發(fā)布時(shí)間：2017-04-17 15:46

第 1 章  緒論 

1.1 研究背景及意義 
眾所周知在當(dāng)今社會(huì)中涉槍類(lèi)案件頻頻發(fā)生，恐怖主義襲擊也是屢見(jiàn)不鮮，它們給社會(huì)安定和人民的生命安全帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅。刑偵工作人員在偵查這些涉槍案件的時(shí)，收集現(xiàn)場(chǎng)中最重要的證據(jù)之一就是子彈彈頭，法醫(yī)技術(shù)人員通過(guò)對(duì)收集的彈頭進(jìn)行彈痕數(shù)據(jù)采集、成像、觀測(cè)和對(duì)比，最終找出對(duì)應(yīng)槍械的類(lèi)型。刑偵工作人員以此為線索可以更快速的偵破案件，同時(shí)彈頭也可以作為有力的物證指正兇手，因此彈痕鑒別技術(shù)在法醫(yī)技術(shù)工作中十分重要。然而槍彈痕跡的細(xì)小難辨，加上易造成物理傷害，使得技術(shù)人員難以憑借肉眼來(lái)直接分辨，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，傳統(tǒng)的人工識(shí)別很容易造成錯(cuò)誤匹配。為了解決此類(lèi)問(wèn)題研究人員開(kāi)始了針對(duì)彈痕的自動(dòng)識(shí)別匹配系統(tǒng)的研究，已有了一定的成果。但是在對(duì)槍彈痕跡進(jìn)行對(duì)比識(shí)別之前，首要的任務(wù)就是彈痕圖像數(shù)據(jù)的可視化，彈痕可視化的效果會(huì)直接影響到后期識(shí)別的正確率。因此本文針對(duì)三維彈痕數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)和算法進(jìn)行研究，旨在實(shí)現(xiàn)槍彈痕跡特征信息的三維可視化，為后續(xù)對(duì)比識(shí)別研究奠定基礎(chǔ)，提高識(shí)別正確率，為偵破涉槍類(lèi)案件提供線索更好的打擊犯罪。 國(guó)外在這方面已經(jīng)可以做到對(duì)清晰三維彈痕圖像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別匹配且正確率很高，如加拿大法醫(yī)技術(shù)公司的 TRAXHD3D[1]。而目前國(guó)內(nèi)的槍彈痕跡自動(dòng)識(shí)別技術(shù)還是基于彈痕的二維圖像或者是簡(jiǎn)單的三維形貌圖像上實(shí)現(xiàn)的，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)三維彈痕棱線的相對(duì)深度、寬度和角度等重要痕跡信息的對(duì)比，丟失了原本彈痕圖像的深度特征信息。為了解決此類(lèi)問(wèn)題，提高后期彈痕匹配識(shí)別的正確率，本文針對(duì)槍彈痕三維圖像可視化進(jìn)行了研究。彈痕的三維圖像包含的信息是更完整的，也更為精確。同時(shí)，彈痕的三維模型可以提供給觀測(cè)者一個(gè)無(wú)限的自由觀看角度，避免了光照不均勻?qū)е碌挠^察死角，減少?gòu)椇凵疃刃畔⒌倪z漏。為未來(lái)三維彈痕圖像庫(kù)的建立和三維彈痕特征圖像的觀測(cè)比對(duì)奠定基礎(chǔ)，縮短與國(guó)外先進(jìn)三維微觀痕跡顯示技術(shù)的差距。 
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1.2 槍彈痕三維可視化算法的研究現(xiàn)狀 
三維可視化技術(shù)在槍彈痕跡處理方面的應(yīng)用比較少，相比之下，三維可視化技術(shù)在醫(yī)學(xué)和地形地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用和研究已經(jīng)比較深入，因此本文通過(guò)對(duì)其他領(lǐng)域的三維可視化算法研究和探討，找到適用于槍彈痕跡三維可視化的算法并加以實(shí)現(xiàn)。 醫(yī)學(xué)影像技術(shù)最早出現(xiàn)在 1985 年，多年的發(fā)展與變革，大量的影像技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)。影像技術(shù)獲得的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行可視化可以直觀地顯示出病灶的位置、程度等，對(duì)醫(yī)學(xué)診斷有很大的幫助。醫(yī)學(xué)圖像的可視化技術(shù)是采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的信息顯示手段對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重構(gòu)，獲得醫(yī)學(xué)影像的三維模型。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用的三維可視化算法有移動(dòng)立方體方法（Marching Cubes），光線追蹤算法（Ray Tracing），錯(cuò)切變形算法（Shear-Warp）等。 MC 算法于 1987 年由 W.Lorensen 等人提出[2]，它是一種基于體素級(jí)的重建算法，其基本思想是對(duì)數(shù)據(jù)場(chǎng)中的立方體進(jìn)行處理，找出其中與等值面相交的部分，通過(guò)相應(yīng)的插值算法求出等值面與立方體的交點(diǎn)，將等值面與立方體邊上的交點(diǎn)按一定的方式相連，生成新的等值面，新的等值面則可以作為等值面在該立方體內(nèi)的一個(gè)逼近平面。 RT 算法是由 Appe 在 1968 年提出，其原理是反向追蹤到達(dá)視點(diǎn)的光線，追蹤到影響物體表面點(diǎn)光強(qiáng)的光源，并計(jì)算出物體表面點(diǎn)的光強(qiáng)，通過(guò)光強(qiáng)程度不同來(lái)呈現(xiàn)三維的可視化效果[3]。
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第 2 章 槍彈痕三維可視化實(shí)現(xiàn)方案 

2.1 引言 

涉槍類(lèi)案件的頻發(fā)，突顯了槍彈痕跡相關(guān)方向研究的重要性。彈頭痕跡能夠?qū)�槍械�?nèi)部機(jī)件產(chǎn)生明顯的反映，具有極高的鑒定價(jià)值且擁有強(qiáng)有力的鑒定科學(xué)依據(jù)，因此可以通過(guò)彈頭痕跡特征來(lái)認(rèn)定射擊出該彈頭的槍支的種類(lèi)或者型號(hào)，這就是槍彈痕跡作為痕跡證物的重要原因。 研究槍彈痕跡三維可視化需要知道彈痕相關(guān)的知識(shí)如：彈痕的形成原因，彈痕的形成部位，彈痕的形狀分類(lèi)，可用做對(duì)比的彈痕信息等。在基于這些背景知識(shí)的情況下，對(duì)彈痕數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，才能完成后續(xù)的圖像處理和彈痕特征信息的顯示，并據(jù)此構(gòu)造槍彈痕三維可視化模型。因此本章首先對(duì)槍彈痕特征的形成機(jī)制、彈痕的特點(diǎn)和彈痕的位置進(jìn)行了介紹；然后對(duì)本文的三維可視化方案進(jìn)行了闡述。三維可視化方案主要包括槍彈痕三維數(shù)據(jù)采集方案的選取和三維數(shù)據(jù)處理方案的設(shè)計(jì)。在本章的最后，對(duì)三維可視化方案的實(shí)現(xiàn)流程做了整體的規(guī)劃，并簡(jiǎn)要介紹了方案實(shí)現(xiàn)所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)。

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2.2 槍彈痕特征介紹
為實(shí)現(xiàn)槍彈痕的三維可視化必須針對(duì)彈頭痕跡進(jìn)行研究，彈頭上的痕跡主要是由于子彈發(fā)射過(guò)程中彈頭和槍管膛線間的相互作用而造成。相互作用在子彈彈頭上形成了磕碰彈痕、坡膛彈痕、膛線彈痕、小線紋和金屬卷邊等痕跡[18]。這些痕跡信息中有些是有著重要的鑒定價(jià)值的[19]，下面進(jìn)行具體的介紹： 磕碰彈痕是在子彈進(jìn)膛過(guò)程中形成的，，不同類(lèi)型的槍支在進(jìn)膛、子彈的引導(dǎo)等都有所不同。因此在這過(guò)程中形成了不同的磕碰痕跡。主要有圓形、月牙形和點(diǎn)線狀的痕跡特征，一般出現(xiàn)在彈頭彈尖部位。 坡膛彈痕是由于彈體和槍管膛線之間擦劃形成的。擦劃痕跡成線條狀、間隔分布、面積大，痕跡清晰明顯，線條連貫且穩(wěn)定性很高。主要出現(xiàn)在彈頭圓柱部表面和彈頭尾部。對(duì)槍支的同一認(rèn)定有極高的鑒定價(jià)值。如圖 2.1 所示。 在彈頭上膛線彈痕成對(duì)出現(xiàn)，分別為陽(yáng)膛線彈痕和陰膛線彈痕。它們主要出現(xiàn)在彈頭的圓柱部。在射擊出的彈頭表面上，呈現(xiàn)一定傾斜角度并具有凹陷狀的條帶痕跡是陽(yáng)膛線彈痕（LEA），兩條陽(yáng)膛線彈痕之間的區(qū)域?yàn)殛幪啪�彈痕，在陰膛線彈痕部位幾乎不存在規(guī)律的擦劃痕跡線條，所以并不能用于彈痕的鑒定。
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第 3 章  三維彈痕圖像預(yù)處理 ......... 21 
3.1 引言 ......... 21 
3.2 三維彈痕數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化 ..... 21 
3.3 三維彈痕圖像的預(yù)處理方法研究 .......... 23 
3.4 本章小結(jié) ......... 35 
第 4 章  三維彈痕圖像特征提取算法研究 ........... 37 
4.1 引言 ......... 37 
4.2 三維彈痕圖像特征提取算法研究現(xiàn)狀 ........... 37 
4.3 基于斜率變化的三維彈痕特征提取算法 ...... 38 
4.3.1 彈痕特征提取算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程 ............ 38 
4.3.2 彈痕點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn) ....... 41 
4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ......... 47 
4.4.1 實(shí)驗(yàn)圖像對(duì)比 ........... 47 
4.4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比 ........... 47
4.5 本章小結(jié) ......... 50 
第 5 章  彈痕圖像的三維重構(gòu)算法研究 ....... 51 
5.1 引言 ......... 51
5.2 三維重構(gòu)算法介紹.......... 51 
5.3 Delaunay 網(wǎng)格化算法的介紹與實(shí)現(xiàn) ..... 52
5.4 三維彈痕特征圖像的拼接與顯示 .......... 59 
5.5 本章小結(jié) ......... 64 

第 5 章  彈痕圖像的三維重構(gòu)算法研究

5.1 引言 
三維重構(gòu)是指采用插值、逼近等方法，建立各個(gè)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系，最后得到與原曲面拓?fù)涞葍r(jià)的細(xì)小分片曲面的過(guò)程[38]。三維重構(gòu)是數(shù)據(jù)可視化和逆向工程中常用的關(guān)鍵技術(shù)，廣泛地應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、勘探、測(cè)量、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域，是三維數(shù)據(jù)可視化的重要方法[39]。正確合理的拓?fù)潢P(guān)系能夠有效地反映離散數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的原始物體表面的形狀和結(jié)構(gòu)，這對(duì)槍彈痕的三維可視化有著重要的作用和意義。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三角剖分在處理離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)上已得到了廣泛的應(yīng)用，并且算法和理論相當(dāng)成熟，特別是針對(duì)復(fù)雜、海量的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拓?fù)湫Ч�比較好[40-41]。三維重構(gòu)是數(shù)據(jù)可視化和逆向工程中常用的關(guān)鍵技術(shù)，近年來(lái)備受?chē)?guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注。相應(yīng)的曲面重構(gòu)算法逐步被提出，在理論和應(yīng)用方面也是日趨成熟。應(yīng)用最廣泛的有以下幾種方法：分段線性法，隱式曲面法，參數(shù)曲面法和物理變形法等[42]。 分段線性法：分段線性法也叫做網(wǎng)格剖分法，該算法通過(guò)大量細(xì)小三角面片構(gòu)建三角網(wǎng)格逼近待重構(gòu)的曲面，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)三角網(wǎng)格的構(gòu)建反映數(shù)據(jù)點(diǎn)與其鄰近點(diǎn)之間的拓?fù)浜瓦B接關(guān)系[43-44]，由于三角網(wǎng)格曲面便于曲面模型的計(jì)算機(jī)三維顯示，可以表示任意復(fù)雜的拓?fù)淝�面，越�?lái)越多的工程釆用三角形表示物體表面模型。根據(jù)網(wǎng)格剖分的不同可有如下幾類(lèi)方法：基于體素的方法，區(qū)域增長(zhǎng)法，四叉樹(shù)、八叉樹(shù)法還有 Delaunay 網(wǎng)格法等。本文選擇 Delaunay 網(wǎng)格法針對(duì)彈痕三維曲面進(jìn)行了重構(gòu)。 
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結(jié)論

本文首先介紹了槍彈痕三維可視化的研究背景和意義，對(duì)彈痕三維顯示方向的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，闡述了槍彈痕跡顯示方面國(guó)內(nèi)外技術(shù)上的差距，說(shuō)明了槍彈痕三維可視化算法研究的重要性。 接著本文對(duì)槍彈痕跡特征的產(chǎn)生機(jī)理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和類(lèi)型劃分進(jìn)行了描述，介紹了槍彈痕跡三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其采集原理和采集過(guò)程，通過(guò)高精度的光學(xué)采集設(shè)備完成了槍彈痕三維圖像數(shù)據(jù)的采集。 然后本文針對(duì)槍彈痕三維數(shù)據(jù)的預(yù)處理進(jìn)行研究，完成了數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化，更便于計(jì)算機(jī)編程處理；針對(duì)三維彈痕形貌圖像中的離群點(diǎn)，基于坡度濾波原理設(shè)計(jì)了離群點(diǎn)去除算法；又通過(guò)幾種插值算法的對(duì)比，選擇三次多項(xiàng)式插值完成了彈痕三維形貌曲面的空洞修補(bǔ)；參照計(jì)算粗糙度的 ISO11562 高斯濾波器，設(shè)計(jì)了二維高斯帶通濾波器，實(shí)現(xiàn)了彈痕特征信息的提取和彈痕曲面的展平；基于槍彈痕跡特征的方向性改進(jìn)了濾波算法，采用 7×7 方向?yàn)V波模板完成了彈痕的方向?yàn)V波，突出了槍彈痕跡特征的顯示。 本文提出了一種基于彈痕棱線斜率變化提取彈痕特征的特征提取算法，通過(guò)計(jì)算確定了彈痕三維棱線的參數(shù)限定范圍，采用該算法實(shí)現(xiàn)了彈痕棱線特征相對(duì)深度、寬度和角度的比對(duì)，完成了彈痕的識(shí)別。并且將彈痕識(shí)別正確率從 85.6%提高到了 90.2%，由于減少了人工選擇子彈切面位置的過(guò)程，單組彈痕數(shù)據(jù)的對(duì)比由 120s 縮減到了 32.7s。對(duì)彈痕點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了配準(zhǔn)，采用點(diǎn)云主方向貼合法進(jìn)行了彈痕點(diǎn)云數(shù)據(jù)的粗配準(zhǔn)，根據(jù)經(jīng)典的 ICP 算法完成了彈痕點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精配準(zhǔn)，配準(zhǔn)效果較好，為彈痕特征參數(shù)的比對(duì)奠定了基礎(chǔ)。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：313657