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三维扫描与交通事故现场勘查:Origin Forensics让Artec Leo大显身手

  每次法医事故再现专家Jarrrod Carter博士见到一辆严重损毁的汽车,都觉得后面充满了等他挖掘的故事:这辆车撞桥时的时速多少?撞击前几秒钟司机踩了刹车?事发时,每位乘客都系安全带了吗?汽车的安全防护系统是否有效保护了所有乘客?

法医技术员Kyle Rothwell用Artec Leo扫描事故损毁的2014 道奇战马(位于华盛顿州斯波坎谷的Spalding汽车零售商店)

  在Origin Forensics,Carter和他的团队被邀请去调查车辆事故现场,他们搜集了各种信息, 包括无人机和三脚架激光扫描仪制作的3D模型、警方报告以及警方、监控录像、事故资料记录器(EDR,汽车上的“黑匣子”)提供的现场图片和视频。

  这些资料提供了事发前几秒内和事发过程中的大量细节:刹车使用情况、油门状态、方向盘角度、横向加速度、纵向加速度、滚转率、发动机转速、变速箱位置等等。

  最近,他们的工具箱里又增添了一位新朋友Artec Leo。

  Origin使用这款非比寻常的无线手持式三维扫描仪Leo,来挖掘事故车辆背后的故事。多次使用经验告诉他们,Leo能在一小时内,如实复制车辆内外部的情况,从前到后,精度达亚毫米级。

Artec Studio软件处理Leo扫描的2014道奇战马数据截图

  过去,为了为事故车辆复制完全一样的数字模型,他们只能使用安装在三脚架上的三维激光扫描仪。扫描过程需要围绕车辆反复调整扫描仪位置,高高低低,里里外外,尽可能详细记录车辆细节。

  这种方式已经比Carter刚入行时使用的锤球和卷尺进步了不少,但即便反复调整位置,细节品质距离“精准”还是相去甚远。

  三脚架激光扫描仪工作流程的另一大弊端就是时间问题。使用这类扫描仪,每一次扫描都要好几分钟,其中还不包括调整位置的时间。想要一份细节精确的车辆扫描,动辄一小时,有时甚至还要两三个小时。

  整车扫描,时间仓促

  Carter及其团队每次工作,基本只有4-8个小时可以接触车辆,而扫描只是工作内容的一部分。他们工作时有个原则,把每一次都看成是自己或其他人最后一次接触车辆。扫描节省下的时间,都能为他们争取到更多宝贵时间,确保勘查工作完整到位。

Jarrod Carter博士使用Artec Leo扫描道奇小面包车(华盛顿州皮阿拉普市Insurance Auto Auction)

  “正是因为这个(时间)问题,我开始寻找比三脚架激光扫描更好的解决方案。我需要速度快又灵活,这正是Leo的优势所在,特别是它没有电线,也不用连接电脑,速度就不受影响。工作时,我不再感到匆匆忙忙,能安心扫描车辆,”Carter说道。

  “车辆是我们工作的重心,有充足的时间采集数据,这点十分重要,即便过去采集过程耗时很久也是如此。现在,有了Leo,我们可以很快完成车辆的数字采集。还能通过设备后部的触摸屏,查看3D网格、纹理效果,在离开前确保已收集全部数据,”Carter说道。

  “如果有部分数据缺失,或者没有采集到我需要的细节,也能轻松采集缺失部分,设备轻轻一挥即可。而过去,使用三脚架激光扫描仪,还得等我们回到办公室,开始处理数据时,才能意识到纹理或几何出了问题。有了Leo,我们就能胸有成竹地收工回家。”

  完成大片真实纹理采集,不可或缺

  采集纹理方面,Carter对Leo的能力赞不绝口,“我们完全没料到Leo能如此逼真地捕获纹理信息。色彩和表面细节就像拍摄的相片一样,难以分辨。而且纹理不是孤立存在于点云中的,这点和三脚架扫描仪不同。”

  “相反,点与点之间是通过纹理填充的。这种填色法的一个好处就是,观察车辆时,我不再局限于勘查现场的角度,我拥有的照片也不只是当时拍摄的那些。我能根据需要,生成车辆不同角度的照片,就像勘查时拍摄的一样。”

  Carter补充道,“有了Leo,我们就能获得高度准确的扫描,包括充足的几何数据,用于分析。还能加入相片纹理,让扫描更为逼真。记得第一次放大Leo捕获的车辆模型时,我感到大为震撼。看起来和原车一模一样,这正是我们的目标。过去是万万不可能生成如此真实的模型的。绝无可能。”

Artec Studio中的道奇小面包车Leo扫描截图

  自从使用Leo后,Carter及其团队每次都期待能收获一份细节逼真的扫描。“在Artec Studio中浏览Leo扫描时,感觉就像在勘察现场一样真实。我们可以从各个角度查找证据,并精确测量,”Carter说道。

  在Artec Studio下检查车损情况

  Carter介绍了Leo数据的用途之一,“完成事故车辆扫描后,我们把没受损的部分和同类型的整车3D模型或数据集对齐。把受损部分一对比,就能看出车辆损毁的情况,以便快速判断冲击力的方向和力度,以及冲击本身吸收了多少能量。”

  “我们可以根据吸收的能量估计速度变化(delta-V),并根据其他充分证据,估算撞击速度。另外,我们也能通过对比受损部分,一起进行撞击分析,协助乘客伤势评估专家,也能协助专家评估车辆设计或制造工艺是否导致了这起事故。”

  三维扫描到生物力学损伤分析

  Origin Forensics还将Leo数据用于生物力学损伤分析。在这项工作中,Carter及其团队会根据车身损伤程度来模拟乘客在车内时的事故过程。这项分析的关键在于确定乘客在撞击后在车内的运动轨迹。

  用Carter的话来说,“我们会把乘客的伤势情况和车内造成损伤的部位对应起来,以分析安全装置是否有效起到了保护作用,包括安全气囊、安全带等所有应当起到缓冲保护的装置。如果采用不同设计或制造工艺,是否有可能避免这些损伤?我们的工作就是要从头到尾分析每一种可能性。”

Carter和Rothwell查看Artec Studio中Leo扫描的2014道奇战马

  与客户前期协商中,无论是面对面还是网络沟通,Carter都能共享屏幕,展示他们团队用Leo制作的精准模型,并指出需要注意的相关细节。

使用Artec Studio中的表面距离映射功能查看战马的变形程度

  Carter解释道,“利用这样一个细节丰满的3D模型,对比车辆2D相片,能补充大量信息。相片永远是静止的,只能展现拍摄时的固定角度。客户常常会对车辆某个具体位置的情况很好奇,这时,我们就能迅速在模型中找到这个位置,就像在现场一样,好比从特定角度拍摄了一张照片。”

  Leo扫描用于车损综合报告

  和客户前期协商后,对方可能需要一份书面报告,用于取证或审判环节。制作一份展示品,帮助报告读者或陪审团了解涉案车辆受到的损害性质和程度,往往是这一过程的重要环节。Leo制作的3D模型刚好可以用于展品制作,起到震撼的视觉效果。

  法医技术员Kyle Rothwell是Origin Forensics的Leo专员,他描述如何使用Artec Studio软件处理Leo扫描:“导入Leo扫描后,我先为一组扫描进行了整体配准,然后为每组删除离群噪点,最后对齐。”

Rothwell正在处理2014道奇战马的Leo扫描

  “然后,清理杂乱的几何数据,比如玻璃片、泥土、沥青等。原始数据配准后、对齐、清理后,调整数据方向,设定水平面,并旋转车辆,确保右侧图即为车身右侧。”

  Rothwell继续补充道,“随后进行尖锐融合、快速网格简化。对车而言,200-500万个三角形的网格密度符合我们的需要。之后,导出纹理信息,选择减少反光。我通常使用8k纹理贴图,可保留较小的细节。然后模型即可导出,支持OBJ格式和.PNG纹理。”

  车辆3D数据模型:出于蓝而胜于蓝

  尽管Carter及其团队处理的大多数案件都是庭外和解或被驳回,因此从未进入审判阶段,但如确有必要,Leo可以为他们实现梦想:向陪审团展现车辆逼真的虚拟数字模型。

  “数字模型甚至比真车更好,因为我可以缩放旋转,向别人展示任何一个他们想看的角度,缩放至他们想看的大小。这些证据都是事故现场搜集的,和勘查现场看到的情况一模一样,”Carter说道。

准备在Artec Studio中对比:合并战马和相同车型的3D模型

  Carter透露,在不远的将来,陪审团通过显示器和VR眼镜查看这类证据,会变得越来越常见,到时,Leo的表现就会令人格外印象深刻。他们可以带领陪审团查看车辆内外部,重点关注相关部位。

  “过去,我们必须把真车带去法庭,陪审团出来查看,这一过程成本很高,而且法庭不一定同意。但有了Leo捕获的数据,我们同样可以把‘车’带去法庭,让陪审团在虚拟世界中查看车辆。”

使用Artec Studio的表面距离图,检查战马的损毁情况

  那Carter是如何发现Artec Leo的呢?Carter上网浏览并比较了市面上的手持式三维扫描仪,看到了埃太科大使Digitize Designs的YouTube频道。随后,他联系了这家公司的三维扫描专家Bo Helmrich,他给Carter发送了一次Artec Leo的扫描视频,以及汽车扫描的样本数据。

  为了直观地说明Leo如何高效地满足他们的需求,Helmrich在演示时,直接用Leo扫描了丰田汉兰达的整个外观,从头到尾只用了32分钟。90分钟后,扫描数据处理完毕,可直接使用。第一次见到Leo的扫描效果时,Carter感叹道:

  “我所见到的几何细节和纹理实在太震撼了,几何和纹理的精度在我们的工作中是相当重要的。如果3D数据质量不高,纹理质量也不会好到哪去。纹理和3D数据是相辅相成的。”

  Carter继续说道,“无论何种原因,一旦多边形网格出错、变形或发生扭曲,即便只是一点点,纹理再好也没用。幸运的是,Leo在两方面的表现都很出色。当时我们就发现了,之后每一次项目中,也同样如此。”

  Leo操作培训:从开箱到着手扫描,仅需短短几分钟

  Carter及其团队买完Leo后,安排了远程培训,学习如何扫描仪和Artec Studio软件。对于这段经历,Rothwell评论道:

  “学习如何用Leo扫描Pelican箱这样的小型物体,非常开心。拿出箱子,短短几分钟,Leo就能顺利开始工作,制作细节丰富的模型。扫描大型物体,也许一开始比较困难,但我找了一个小窍门。”

  他解释道,“我发现,把大项目拆成几个小部分以后,就容易很多,也就是说,把一辆车分为几个部分扫描,最后在Artec Studio中一个个加载。现在,我们每次都能得到精准效果,且质量稳定。”

  当问及Leo是否为他们的工作带来不同时,Rothwell说道,“还没有Leo的日子和现在简直不能比。”

法医技术员Kyle Rothwell使用Artec Leo扫描车辆

  他继续说道,“Leo直接带我们达到了一个新高度。从操作过程来看,扫描期间可以得到反馈(实时查看数据),还能捕获精密细节,色彩纹理的捕获也让Leo脱颖而出。”

  由于Carter及其团队拥有深厚的工程背景和丰富的事故现场再现经验,因此他们经常接到相关任务,对事故中车辆的运动轨迹进行深入分析。另外,他们还经常分析车辆乘客受到的伤害。

  美国一些知名品牌,如克莱斯勒、福特、本田、Jeep、尼桑、Progressive、Safeco、丰田等,经常找到Origin Forensics。他们能为客户进行深入调查,提供详细报告,咨询时坦诚可靠,因此经常有回头客,客户还会口口相传,介绍新客户。

  Origin Forensics的人生信条是“Veritas, Fidelitas, Claritas”(真理、忠诚、明澈)。这一信条同样也是团队的使命——发现真相、使用先进科技真实再现证据,将他们的发现以清晰的形式呈现给客户、法官、陪审团。

  为完成使命,Leo不可或缺,Carter说道:“我想推动法医事故再现领域向前发展,所以我必须始终关注新技术,为客户带来出色的服务和解决方案。我选择Artec Leo,因为它拥有其他产品无法比拟的独特优势。”

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