基于3D技术的轮胎痕迹检验研究.pdf

中国人民公安大学学报(自然科学版)2023 年第 2 期 No.2 2023Journal of People蒺s Public Security University of China(Science and Technology)总第 116 期 Sum116基于 3D 技术的轮胎痕迹检验研究谭铁君1,2,摇 莫红匡1,摇 洪登鹏1,摇 孙婉喧1,摇 李摇 通1(1.西南政法大学刑事侦查学院,重庆摇 401120;2.重庆高校刑事科学技术重点实验室,重庆摇 401120)摘摇 要摇 目的 研究利用轮胎立体痕迹的三维模型进行定量化、自动化比较检验的可行性;方法 先利用打样膏制作轮胎压印痕迹,而后利用德国 GOM 三维量测系统采集轮胎压印痕迹的三维模型数据,并借助德国 GOM 公司的ATOS Inspect Suite 2020 软件对三维模型数据进行重叠对齐比较检验;结果 来自轮胎相同部位压印痕迹的三维模型重叠对齐效果好,误差小,能够反映造痕体的同一性。来自轮胎不同部位压印痕迹的三维模型重叠对齐效果差,细节特征出现多处分离,差异大,能够反映不同造痕体的差异性;结论 利用德国 GOM 三维量测系统对轮胎压印痕迹进行定量化比较检验可行,且可实现自动化比较检验。关键词摇 轮胎痕迹;3D 技术;比较检验;量化检验中图分类号摇 D918郾 91文献标志码摇 A收稿日期摇2023鄄02鄄23基金项目摇重庆教委科学技术研究重点项目(KJZD-K202000301);西南政法大学校级重点项目(2021XZNDZD-05)。作者简介摇谭铁军(1969),男,辽宁沈阳人,硕士,副教授。研究方向为物证技术。E鄄mail:Research on the Examination of Tire Marks Based on3D Scanning TechnologyTAN Tiejun1,2,摇 MO Hongkuang1,摇 HONG Dengpeng1,摇 SUN Wanxuan1,摇 LI Tong1(1.School of Criminal Investigation,Southwest University of Political Science and Law,Chongqing 401120,China;2.Chongqing Institutes of Higher Education Forensic Science Key Laboratory,Chongqing 401120,China)Abstract:Objective:To study the feasibility of quantitative and automatic comparative examination oftire marks by their three-dimensional models.Methods:First,the tire impression marks were made bythe mould paste,and then 3D model data of the tire marks were collected by the German GOM 3D meas鄄urement system.Finally,the 3D model data were examined for overlap and alignment comparison by thesoftware of ATOS Inspect Suite 2020 from GOM.Results:The 3D models from the same part of the tiremarks had good overlap and alignment effect and small error,which could reflect the homogeneity fromthe same object causing the marks.The overlap and alignment of 3D models from different parts of thetire were poor,with multiple separations of detail features and large errors,which could reflect the differ鄄ences from different objects causing the marks.Conclusions:Quantitative comparison of tire marks usingthe German GOM three鄄dimensional measurement system is feasible,and the automatic and comparativeexamination can be achieved.Key words:tire marks;3D technology;comparative examination;quantitative examination1谭铁君等:基于 3D詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬技术的轮胎痕迹检验研究0摇 引言随着我国汽车数量的日益增多,涉及车辆轮胎痕迹的各类案件的发生率也在逐年提高。根据公安部发布的统计数据,截至 2021 年年底,全国机动车的保有量达 3郾 95 亿辆。2021 年,全国新注册登记机动车 3 674 万辆,比 2020 年增加 346 万辆,涨幅10郾 38%;比 2019 年增加 460 万,涨幅 14郾 31%。另据国家统计局中国统计年鉴2021 报道,2020年,我国交通事故共发生 244 674 起,其中死亡人数达 61 703 人,受伤人数达 250 723 人,造成直接财产损失为 131 360郾 6 万元。车辆轮胎痕迹的检验鉴定对于交通事故案件的解决至关重要。车辆轮胎痕迹鉴定主要包括种属认定和同一认定1。通过轮胎痕迹鉴定,不仅可以为分析事故过程、事故原因,以及车辆行驶轨迹、碰撞方向和速度等提供依据2,还可以为侦查和审判提供有力证据3。案件现场较常见的车辆轮胎痕迹主要分为滚印、压印、拖印和侧滑印,或由于车辆轮胎受力不均、胎面温度过高而发生爆裂的痕迹。轮胎痕迹按照反映形象不同可分为立体痕迹和平面痕迹,如人体衣物上的轮胎痕迹多为平面痕迹,泥土上的轮胎痕迹多为立体痕迹,承痕客体的性质、结构等方面的差异均会对轮胎痕迹产生一定影响。轮胎胎面的机械性损伤和磨损性的细节特征是同一认定的主要依据,如磨损、龟裂、小孔、缺损等特征4。为了降低错误判断同一的概率,在选择痕迹的时候可以多选择几处痕迹,并观察痕迹与痕迹之间的位置关系和联系。目前,我国的轮胎痕迹鉴定工作多以二维平面轮胎痕迹为主,多是对轮胎痕迹拍照后进行特征比较检验5。对于现场的轮胎立体痕迹依旧沿用传统的浇灌制模提取方法,不仅容易破坏现场痕迹,而且细节特征反映也比较粗糙,运输、保存成本也较高,并且传统的三维痕迹鉴定多数需要从实物着手,检验时可能会对检材造成物理性永久损伤,对以后鉴定造成无法挽回的影响,并且某些检材客体容易发生形态上的变化,需要的保存条件比较苛刻,保存成本过高,管理难度较大。目前,信息技术与大数据技术快速发展并逐步完善,新技术层出不穷,为了充分发挥痕迹物证在司法实践中的作用,有必要在痕迹检验领域引入新技术,研发新仪器,创造新方法。在新的时代背景下,对于提高痕迹鉴定的效率和质量尤为关键。展望未来,随着科技进步痕迹提取和检验的新技术方法也会越来越多,诸如 3D 打印技术6、3D 显微镜技术7等已经逐渐在痕迹检验中得到应用,新技术在几何参数测量精度和细节特征形态识别等方面均有了较大的提升8-9。因此,本研究尝试为轮胎痕迹的提取和鉴定寻找一个新的方法,以供同行参考。1摇 实物痕迹三维模型的采集方法本研究采用 GOM 蓝光三维扫描量测系统采集、分析痕迹数据。该系统为德国产 GOM 蓝光三维扫描量测系统,测量头为 ATOS CORE 80 镜头,单次扫描范围臆120 mm,整体扫描精度臆0郾 01 mm,单次投影范围臆80 伊 60 mm,扫描点距臆0郾 025 mm。该系统通过数据采集、点云配准、数据融合等一系列过程,在计算机中对实物虚拟重建物体三维模型。它是一种通过实物扫描后得到点云数据,并在计算机中进行三维模型重构的设备。扫描时,系统的光栅投影装置将特定编码的蓝光投影到痕迹实物上,然后由成一定夹角的两个摄像头同步采集相应图像,并利用匹配技术、三角形测量原理等技术,得出两个摄像机公共视区内物体表面各个点的三维坐标,进行点云数据采集。GOM 蓝光三维扫描量测系统的软件平台包括 ATOS Scan software 软件和 ATOSInspect Suite 2020 软件等,该系统硬件平台包括GOM 蓝光三维扫描仪、ROT350 自动转盘、T5820 工作站等,系统组成如图 1 所示。该系统采集的数据精度高,可达微米量级,能够采集痕迹表面的细微纹理结构特征。采集数据后可以利用系统软件 ATOSInspect Suite 2020 进行定量化测量和检验,如可以测算出实物模型的面积、体积、长宽、深度等结构参数数据。利用该系统采集轮胎实物痕迹三维模型数据的具体过程如下:首先,制作轮胎胎面痕迹。为了检测该项技术方法对轮胎痕迹微观结构特征的采集效果,本研究使用牙科打样膏制作轮胎胎面痕迹。即先选用 60 益温水加热软化牙科打样膏(红色),而后选择待检测轮胎胎面的局部进行标记,并用该部位在软化的牙科打样膏上挤压制作痕迹样本,待打样膏冷却硬化后,即可得到轮胎胎面的立体痕迹样本。其次,采集轮胎胎面痕迹样本的三维模型数据。先将设备专用标志点贴于轮胎胎面痕迹样本检测部位,而后开启GOM 蓝光三维扫描量测系统进行预热。预热完毕2谭铁君等:基于 3D詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬技术的轮胎痕迹检验研究图 1摇 GOM 蓝光三维扫描量测系统摇之后,将轮胎胎面痕迹样本放置于 ROT350 自动转盘上,调整好扫描仪探测头的高度和角度,使得轮胎胎面痕迹样本位于系统扫描框之内,并使十字准心对准测量样本。在室温 13 益条件下进行扫描,设定图 2摇 轮胎痕迹及其对应的三维模型旋转扫描次数为 10 次,因为旋转次数越多,系统会将多次采集的数据自动融合,所得到的模型对原物的反映性越好。测量时需要注意,不要触碰桌面或者在实验室内走动,因为震动会干扰扫描,甚至使扫描无法进行。扫描结束后,即得到一个轮胎胎面痕迹样本的三维模型。随后可导出采集的数据,输出为 STL 文件,并命名为与样本相对应的名字,保存于样本模型文件夹,以备后续测量及比较分析,痕迹样本及采集的三维模型如图 2 所示。2摇 实物痕迹三维模型的定量化检验方法为了测试三维采集技术方法是否能用于检验轮胎胎面痕迹,选取同一轮胎的相同部位和不同部位,制作了 25 个轮胎痕迹样本,其中同源的 15 个,异源的 10 个。并利用前述三维模型采集方法,分别提取了这些轮胎痕迹样本的三维模型数据,并保存为三3谭铁君等:基于 3D詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬技术的轮胎痕迹检验研究维模型文件,命名为轮胎痕迹样本 A、B、C 等,其文件名后缀为.stl,实验操作皆在室内进行,环境温度为 13 益。因为工业上将机械零件实物的三维模型数据以网格配件导入分析软件,将机械零件模板三维数据以 CAD 配件导入分析软件,而后用软件重叠对齐功能检测二者间的误差,进而判断零件加工是否合格。所以我们尝试借用此技术方法,比较痕迹样本 A(视为样本痕迹)与痕迹样本 B(视为检材痕迹)之间的异同,从而借助自动分析模式评断二者的异同。实验时我们将轮胎同一部位形成的多个立体痕迹两两互相配对,而后将配对痕迹中的一个痕迹视为检材痕迹,将另一个痕迹视为样本痕迹,扫描提取这一对痕迹的三维模型数据后,再进行重叠对齐比较。轮胎不同部位形成的多个立体痕迹也如此进行比较。本研究使用系统自带的 ATOS Inspect Suite 2020 软件进行自动重叠对齐检验,具体操作过程如下:打开 ATOS Inspect Suite 2020 软件将轮胎痕迹样本 A(视为样本痕迹)的三维模型文件以网格配件导入,将轮胎痕迹样本 B(视为检材痕迹)的三维模型文件以 CAD 配件导入。由于所制作的打样膏痕迹样本并非高精度零件,软件无法自动预对齐,所以需进行手动预对齐,由手动选择两个痕迹样本三维模型中较为明显的 3 个特征点进行预对齐,在确保 3 个特征点重叠对齐后,选择“曲面比较冶中的“CAD 上的曲面比较冶和“实际网格上的曲面比较冶功能键,接着选用“逐点检测冶 功能中的“偏差标注冶,将两者的差异点可视化,进而逐点分析判断轮胎痕迹样本 A 与轮胎痕迹样本 B 之间的异同,然后可以点击“创建报告页冶将标注完整的痕迹模型导出成报告模式或生成 PDF 档案。实验中我们分析了同一轮胎胎面同一部位 15 个印压形成的立体痕迹的符合点与差异点,如图 3 所示。实验中我们还分析了同一轮胎胎面不同部位印压形成的 10 个立体痕迹的符合点与差异点,如图 4 所示。图中颜色的变化代表了二者重叠对齐的效果,蓝色与红色的出现表明二者重叠对齐效果较差,绿色代表二者完全重叠对齐,橙色、浅蓝色介于效果差和效果好之间。研究发现:轮胎同一部位的多个立体痕迹三维模型的对齐效果均较好,不同立体痕迹三维模型之间的数据差异均较小,差异数值皆小于0郾 636 5 mm。两次印压的痕迹三维模型之所以无法做到完美重图 3摇 轮胎同一部位的立体痕迹的对齐效果(注:灰色区域为检材痕迹,彩色区域为检材痕迹与样本痕迹重叠区域)摇图 4摇 轮胎不同部位的立体痕迹的对齐效果(注:灰色区域为检材痕迹,彩色区域为检材痕迹与样本痕迹重叠区域)摇合,是因为橡胶客体有一定弹性,每次制作痕迹样本的压力大小不一致时,就会产生微小误差。对于轮胎不同部位的立体痕迹进行重叠对齐比较时,我们先通过目视观察方法选出较为相近的两个立体痕迹三维模型配对,而后再进行自动重叠对齐比较。比较后发现:轮胎不同部位的多个立体痕迹的对齐效果均较差,不同立体痕迹三维模型之间的数据均有较大差异,且多数差异数值接近 1 mm,少数差异数值 1 mm,还存在部分位置无法对齐现象,且发现将检材痕迹三维模型与样本痕迹三维模型对齐后的模型表面上凸凹变化较复杂,细节特征差异表现较丰富。实验中,我们采用多次重复比较分析,不同人重复比较分析等方法,尽力排除了人为干扰因素。依据上述实验的数据分析同源和异源的判断阈值应该在 0郾 7 mm 左右,差异值 0郾 7 mm 的应为异源样本,差异值 0郾 7 mm 的应为同源样本。为了直观分析不同痕迹三维模型之间的差异,4谭铁君等:基于 3D詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬技术的轮胎痕迹检验研究我们对重叠对齐的痕迹三维模型进行了截面对比分析,即先将样本痕迹三维模型文件与检材痕迹三维模型文件导入 ATOS Inspect Suite 2020 软件进行重叠对齐,而后选择“检测截面冶中的在“实际网格上的截面比较冶,即可以比较分析不同痕迹三维模型在同一截面部位的异同,如图 5、6、7 所示。为了定量化分析二者差异,可选用“逐点检测冶功能中的“偏差标注冶,将不同痕迹三维模型在该截面部位上的差异数值可视化。图 6、7 反映截面的轮廓,标注的数字为重叠单元之间的差异。图 5摇 检材与样本痕迹三维模型重合后选取截面分析(注:绿色线条部位为选取的截面位置)摇图 6摇 检材与样本痕迹三维模型重合后选取截面的形态摇对于轮胎而言,轮胎同一部位形成的不同痕迹的三维模型重叠后,选取的截面曲线变化较多,细节特征丰富,无论是整体关系,还是局部细节,均能反映出痕迹模型的重合程度良好,特别是细节部位贴合程度很高,极少见明显差异点。图 5、6、7 中黑色问号标注(误差计算值)反映的是样本痕迹三维模型数据的缺失,非本质性差异。采用三维模型重叠对齐比较方法对这类痕迹检验时,既可以定量分析图 7摇 中所截取的截面的“可见专属冶模式摇差异,也可以直观目测二者的形态轮廓拟合程度,如图 6 所示,图中灰色为检材痕迹三维模型,彩色为样本痕迹三维模型。研究发现在检材和样本上若仅发现一处或二处痕迹能够重合,并不能够作为同一认定的依据,因为不能排除巧合的情况出现。进一步研究发现最少需要有 3 处以上的对应位置的痕迹能够在重叠对齐比较时完全重合,才有可能是本质性同一,此时需要在截面比较中进一步分析,才能确定是否为本质性同一。除了上述比较检验技术方法外,系统自带的ATOS Inspect Suite 2020 软件的分析能力较强大,如可使用此软件评估三维模型的诸多结构参数数据,也可实现各种三维分析功能。对于痕迹检验而言,可利用 ATOS Inspect Suite 2020 软件对三维模型进行多种类几何参数分析,如距离、长宽、角度等,其模型上测量的数据均为实际尺寸数据,其量化比较数值可作为检材与样本同一认定的依据。关于距离、长宽参数测量的具体操作方法如下:首先,利用系统自带的 ATOS Inspect Suite 2020 软件打开上述的郾 stl 数据文件后,在打开的窗口界面,调整三维模型的大小和方向;其次,选择“构造冶“距离冶等功能标注痕迹的大小或位置关系等;最后,选择“检验冶功能键,得出标注结构参数的具体数值。关于角度参数测量的具体操作方法如下:导入三维模型数据后,先依次点击软件界面菜单栏中的构造、平面、拟合平面。根据软件提示的操作键位,利用“在曲面选择/取消曲面选择冶功能,选取三维模型某个平面的拟合平面。需要注意的是在创建拟合平面的时候,需要使拟合平面与三维模型平面贴合,才能保证实验数据测量的精准性。最后依次点击系统软件界面菜单栏中的构造、角度、两方向,利用三维模型两个平面的两个拟合面来测量三维模型任意两平面或两个5谭铁君等:基于 3D詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬技术的轮胎痕迹检验研究切面的夹角。需注意的是使用上述测量方法时,采集设备必须要有足够的扫描精度,如 GOM ATOSCORE 80 镜头扫描精度臆0郾 01 mm,否则测量的数据与实际真值会有较大偏差。ATOS Inspect Suite 2020 软件程序不仅可以测量痕迹的大小、长度、深度等三维数据,以及多个特征点之间的关系,而且其测量值都与实际真实数值相同,检测数据真实可靠,其检测精确度相比传统测量方法更高。此外,还可以对痕迹的横截面进行检测,能够直观的展现三维痕迹深槽底部结构的细微特征,这将有助于分析判断痕迹的形成方式、造痕体、施力方向、角度等等,而这些深槽部位的细节特征用传统检测方法往往难以观察清楚,这些信息都是传统鉴定方法在无损条件下无法获取的。同时,ATOS Inspect Professional 2020 软件具有兼容性,其检测的三维模型可以是出自 GOM 设备本身,也可以是出自其他应用设备。测量分析工作既可以使用 GOM 公司的含软件应用许可的应用软件,还可以使用免费的 ATOS Inspect Suite 2020(或2019)等版本软件。检验时需注意以下事项:收集到检材痕迹和样本痕迹后,将痕迹实物放置于转盘上进行扫描提取三维模型数据时,最少需要旋转扫描 8 次,才能保证采集提取的三维模型数据的完整性。且旋转扫描次数愈多,痕迹三维模型的数据愈完整,但文件也会随之变大,后续相应的测量、分析等工作也需要更长时间。痕迹模型也可在 ATOSInspect Suite 2020 软件内实现翻转,翻转后的痕迹三维模型可与轮胎表面进行直接比较,分析二者间形状、结构、特征距离等参数异同。选择 ATOS In鄄spect Suite 2020 软件的重叠对齐功能对痕迹三维模型进行比较时,不可制作面积过大的痕迹样本,否则存储文件太大会影响运算速度,需要有针对性地选择重点比较检验部位,尽量制作较小范围的痕迹三维模型。3摇 结论上述研究表明德国 GOM 三维量测系统可以对轮胎痕迹进行准确点阵建模、无损提取,并可保证后期高精度三维测量和定量化比对检验,提供客观、可靠的鉴定判别依据,可以提高检验效率和鉴定质量。该方法可以将实物的立体信息转换为计算机能够处理的数字信号信息,为实物数字化提供了方便快捷的手段。与传统的轮胎痕迹采集方法相比较,利用三维光学扫描系统提取轮胎痕迹的三维模型数据反映效果更好,且不会使痕迹客体发生任何变化。而且采集数据后,借助自动重叠比较功能不仅可以提高对轮胎立体痕迹检验的准确性,而且可减少主观性误判,使得检验更科学,检测的信息更全面。还能通过确立合适的容差范围或误差阈值,逐步实现自动识别两个痕迹是否源于同一个造型客体。GOM 量测系统自带的 ATOS Inspect Suite 2020软件的功能强大,且软件是基于参量检测原理进行运作,每个测量元素保留了软件结构中其创建顺序,由此软件也保存下元素间的从属关系,所以扫描提取痕迹三维模型后,对痕迹三维模型进行溯源或数字化存储、检索的工作变得十分方便,不仅可以减少管理的人力物力,还可以节约保存成本。同时,精确提取痕迹三维模型后,检验工作可以围绕痕迹三维模型展开,鉴定人员能够直接在 ATOS Inspectsuite2020 软件平台上对痕迹特征进行观察、提取和测量,使得鉴定工作更加便捷。参考文献1摇王震,李迪.车辆轮胎痕迹检验鉴定技术研究综述J.公路与汽运,2009(2):50-53.2摇张辉,余加友.痕迹检验技术在交通事故中的运用J.广东公安科技,2012(4):41-43.3摇 欧阳常青.交通事故中轮胎爆破痕迹的检验与应用J.中国司法鉴定,2012(2):56-58.4摇 季峻.汽车轮胎胎面磨损特征辨识和应用J.江苏警官学院学报,2012(5):177-179.5摇 郑鹏飞,王燕蓉.车辆轮胎痕迹检验技术的研究J.法制博览,2016(13):157.6摇 郑立人.浅谈 3D 打印技术及其在痕迹检验中的应用前景J.法制博览,2019(12):129-130.7摇 郭威,丁锰,杜春勇.一种三维测量和检验枪弹痕迹的方法J.中国人民公安大学学报(自然科学版),2009(2):5-7.8摇 GERULES G,BHATIA S K,JACKSON D E.A survey ofimage processing techniques and statistics for ballisticspecimens in forensic science J.Science&Justice,2013,53(2):236-250.9摇 BRINCK T B.Comparing the performance of ibis and Bul鄄letTRAX鄄3D technology using bullets fired through 10consecutively rifled barrelsJ.Journal of Forensic Sci鄄ences,2008,53(3):677-682.(责任编辑摇 于瑞华)6