Современные и перспективные методы визирования и моделирования при реконструкции обстоятельств происшествия

Трехмерная графика находит всё большее применение в судебномедицинской экспертизе. На сегодняшний момент единственным специализированным программным продуктом, использующим возможности трехмерного пространства для нужд судебно-медицинской экспертизы, был и остается программный комплекс TADD, созданный под руководством С.С. Абрамова [1]. Возможность движения реперных точек черепа, а затем и всего черепа относительно трех осей ортогональной системы координат значительно упростила работу эксперта в рамках краниофациальной диагностики (рис. 1).

Рис. 1. Окно программы TADD перед моментом сопоставления константных точек и контуров на изображениях лица и черепа

Трехмерная графика всё чаще используется для справочных целей: всевозможные атласы анатомии, выполненные в 3D, позволяют эксперту получить четкие знания о топографии расположения органов и сосудов, костей и связочного аппарата и т.д. Безусловно, снимки экрана с анатомического атласа, именуемые ScreenShot, позволяют судебно-медицинскому эксперту выполнить необходимую разметку при составлении приложений, таблиц к заключению эксперта. Наиболее широкое распространение получила программа Visible Body – Human Anatomy Atlas (рис. 2).

Рис. 2. Окно программы Human Anatomy Atlas в режиме просмотра системы кровоснабжения головного мозга

На протяжении последних 10 лет трехмерная графика нами, как и большинством судебных медиков России, использовалась для визуализации значимых моментов или этапов экспертизы. Безусловно, трехмерная визуализация, при условии грамотного ее использования, значительно повышала наглядность и доказательность экспертиз.

Трехмерная визуализация позволяла выполнить схему что называется с эффектом присутствия: при качественном составлении фототаблиц и иллюстраций читатель получал возможность получать информацию так четко, как будто он сам присутствует при том или ином событии.

Использование специализированных программ трехмерной графики не только позволяло эксперту использовать модель человека, но и предоставляло возможность воссоздать необходимые пропорции тела, представить модель человека по требованию в виде скелета, скелета с мышечным корсетом, голым или одетым и т.д. Нами на протяжении более 12 лет используется программа Poser компании SmithMicro (рис. 3).

Рис. 3. Окно программы Poser 2010 с некоторыми моделями

Введение в виртуальную среду к модели человека требуемых предметов обстановки, объектов окружения и т.д. создало возможности для реконструкции событий. Введение в трехмерное пространство масштабных точных моделей позволило тщательно анализировать результаты проведенных без участия эксперта следственных действий (показов, следственных экспериментов) (рис. 4).

Рис. 4. Окно программы Autodesk 3dsmax с моделью реки, склона, моста и двумя участниками криминального события

К сожалению, программа Poser не очень корректно импортирует трехмерную графику из иных программных сред, а создание сложных трехмерных моделей в своей среде не предусмотрено. Поэтому нами, в случае необходимости построения сложной обстановки, используется среда Autodesk 3dsmax.

Следующая возможность трехмерной графики – криминалистическое визирование. Визирование – способ установления вероятного места расположения стрелявшего, применяемый при прямой или условно прямой траектории полета снаряда. Методы визирования подразделяются на визуальные, предметные, предметно-визуальные и расчетно-графические [2, 3]. Кроме этого, может применяться визирование при помощи специального прибора – теодолита, которое в силу дороговизны и сложности метода широкого применения на практике не нашло.

Визуальный метод – наиболее простой и доступный, не требует от исследователя никаких приспособлений: достаточно просмотреть глазом через повреждения в нескольких преградах или ввести полый цилиндр в одну толстую преграду – и положение жертвы или оружия, из которого произведен выстрел, визуализировано (рис. 5).

Рис. 5. Схема простого визирования

Предметный метод ненамного сложнее визуального: проведение стальной проволоки через повреждения позволяет получить данные о траектории снаряда, положении оружия. Предметный метод постоянно совершенствуется: шомпола заменены на специальные тросики с крючками и скрепками, применяется лазер с окуриванием и т.д. (рис. 6).

Предметно-визуальный метод не отличается от рассмотренных выше и является комбинаторикой двух методов.

Расчетно-графическое визирование производится по узловому планусхеме места происшествия: для этого выполняется масштабный чертеж места происшествия, на котором размечаются положения повреждений на мишенях, мишени, естественные преграды и т.д. Метод сложен, чреват субъективными ошибками, допускаемыми при исполнении макета. Главный его недостаток – двухмерность. По сути выполненный план местности на бумаге (или ином носителе) представляет собой чаще всего вид сверху. Естественно, отследить третье измерение весьма затруднительно, а для объективизации требуется сделать еще один чертеж план-схемы в иной секущей плоскости (например, вид сбоку, слева). Если на первом плане определяется направление выстрела, то на втором отслеживаются естественные препятствия (заборы, двери, столбы и т.д.). На практике нам такие расчеты не встречались ни разу.

Рис. 6. Предметный метод визирования

Нами на протяжении пяти последних лет применяется метод трехмерного виртуального моделирования. По сути метод представляет собой вариант расчетно-графического визирования, но имеет ряд неоспоримых преимуществ: доступность, точность, минимизация субъективизма, воспроизводимость и возможность оценки с любого положения и вида и т.д. (рис. 7).

Рис. 7. Визирование в среде программы Autodesk 3dsmax

Наш опыт практического применения трехмерного виртуального моделирования при производстве экспертиз свидетельствует о том, что данный метод перед ранее применяемыми методами визирования имеет ряд неоспоримых преимуществ, таких как:

• использование реальных размеров введенных моделей (масштаб 1:1);
• неограниченная возможность перемещения, скрывания, масштабирования модели;
• доступность визуальной оценки с любого положения относительно расположения объектов на схеме места происшествия;
• возможность получения как перспективных (с искажениями), так и ортогональных видов;
• широкий набор и доступность в сети Интернет готовых моделей зданий, мебели, растительности, автомобилей, людей и т.д.;
• отсутствие каких-либо ограничений в размерах и сложности модели и возможность введения в модель криминального события дополнительных моделей зданий, машин и т.д.;
• возможность введения в модель схем и карт спутникового геосканирования;
• возможность введения в модель данных лазерного сканирования;
• наглядность, удобство воспроизведения и визуализации.

Применение данного метода, по нашему мнению, позволяет максимально объективизировать работу судебно-медицинского эксперта при производстве медико-криминалистических ситуационных экспертиз в части, касающейся установления положения стрелявшего.

Из рентгенологии и радиологии в судебную медицину пришли методы трехмерной визуализации по данным томографии. Специальные программы позволяют обрабатывать серийные срезы DICOM и создавать трехмерные модели (рис. 8).

Рис. 8. Реконструированное изображение по данным томографии и оригинальное повреждение (по Э. Эрлиху)

Следующий метод, весьма перспективный для судебно-медицинской экспертизы, – метод конечно-элементного анализа (далее – КЭА). КЭА возник из строительной механики и теории упругости, а уже затем было получено его математическое обоснование. Метод конечных элементов (далее – МКЭ) является численным методом решения дифференциальных уравнений, встречающихся в физике и технике. Метод основан на идее аппроксимации непрерывной функции дискретной моделью, которая строится на множестве кусочнонепрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей, называемых конечными элементами. Исследуемая геометрическая область разбивается на элементы таким образом, чтобы на каждом из них неизвестная функция аппроксимировалась пробной функцией (как правило, полиномом). Причем эти пробные функции должны удовлетворять граничным условиям непрерывности, совпадающим с граничными условиями, налагаемыми самой задачей. Выбор для каждого элемента аппроксимирующей функции будет определять соответствующий тип элемента [4].

Возникновение МКЭ связано с решением задач космических исследований в 1950-х годах. Идея МКЭ была разработана в СССР еще в 1936 году, но из-за низкого уровня вычислительной техники метод не получил развития. Впервые он был опубликован в работе Тернера, Клужа, Мартина и Топа (1975). Существенный толчок в своем развитии МКЭ получил в 1963 году, после того как было доказано то, что его можно рассматривать как один из вариантов распространенного в строительной механике метода Рэлея–Ритца, который путем минимизации потенциальной энергии сводит задачу к системе линейных уравнений равновесия. С развитием вычислительных средств постоянно расширяются не только возможности метода, но и класс решаемых задач. Практически все современные расчеты на прочность проводят, используя МКЭ [4].

Программы, позволяющие выполнять расчеты методом конечных элементов, носят общее название САПР. Среди них ведущее место занимают программы ANSYS, ЛИРА-САПР и Inventor.

Типичными примерами процессов, моделирование которых на компьютере позволяет значительно сократить расходы на испытания, являются продувка в аэродинамической трубе и аварийные испытания (краш-тесты). Ниже мы приведем примеры наших научных и практических изысканий, основанных на МКЭ.

Исследование потока пороховых газов в стволе травматического пистолета типа EVO, ствол которого содержит две несоосные втулки, препятствующие стрельбе металлическими снарядами (рис. 9, 10).

Рис. 9. Пистолет МР-80-13Т: конструкционные изменения ствола, препятствующие стрельбе неэластичными снарядами: а – вид сбоку; б – вид сверху; в – канал ствола

Рис. 10. Распределение давления в канале ствола

Моделирование газового потока показало существенное влияние на его течение двух несоосных втулок. Отклонение потока происходит не только вниз, но и вправо от оси канала ствола (рис. 11).

Рис. 11. Линии распределения потоков газа в канале и вне канала ствола (вид со стороны мишени)

Проведенные экспериментальные исследования пистолета МР-80-13Т показали воспроизводимость и точность полученных КЭА данных: на мишенях отчетливо регистрируется отклонение отложения частиц копоти и пороха от пулевого отверстия в мишени (рис. 12).

Рис. 12. Особенности отложения частиц пороха при выстрелах из пистолетов со стволом EVO (МР-80-13Т): слева – с расстояния 40 см (прямоугольником и окружностью с центрами показано несоответствие центров дефекта и топографии отложения частиц пороха); справа – с расстояния 60 см (кривая линия отмечает границы отложения частиц пороха – преимущественно в нижней части мишени)

Программы САПР позволяют производить прогнозирование разрушения в любом рассматриваемом объекте от любого внешнего воздействия. Нами проводились исследования величины и топографии распределения напряжений в костной ткани при заданных условиях – удар тупым твердым предметом с ограниченной контактной поверхностью соударения по наружной поверхности верхней трети голени вертикально стоящего человека (рис. 13).

Рис. 13. Изображения экспериментальных математических моделей напряженно-деформированного состояния большеберцовой кости и перелома левой большеберцовой кости

С недавнего времени всё более широкое распространение для массового использования получают программы, позволяющие автоматически создавать высококачественные 3D модели объектов на основе цифровых фотографий, кадров видеозаписи (Agisoft Photoscan, 1, 2, 3 design, программные продукты фирмы Bently и др.). Первоначально данные программы использовались в архитектуре и строительстве, геодезии и картографии, ландшафтном проектировании, для работы с крупными архитектурными объектами, картами местности, при составлении строительных проектов и т.п. Однако со временем круг реконструируемых объектов значительно расширился. С помощью подобных программ стали выполняться иные задачи, включая реконструкцию любых более мелких объектов для их последующей обработки в 3D принтерах. Применительно к задачам судебной медицины программы могут быть использованы при осмотре места происшествия. При этом первоначально производится стандартная процедура обзорной и детальной фотосъемки места происшествия, а впоследствии полученные фотографии загружаются в программу, где происходит их автоматическая обработка и создание 3D модели (рис. 14).

а б в

Рис. 14. Пример реконструкции части кабинета: а – оригинальная фотография кабинета; б – 3D модель, созданная в программе Agisoft Photoscan (вид спереди); в – 3D модель, созданная в программе Agisoft Photoscan (вид сверху)

Преимущества данной модели в том, что само место происшествия и все предметы окружающей обстановки будут полностью соответствовать оригиналу, что сведет к минимуму время составления протокола осмотра места происшествия. Созданная трехмерная модель может храниться неопределенное время в электронных архивах и даже после изменения расположения предметов на месте происшествия всегда есть возможность восстановить с ее помощью первоначальную обстановку и уточнить какие-либо детали. Также следует отметить, что данные программы оснащены функцией фотограмметрии – определения размеров, формы и положения объектов по их изображениям. Если задать в программе исходные параметры съемки объекта или ввести хотя бы одно расстояние между точками объекта, автоматически восстанавливается масштаб всей модели, что позволяет в дальнейшем определить расстояние между любыми точками объекта, вычислить площадь и объем объекта и его частей. При соблюдении всех необходимых требований фотосъемки погрешности при измерениях будут минимальными, а 3D модель максимально приближена к оригиналу. Программы способны обрабатывать любые фотографии, снятые любым цифровым фотоаппаратом (в том числе и камерой мобильного телефона), с любых ракурсов. При фотографировании необходимо, чтобы каждый элемент реконструируемого объекта был виден с двух и более позиций съемки при фиксированном фокусном расстоянии. Кроме того, необходимо соблюдать перекрытие соседних кадров, которое для различных программ составляет от 30 до 80 %.

Помимо реконструкции окружающей обстановки, с помощью программ возможно также создание моделей отдельных объектов (например, черепа, лица человека). Данные модели могут быть использованы при производстве экспертиз по идентификации личности (фотопортретных, краниофациальной идентификации), при восстановлении лица человека по черепу.

Созданная трехмерная модель соответствует метрическим характеристикам оригинальной модели, полностью повторяет все особенности текстуры объекта (рис. 15).

а б в

Рис. 15. Реконструкция черепа: а – оригинальная фотография черепа; б – 3D модель, созданная в программе Agisoft Photoscan (вид справа); в – 3D модель, созданная в программе Agisoft  Photoscan (вид спереди)

Еще одним несомненным плюсом программ является то, что они поддерживают многочисленные форматы, позволяющие импортировать модель в другие программы, работающие с 3D форматом, где впоследствии с ними можно проводить различные манипуляции в рамках исследования (рис. 16).

а б

Рис. 16. Модель черепа, полученная в программе Agisoft Photoscan и экспортированная в трехмерное пространство программы Poser Pro 2014 (а – вид слева; б – вид справа)

Таким образом, применение современных методов трехмерного виртуального моделирования и конечно-элементного анализа позволяет существенно объективизировать работу судебно-медицинского эксперта при производстве медико-криминалистических ситуационных экспертиз, а также повысить наглядность и доказательность результатов проведенных экспертных исследований.

Список литературы

1. Абрамов, С.С. Компьютеризация краниофациальной идентификации (методология и практика) : дис. … д-ра мед. наук. – М., 1998. – 359 с.
2. Руководство для следователей / под общ. ред. В.В. Мозякова. – М. : Экзамен, 2005. – 912 с.
3. Криминалистика : учеб. для вузов / Т.В. Аверьянова, Р.С. Белкин, Ю.Г. Корухов, Е.Р. Российская ; под ред. Р.С. Белкина. – М. : НОРМА, 2000. – 990 с.
4. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике. – М. : Мир, 1975. – 318 с.