3D掃描儀
· Artec
Leo
挑戰(zhàn)：為事故再現(xiàn)調(diào)查人員完成事故車輛的三維掃描，完整采集車輛損毀情況，完成亞毫米級(jí)彩色3D模型，用于詳細(xì)分析、調(diào)查和記錄，最終結(jié)論與相關(guān)數(shù)據(jù)還將用于法律訴訟和法庭審判。
解決方案：Artec Leo, Artec Studio
效果：掃描車輛以往通常需要3-4小時(shí)，還要反復(fù)調(diào)整設(shè)備，再耗費(fèi)大量時(shí)間來(lái)處理地面激光掃描儀的數(shù)據(jù)，但現(xiàn)在，通過(guò)專業(yè)無(wú)線手持式三維掃描儀，不到一小時(shí)，即可如實(shí)呈現(xiàn)車輛幾何與逼真紋理效果，當(dāng)然也包括車損情況，分辨率高。
每次法醫(yī)事故再現(xiàn)專家Jarrod Carter博士見(jiàn)到一輛嚴(yán)重?fù)p毀的汽車，都覺(jué)得后面充滿了等他挖掘的故事：這輛車撞橋時(shí)的時(shí)速多少？撞擊前幾秒鐘司機(jī)踩了剎車？事發(fā)時(shí)，每位乘客都系安全帶了嗎？汽車的安全防護(hù)系統(tǒng)是否有效保護(hù)了所有乘客？
在Origin Forensics，Carter和他的團(tuán)隊(duì)被邀請(qǐng)去調(diào)查車輛事故現(xiàn)場(chǎng)，他們搜集了各種信息， 包括無(wú)人機(jī)和三腳架激光掃描儀制作的3D模型、警方報(bào)告以及警方、監(jiān)控錄像、事故資料記錄器（EDR，汽車上的“黑匣子”）提供的現(xiàn)場(chǎng)圖片和視頻。
這些資料提供了事發(fā)前幾秒內(nèi)和事發(fā)過(guò)程中的大量細(xì)節(jié)：剎車使用情況、油門狀態(tài)、方向盤角度、橫向加速度、縱向加速度、滾轉(zhuǎn)率、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速箱位置等等。
最近，他們的工具箱里又增添了一位新朋友Artec Leo。
Origin使用這款非比尋常的無(wú)線手持式三維掃描儀Leo，來(lái)挖掘事故車輛背后的故事。多次使用經(jīng)驗(yàn)告訴他們，Leo能在一小時(shí)內(nèi)，如實(shí)復(fù)制車輛內(nèi)外部的情況，從前到后，精度達(dá)亞毫米級(jí)。
Artec Studio軟件處理Leo掃描的2014道奇戰(zhàn)馬數(shù)據(jù)截圖
過(guò)去，為了為事故車輛復(fù)制完全一樣的數(shù)字模型，他們只能使用安裝在三腳架上的三維激光掃描儀。掃描過(guò)程需要圍繞車輛反復(fù)調(diào)整掃描儀位置，高高低低，里里外外，盡可能詳細(xì)記錄車輛細(xì)節(jié)。
這種方式已經(jīng)比Carter剛?cè)胄袝r(shí)使用的錘球和卷尺進(jìn)步了不少，但即便反復(fù)調(diào)整位置，細(xì)節(jié)品質(zhì)距離“精準(zhǔn)”還是相去甚遠(yuǎn)。
三腳架激光掃描儀工作流程的另一大弊端就是時(shí)間問(wèn)題。使用這類掃描儀，每一次掃描都要好幾分鐘，其中還不包括調(diào)整位置的時(shí)間。想要一份細(xì)節(jié)精確的車輛掃描，動(dòng)輒一小時(shí)，有時(shí)甚至還要兩三個(gè)小時(shí)。
法醫(yī)技術(shù)員Kyle Rothwell用Artec Leo掃描事故損毀的2014 道奇戰(zhàn)馬（位于華盛頓州斯波坎谷的Spalding汽車零售商店）
整車掃描，時(shí)間倉(cāng)促
Carter及其團(tuán)隊(duì)每次工作，基本只有4-8個(gè)小時(shí)可以接觸車輛，而掃描只是工作內(nèi)容的一部分。他們工作時(shí)有個(gè)原則，把每一次都看成是自己或其他人最后一次接觸車輛。掃描節(jié)省下的時(shí)間，都能為他們爭(zhēng)取到更多寶貴時(shí)間，確保勘查工作完整到位。
“正是因?yàn)檫@個(gè)（時(shí)間）問(wèn)題，我開(kāi)始尋找比三腳架激光掃描更好的解決方案。我需要速度快又靈活，這正是Leo的優(yōu)勢(shì)所在，特別是它沒(méi)有電線，也不用連接電腦，速度就不受影響。工作時(shí)，我不再感到匆匆忙忙，能安心掃描車輛，”Carter說(shuō)道。
Jarrod Carter博士使用Artec Leo掃描道奇小面包車（華盛頓州皮阿拉普市Insurance Auto Auction）
“車輛是我們工作的重心，有充足的時(shí)間采集數(shù)據(jù)，這點(diǎn)十分重要，即便過(guò)去采集過(guò)程耗時(shí)很久也是如此。現(xiàn)在，有了Leo，我們可以很快完成車輛的數(shù)字采集。還能通過(guò)設(shè)備后部的觸摸屏，查看3D網(wǎng)格、紋理效果，在離開(kāi)前確保已收集全部數(shù)據(jù)，”Carter說(shuō)道。
“如果有部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，或者沒(méi)有采集到我需要的細(xì)節(jié)，也能輕松采集缺失部分，設(shè)備輕輕一揮即可。而過(guò)去，使用三腳架激光掃描儀，還得等我們回到辦公室，開(kāi)始處理數(shù)據(jù)時(shí)，才能意識(shí)到紋理或幾何出了問(wèn)題。有了Leo，我們就能胸有成竹地收工回家。”
完成大片真實(shí)紋理采集，不可或缺
采集紋理方面，Carter對(duì)Leo的能力贊不絕口，“我們完全沒(méi)料到Leo能如此逼真地捕獲紋理信息。色彩和表面細(xì)節(jié)就像拍攝的相片一樣，難以分辨。而且紋理不是孤立存在于點(diǎn)云中的，這點(diǎn)和三腳架掃描儀不同。”
“相反，點(diǎn)與點(diǎn)之間是通過(guò)紋理填充的。這種填色法的一個(gè)好處就是，觀察車輛時(shí)，我不再局限于勘查現(xiàn)場(chǎng)的角度，我擁有的照片也不只是當(dāng)時(shí)拍攝的那些。我能根據(jù)需要，生成車輛不同角度的照片，就像勘查時(shí)拍攝的一樣。”
Carter補(bǔ)充道，“有了Leo，我們就能獲得高度準(zhǔn)確的掃描，包括充足的幾何數(shù)據(jù)，用于分析。還能加入相片紋理，讓掃描更為逼真。記得第一次放大Leo捕獲的車輛模型時(shí)，我感到大為震撼。看起來(lái)和原車一模一樣，這正是我們的目標(biāo)。過(guò)去是萬(wàn)萬(wàn)不可能生成如此真實(shí)的模型的。絕無(wú)可能。”
Artec Studio中的道奇小面包車Leo掃描截圖
自從使用Leo后，Carter及其團(tuán)隊(duì)每次都期待能收獲一份細(xì)節(jié)逼真的掃描。“在Artec Studio中瀏覽Leo掃描時(shí)，感覺(jué)就像在勘察現(xiàn)場(chǎng)一樣真實(shí)。我們可以從各個(gè)角度查找證據(jù)，并精確測(cè)量，”Carter說(shuō)道。
在Artec Studio下檢查車損情況
Carter介紹了Leo數(shù)據(jù)的用途之一，“完成事故車輛掃描后，我們把沒(méi)受損的部分和同類型的整車3D模型或數(shù)據(jù)集對(duì)齊。把受損部分一對(duì)比，就能看出車輛損毀的情況，以便快速判斷沖擊力的方向和力度，以及沖擊本身吸收了多少能量。”
“我們可以根據(jù)吸收的能量估計(jì)速度變化（delta-V），并根據(jù)其他充分證據(jù)，估算撞擊速度。另外，我們也能通過(guò)對(duì)比受損部分，一起進(jìn)行撞擊分析，協(xié)助乘客傷勢(shì)評(píng)估專家，也能協(xié)助專家評(píng)估車輛設(shè)計(jì)或制造工藝是否導(dǎo)致了這起事故。”
三維掃描到生物力學(xué)損傷分析
Origin Forensics還將Leo數(shù)據(jù)用于生物力學(xué)損傷分析。在這項(xiàng)工作中，Carter及其團(tuán)隊(duì)會(huì)根據(jù)車身?yè)p傷程度來(lái)模擬乘客在車內(nèi)時(shí)的事故過(guò)程。這項(xiàng)分析的關(guān)鍵在于確定乘客在撞擊后在車內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
用Carter的話來(lái)說(shuō)，“我們會(huì)把乘客的傷勢(shì)情況和車內(nèi)造成損傷的部位對(duì)應(yīng)起來(lái)，以分析安全裝置是否有效起到了保護(hù)作用，包括安全氣囊、安全帶等所有應(yīng)當(dāng)起到緩沖保護(hù)的裝置。如果采用不同設(shè)計(jì)或制造工藝，是否有可能避免這些損傷？我們的工作就是要從頭到尾分析每一種可能性。”
Carter和Rothwell查看Artec Studio中Leo掃描的2014道奇戰(zhàn)馬
與客戶前期協(xié)商中，無(wú)論是面對(duì)面還是網(wǎng)絡(luò)溝通，Carter都能共享屏幕，展示他們團(tuán)隊(duì)用Leo制作的精準(zhǔn)模型，并指出需要注意的相關(guān)細(xì)節(jié)。
使用Artec Studio中的表面距離映射功能查看戰(zhàn)馬的變形程度
Carter解釋道，“利用這樣一個(gè)細(xì)節(jié)豐滿的3D模型，對(duì)比車輛2D相片，能補(bǔ)充大量信息。相片永遠(yuǎn)是靜止的，只能展現(xiàn)拍攝時(shí)的固定角度。客戶常常會(huì)對(duì)車輛某個(gè)具體位置的情況很好奇，這時(shí)，我們就能迅速在模型中找到這個(gè)位置，就像在現(xiàn)場(chǎng)一樣，好比從特定角度拍攝了一張照片。”
Leo掃描用于車損綜合報(bào)告
和客戶前期協(xié)商后，對(duì)方可能需要一份書面報(bào)告，用于取證或?qū)徟协h(huán)節(jié)。制作一份展示品，幫助報(bào)告讀者或陪審團(tuán)了解涉案車輛受到的損害性質(zhì)和程度，往往是這一過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。Leo制作的3D模型剛好可以用于展品制作，起到震撼的視覺(jué)效果。
法醫(yī)技術(shù)員Kyle Rothwell是Origin Forensics的Leo專員，他描述如何使用Artec Studio軟件處理Leo掃描：“導(dǎo)入Leo掃描后，我先為一組掃描進(jìn)行了整體配準(zhǔn)，然后為每組刪除離群噪點(diǎn)，最后對(duì)齊。”
Rothwell正在處理2014道奇戰(zhàn)馬的Leo掃描
“然后，清理雜亂的幾何數(shù)據(jù)，比如玻璃片、泥土、瀝青等。原始數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后、對(duì)齊、清理后，調(diào)整數(shù)據(jù)方向，設(shè)定水平面，并旋轉(zhuǎn)車輛，確保右側(cè)圖即為車身右側(cè)。”
Rothwell繼續(xù)補(bǔ)充道，“隨后進(jìn)行尖銳融合、快速網(wǎng)格簡(jiǎn)化。對(duì)車而言，200-500萬(wàn)個(gè)三角形的網(wǎng)格密度符合我們的需要。之后，導(dǎo)出紋理信息，選擇減少反光。我通常使用8k紋理貼圖，可保留較小的細(xì)節(jié)。然后模型即可導(dǎo)出，支持OBJ格式和.PNG紋理。”
車輛3D數(shù)據(jù)模型：出于藍(lán)而勝于藍(lán)
盡管Carter及其團(tuán)隊(duì)處理的大多數(shù)案件都是庭外和解或被駁回，因此從未進(jìn)入審判階段，但如確有必要，Leo可以為他們實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想：向陪審團(tuán)展現(xiàn)車輛逼真的虛擬數(shù)字模型。
“數(shù)字模型甚至比真車更好，因?yàn)槲铱梢钥s放旋轉(zhuǎn)，向別人展示任何一個(gè)他們想看的角度，縮放至他們想看的大小。這些證據(jù)都是事故現(xiàn)場(chǎng)搜集的，和勘查現(xiàn)場(chǎng)看到的情況一模一樣，”Carter說(shuō)道。
準(zhǔn)備在Artec Studio中對(duì)比：合并戰(zhàn)馬和相同車型的3D模型
Carter透露，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，陪審團(tuán)通過(guò)顯示器和VR眼鏡查看這類證據(jù)，會(huì)變得越來(lái)越常見(jiàn)，到時(shí)，Leo的表現(xiàn)就會(huì)令人格外印象深刻。他們可以帶領(lǐng)陪審團(tuán)查看車輛內(nèi)外部，重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)部位。
“過(guò)去，我們必須把真車帶去法庭，陪審團(tuán)出來(lái)查看，這一過(guò)程成本很高，而且法庭不一定同意。但有了Leo捕獲的數(shù)據(jù)，我們同樣可以把‘車’帶去法庭，讓陪審團(tuán)在虛擬世界中查看車輛。”
使用Artec Studio的表面距離圖，檢查戰(zhàn)馬的損毀情況
那Carter是如何發(fā)現(xiàn)Artec Leo的呢？Carter上網(wǎng)瀏覽并比較了市面上的手持式三維掃描儀，看到了埃太科大使Digitize Designs的YouTube頻道。隨后，他聯(lián)系了這家公司的三維掃描專家Bo Helmrich，他給Carter發(fā)送了一次Artec Leo的掃描視頻，以及汽車掃描的樣本數(shù)據(jù)。
為了直觀地說(shuō)明Leo如何高效地滿足他們的需求，Helmrich在演示時(shí)，直接用Leo掃描了豐田漢蘭達(dá)的整個(gè)外觀，從頭到尾只用了32分鐘。90分鐘后，掃描數(shù)據(jù)處理完畢，可直接使用。第一次見(jiàn)到Leo的掃描效果時(shí)，Carter感嘆道：
“我所見(jiàn)到的幾何細(xì)節(jié)和紋理實(shí)在太震撼了，幾何和紋理的精度在我們的工作中是相當(dāng)重要的。如果3D數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，紋理質(zhì)量也不會(huì)好到哪去。紋理和3D數(shù)據(jù)是相輔相成的。”
Carter繼續(xù)說(shuō)道，“無(wú)論何種原因，一旦多邊形網(wǎng)格出錯(cuò)、變形或發(fā)生扭曲，即便只是一點(diǎn)點(diǎn)，紋理再好也沒(méi)用。幸運(yùn)的是，Leo在兩方面的表現(xiàn)都很出色。當(dāng)時(shí)我們就發(fā)現(xiàn)了，之后每一次項(xiàng)目中，也同樣如此。”
Leo操作培訓(xùn)：從開(kāi)箱到著手掃描，僅需短短幾分鐘
Carter及其團(tuán)隊(duì)買完Leo后，安排了遠(yuǎn)程培訓(xùn)，學(xué)習(xí)如何掃描儀和Artec Studio軟件。對(duì)于這段經(jīng)歷，Rothwell評(píng)論道：
“學(xué)習(xí)如何用Leo掃描Pelican箱這樣的小型物體，非常開(kāi)心。拿出箱子，短短幾分鐘，Leo就能順利開(kāi)始工作，制作細(xì)節(jié)豐富的模型。掃描大型物體，也許一開(kāi)始比較困難，但我找了一個(gè)小竅門。”
他解釋道，“我發(fā)現(xiàn)，把大項(xiàng)目拆成幾個(gè)小部分以后，就容易很多，也就是說(shuō)，把一輛車分為幾個(gè)部分掃描，最后在Artec Studio中一個(gè)個(gè)加載。現(xiàn)在，我們每次都能得到精準(zhǔn)效果，且質(zhì)量穩(wěn)定。”
當(dāng)問(wèn)及Leo是否為他們的工作帶來(lái)不同時(shí)，Rothwell說(shuō)道，“還沒(méi)有Leo的日子和現(xiàn)在簡(jiǎn)直不能比。”
法醫(yī)技術(shù)員Kyle Rothwell使用Artec Leo掃描車輛
他繼續(xù)說(shuō)道，“Leo直接帶我們達(dá)到了一個(gè)新高度。從操作過(guò)程來(lái)看，掃描期間可以得到反饋（實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)），還能捕獲精密細(xì)節(jié)，色彩紋理的捕獲也讓Leo脫穎而出。”
由于Carter及其團(tuán)隊(duì)擁有深厚的工程背景和豐富的事故現(xiàn)場(chǎng)再現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)，因此他們經(jīng)常接到相關(guān)任務(wù)，對(duì)事故中車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行深入分析。另外，他們還經(jīng)常分析車輛乘客受到的傷害。
美國(guó)一些知名品牌，如克萊斯勒、福特、本田、Jeep、尼桑、Progressive、Safeco、豐田等，經(jīng)常找到Origin Forensics。他們能為客戶進(jìn)行深入調(diào)查，提供詳細(xì)報(bào)告，咨詢時(shí)坦誠(chéng)可靠，因此經(jīng)常有回頭客，客戶還會(huì)口口相傳，介紹新客戶。
Origin Forensics的人生信條是“Veritas, Fidelitas, Claritas”（真理、忠誠(chéng)、明澈）。這一信條同樣也是團(tuán)隊(duì)的使命——發(fā)現(xiàn)真相、使用先進(jìn)科技真實(shí)再現(xiàn)證據(jù)，最后將他們的發(fā)現(xiàn)以清晰的形式呈現(xiàn)給客戶、法官、陪審團(tuán)。
為完成使命，Leo不可或缺，Carter說(shuō)道：“我想推動(dòng)法醫(yī)事故再現(xiàn)領(lǐng)域向前發(fā)展，所以我必須始終關(guān)注技術(shù)，為客戶帶來(lái)出色的服務(wù)和解決方案。我選擇Artec Leo，因?yàn)樗鼡碛衅渌a(chǎn)品無(wú)法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。”
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