息，包括 支架105、激光器106、 CCD摄像头108和109、步进电机110、导轨lll、计 算机102。支架105包括四条腿和一个桌板。激光器106、 CCD摄像头108和109、 步进电机IIO、以及导轨111装于支架105上。光学投射器将结构光投射到现场足迹上。光学投射器可以釆用激光器106, 或其他光学投射器，放置位置与激光器106位置相同。本发明的光投射器以激 光器106为例，投射光模式采用线结构光，线结构光模式复杂度低、信息量大， 应用最为广泛，在实际应用中，可以釆用其他光源投射器，以及投射点结构光 或栅结构光。激光器106投射光线垂直向下，激光器在现场足迹上投射线结构 光形成投射光带107。CCD摄像头108和109装于激光器106两侧，对称放置，且CCD摄像头 108和109轴线与光学投射器投射方向间夹角为0度至90度，用于采集结构光 光学编码图像。由于采用了双CCD摄像头，可以提高减小盲区，提高测量精度。 CCD摄像头108和109前装有窄带滤波片，釆集图像首先进行窄带滤波，用于 提高图像质量，窄带滤波片由玻璃多层镀膜实现。CCD摄像头釆集的图像经图 像釆集卡112送入计算机102。计算机102利用编程语言对通讯控制模块软件编程，控制步进电机110使 激光器106、 CCD摄像头108和109、激光器106与CCD摄像头108和109连 接的横梁沿导轨111发生步进位移，投射光带107投射位置在现场立体足迹上 进行移动，完成激光光带控制定位扫描，通过步进方式，便于釆集一系列图像， 编程语言如对0++8^1(161"、汇编语言。投射光带107每移动一个位移，现场立体足迹光学编码图像就由CCD摄像 头108和109通过图像采集卡传入计算机中，由计算机102进行数字图像分析 得出三维点云数据。计算机102的数字图像分析包括数字图像处理提高图像 质量；由于CCD摄像头108和109之间存在角度，需要进行双摄像头图像融合； 并由光学编码图像计算三维信息，禾拥快速中心算法提取光带中心，由于成像 存在空间投影畸变，经空间校正得到三维点云数据。三维点云数据可在计算机102中用于立体足迹三维比对，和/或用于立体足 迹雕刻还原装置103雕刻还原立体足迹。计算机102中立体足迹三维比对软件装置用于立体足迹图像三维比对，通 过重构空间点实现立体足迹三维重构，对立体足迹图像进行三维建模、光线处 理、色彩处理、，紋理映射、多级分辨率图像显示、紋理贴图等搡作。可以进行 双视场比对，也可以只显示一个视场。双视场可以重叠后进行轮廓线比对、等 髙线分析。立体足迹三维点云数据根据计算数控G代码算法，生成数控G代码。数控 G代码输入立体足迹雕刻还原装置103进行雕刻还原，本发明的立体足迹雕刻 还原装置是指数控机床，数控机床根据数控G代码加工还原立体足迹。如图2所示，本发明现场立体足迹数字化综合处理系统包括四个部分现场立体足迹信息效字化采集202、数字图像分析208、立体足迹三维比对214 以及立体足迹雕刻还原217。本发明现场立体足迹数字化综合处理系统的工作流程为现场立体足迹 201经结构光光学编码照明，由CCD摄像头采集由结构光光学编码的现场立体 足迹图像，经过数字图像分析208得到三维点云数据，立体足迹三维比对214 利用三维点云数据重构立体足迹并进行双视场三维比对，三维点云数据生成数 控机床加工代码，利用数控机床进行立体足迹雕刻还原217。现场立体足迹201在刑侦领域是指犯罪现场留下的脚印痕迹。 现场立体足迹信息数字化采集202是指从实际场景中提取立体足迹的数字 图像信息。光学投射器将结构光投射到现场立体足迹表面，在表面形成反映现 场立体足迹表面形状特性的点或线，称为结构光光学编码照明203。光学投射 器可以是激光器。结构光分为点结构光模式204、线结构光模式205以及栅结 构光模式206。点结构光模式204是指光投射到现场足迹上的图案形状为点， 线结构光模式205是指光投射到现场足迹上的图案形状为一条线，栅结构光模 式206是指光投射到被测物体上的图案形状为一组栅线。CCD摄像头采集图 像207，可以采用一个或两个CCD摄像头，因为单一摄像头的方法存在缺点 且实现效果不佳，本实施例以采用两个成一定角度的CCD摄像头作为最佳实 施例。CCD摄像头轴线与光学投射器投射方向间夹角为0度至90度，两个 CCD摄像头对称放置于光学投射器两侧。釆集图像，通过对图像叠加及处理、 可以扩大测量范围、縮小盲区、减少测量数据缺失、提高测量精度。CCD摄像头采集图像207，运用了窄带滤波技术，由窄带滤波片实现，窄 带滤波片装于CCD摄像头前，采集图像首先进行窄带滤波。窄带滤波技术根据 光的干涉原理，仅允许一定波长范围的光通过，采用玻璃多层镀膜实现。CCD 摄像头前装有窄带滤波片，用于降低环境光对图像质量的影响、提高图像信噪 比。如果使用点结构光模式204或线结构光模式205，计算机根据精度要求，驱动步进电机，再采集一系列光学编码图像。点结构光模式204采用双轴步进电机，进行x， y轴两个方向的步进扫描；线结构光模式205釆用单轴步进电机， 只进行x轴方向步进扫描；栅结构光模式206，可以采用单轴步进电机进行x 轴方向步进扫描，也可以采用双轴步进电机进行x, y轴两个方向步进扫描，也 可以不采用步进电机直接将采集结构光光学编码图像，本实例如果釆用栅结构 光模式，将使用双轴扫描系统，利于提高精度。数字图像分析208是指将CCD摄像头采集的图像进行处理，得到立体足迹 三维点云数据。由CCD摄像头采集的立体足迹光学编码图像在计算机中进行数字图像处 理，去除噪声，提高图像质量。釆用两个CCD摄像头釆集足迹光学编码图像， 由于两个CCD摄像头之间存在一定角度，则需要对采集的两幅图像进行图像融 合。数字图像处理和图像融合后，由光学编码图像计算三维信息209。点结构 光光学编码图像计算点中心210;线结构光光学编码图像计算光带中心211;栅 结构光光学编码图像计算相位分布212。本实施例以采用线结构光光学编码图 像计算光带中心211为例。线结构光光学编码图像计算光带中心211采用快速 重心算法提取光带中心，有效提高精度。CCD摄像头采集的光带图像，像素点 坐标值和亮度信息都具有重要作用。快速中心算法提取光带中心是利用像素点 的亮度信息将像素点坐标值加权平均，得出的加权平均值即为光带中心值，光 带中心值为小数，即为亚像素，提高了精度。根据光带光强实际分布情况，利 用重心算法进行多次简单循环迭代，以及足迹光学编码图像边缘宽度的亚像素 定位，实现了快速高精度的提取亚像素级中心，有效提高了测量精度。空间校正得出三维点云数据213,由于CCD摄像头采集图像系统的投射效 应，成像存在空间投影畸变，因此需要空间校正，空间校正后需要利用空间标 定技术获得实际空间坐标。根据投影的原理，结合标定参数，计算CCD成像的 畸变参数，可以计算出立体足迹在实际空间的三维点云数据。立体足迹三维比对214是指计算机利用立体足迹三维点云数据三维重构立体足迹215，利用双视场三维比对216。三维重构立体足迹215，通过重构空间点实现。利用OpenGL技术实现三 维重构，OpenGL是SGI公司开发的3D图形设计标准应用接口 ，能够设计高性 能图形和交互视景标准。三维点云数据重构立体足迹技术包括三维建模、光 线处理、色彩处理、紋理映射、多级分辨率图像显示、紋理贴图等。双视场三维比对216,三维重构后的立体足迹图像，可以双视场方式进行 比对。左视场为立体足迹图像，右视场是实验样本图像，双视场可单独显示， 也可同时显示两个视场，并且可以实现双视场重叠观察。双视场比对方法包括 重压点检验，能准确判断足底各部位重压点的位置，自动计算并显示重压点深 度；磨损面检验，辅助检验重压面位置、大小及鞋底磨损形态，以便步法特征 和磨损特征检验；坐标检验，辅助确定立体足迹各类特征的位置、形状和大小， 分析习惯痕迹特征，实现定量化检验；网格检验，辅助确定各类立体足迹特征， 如鞋底磨损范围、重压面形状、位置及大小等；伪彩检验，辅助步法特征、磨 损特征和动力形态特征检验；测量检验，用于特征距离、角度、面积的测量检 验，辅助刻画犯罪嫌疑人。采用快速等高线搜索技术可以实现立体足迹三维比对，快速等高线搜索技 术是利用等间距高密度三维点云数据矩阵，在系统中模拟生成一系列平面，计 算平面与三维点云数据矩阵的交线，在像素级别上得出交汇点，将每个平面对 应的各交汇点进行顺序连接绘制，即可绘出等高线。传统方法使用插值法求等 高线，当数据量大时，运算速度慢。由于立体足迹三维点云数据量较大，利用 本发明的快速等高线法可以提高等高线搜索绘制速度。等高线条数和间距可以 调节。重叠视场后可以进行轮廓线比对、等高线分析。立体足迹的三维点云数据可用于立体足迹雕刻还原217。三维点云数据生 成数控机床加工代码218，通常指数控G代码。数控G代码是控制指令的有序 集合。通过解析数控G代码输出控制信号，控制数控机床雕刻加工，实现立体 足迹雕刻还原..本发明由立体足迹三维点云数据生成数控G代码，省略了传统 的需要专业软,生成数控G代码的缺陷，提高了计算速度和精度，减少时间成本和经济成本。本系统中扫描结果的点云数据是由数据点阵构成的矩阵数据， 每一点(X, Y)都对应一个测量值(Z)。计算对应刀具的三维轮廓数据，然后 计算刀具三维轮廓数据与数据点为中心处的测量结果矩阵的最近接点位置，利 用最接近点位置计算Z值，利用每个点的顺序序列可以生成多行的加工数控G 代码。立体足迹的雕刻还原219由数控机床完成。数控机床加工代码数控G代码， 用于控制数控机床加工刀头的加工路径。将数控G代码输入数控机床后，数控 机床可自动完成对三维数据的雕刻加工。雕刻还原的三维数据直接来源于三维 点云数据，而非计算机设计。数控机床能够根据加工目标自动计算加工剩余量, 并自动进行加工精度评价。可见，应用上面描述的现场立体足迹数字化综合处理系统，能实现现场立 体足迹信息数字化釆集、立体足迹三维比对及立体足迹雕刻还原。克服了传统 用石膏提取足迹速度慢、易损、精度低、不易携带等缺点。现场立体足迹信息 数字化采集能够无损、高精度提取现场立体足迹，立体足迹三维比对装置提供 给鉴定人员有效的立体足迹分析工具，通过数控机床快速加工还原立体足迹。以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的保护范围。
权利要求
1. 一种现场立体足迹数字化综合处理系统，包括光学投射器、CCD摄像头、步进电机、支架、计算机；光学投射器、CCD摄像头、步进电机装在支架上；光学投射器用于照射立体足迹，进行光学编码；CCD摄像头用于采集光学编码图像；步进电机用于驱动光学投射器和CCD摄像头步进；计算机对CCD摄像头采集的光学编码图像进行数字图像分析，得到立体足迹三维点云数据。
2、 根据权利要求1所述的一种现场立体足迹数字化综合处理系统，其特征 在于，所述光学投射器可以是指激光器，用于投射线结构光。
3、 根据权利要求l所述的一种现场立体足迹数字化综合处理系统，其特征 在于，所述光学投射器可以是激光器，用于投射点结构光。
4、 根据权利要求l所述的一种现场立体足迹数字化综合处理系统，其特征 在于，所述光学投射器可以是指栅光源，用于投射栅结构光。
5、 根据权利要求1至4中任一项所述的一种现场立体足迹数字化综合处理 系统，其特征在于，所述CCD摄像头有一个或两个，CCD摄像头轴线与光学 投射器投射方向间夹角为0度至90度，两个CCD摄像头对称放置于光学投射
6、 根据权利要求1至4中任一项所述的一种现场立体足迹数字化综合处理 系统，其特征在于，所述步进电机由计算机控制，驱动CCD摄像头和光学投 射器作平移运动。
7、 根据权利要求1至4中任一项所述的一种现场立体足迹数字化综合处理 系统，其特征在于，所述现场立体足迹数字化综合处理系统进一步包括立体足 迹雕刻还原装置，根据三维点云数据雕刻还原立体足迹。
8、 根据权利要求1至4中任一项所述的一种现场立体足迹数字化综合处理 系统，其特征在于，所述现场立体足迹数字化综合处理系统进一步包括立体足迹三维比对装置用于立体足迹三维比对检验。
9、 根据权利要求5所述的一种现场立体足迹数字化综合处理系统，其特征 在于，所述现场立体足迹数字化综合处理系统进一步包括立体足迹雕刻还原装 置，根据三维点云数据雕刻还原立体足迹。
10、 根据权利要求6所述的一种现场立体足迹数字化综合处理系统，其特 征在于，所述现场立体足迹数字化综合处理系统进一步包括立体足迹雕刻还原 装置，根据三维点云数据雕刻还原立体足迹。
全文摘要
本发明公开了一种现场立体足迹数字化综合处理系统。包括光学投射器、CCD摄像头、步进电机、支架、计算机；光学投射器、CCD摄像头、步进电机装在支架上；光学投射器用于照射立体足迹，进行光学编码；CCD摄像头用于采集光学编码图像；步进电机用于驱动光学投射器和CCD摄像头步进；计算机对CCD摄像头采集的光学编码图像进行数字图像分析，得到立体足迹三维点云数据。本发明现场立体足迹数字化综合处理系统进一步包括立体足迹三维比对装置和立体足迹雕刻还原装置，能够克服了传统石膏立体足迹的缺点，实现立体足迹无损提取，为鉴定人员提供更科学方便的鉴定工具，雕刻还原立体足迹。
文档编号G06T1/00GK101268945SQ20071008724
公开日2008年9月24日 申请日期2007年3月22日 优先权日2007年3月22日
发明者王靖中 申请人:王靖中