Reverse Engineering da acquisizioni ottiche 3D - optolab

REVERSE ENGINEERING DA ACQUISIZIONI OTTICHE 3D:
APPLICAZIONI ALL’ANALISI DI SCENE DEL CRIMINE
G. Sansoni (1), M. Trebeschi (1), F. Docchio (1), Cristina Cattaneo (2)
(1) Optolab, Laboratorio di Optoelettronica, Università degli Studi di Brescia
Via Branze, 38, 25123 Brescia BS
[email protected]
(2) Laboratorio di Anatomia ed Odontologia Forense
Istituto di Medicina Legale, Milano
The paper presents the use of optical 3D instrumentation for contactless acquisition of crime
scenes. The high potential of non-contact optical 3D instruments is highlighted in three
different situations.
1.
Introduzione
L’analisi di scene del crimine è un insieme di procedure complesse che ha recentemente
subito uno sviluppo radicale grazie al contributo di tecnologie che derivano da discipline
diverse e complementari. L’obiettivo di queste tecniche sta nella necessità di produrre, dalla
analisi della scena, la massima mole di informazione utile nelle successive fasi investigative,
con la minima invasività rispetto all’integrità dei dati stessi [1]. Da questo punto di vista
l’approccio tridimensionale all’analisi si suppone che possa costituire uno sviluppo
fondamentale per una ricostruzione più accurata e ricca di informazioni, senza le limitazioni
che derivano dall’uso di tecniche derivate da riprese bidimensionali (photo-stitching).
I digitalizzatori 3D rappresentano strumenti ideali per l’acquisizione delle scene direttamente
in tre dimensioni, come risulta dalle ormai innumerevoli applicazioni in ambito industriale,
culturale e biomedicale [2-3]. In questo lavoro, nel quadro di una collaborazione con la
Polizia di Stato, esperti in criminologia e medici legali, viene esplorata l’applicazione di
strumenti di acquisizione 3D in casi di indagine tipici delle scienze forensi, al fine di
verificarne la fattibilità di utilizzo, e di evidenziarne i vantaggi.
2. Digitalizzatore ottico e metodi di misura
Per le misure su scene del crimine e in sala anatomica è stato
utilizzato un digitalizzatore commerciale (Konica Minolta Vivid 3D,
mostrato in Fig. 1.) Lo strumento è basato sul principio di misura
della triangolazione attiva e utilizza una lama di luce coerente come
unità di proiezione e una telecamera CCD come unità di rivelazione.
Il contorno 3D della superficie sotto test è derivato per triangolazione
dalla forma dell’immagine di ogni lama di luce diffusa dall’oggetto.
L’intera area di misura è acquisita in 2,5s (0,3s in FAST MODE) e
viene convertita in un reticolo di 300.000 vertici (collegati). Viene
creata una mesh poligonale per aumentare i dettagli ed eliminare
ambiguità geometriche. Contemporaneamente all’acquisizione della
forma 3D, viene acquisita anche una immagine a colori a 24 bit da
parte della stessa camera CCD.
Il processo di elaborazione ed elaborazione dei dati comprende le
Figura 1: Il
seguenti fasi:
digitalizzatore ottico
• Acquisizione delle nuvole di punti con misure multiple da diverse
angolazioni;
• Registrazione multivista con allineamento delle immagini in un unico sistema di
riferimento;
• Creazione di mesh di triangoli con integrazione in un modello che comprende
l’informazione sulla contiguità topologica mediante tassellatura;
• Editing del modello poligonale.
La Tabella 1 mostra i valori dei parametri di misura utilizzati.
Setup
FOV
(mm)
WD (mm)
Zrange (mm)
Rz (mm)
Wide
1000x1000
2000
1000
0.65
Middle
600x450
1000
500
0.3
Tele
140x100
600
200
0.13
Tabella 1: Valori tipici del parametric di misura. FOV: Campo visivo, WD: Distanza di lavoro,
Zrange: Range di misura rispetto alla lente di uscita, Rz: Risoluzione di misura
3.
I casi di studio
Il digitalizzatore è stato utilizzato per effettuare l’acquisizione di numerose scene del crimine
crimine. Di queste, ne vengono presentate tre a titolo esemplificativo. La prima scena
acquisita è stata un omicidio simulato, organizzato dalla Polizia Scientifica nel quadro del
Progetto Italiano “Crime Lab 2006”. La seconda è stata una scena del crimine reale
(ritrovamento di cadavere sepolto sedici anni orsono). Entrambe queste prime due scene
sono state acquisite “in campo”, in collaborazione fattiva con il personale della Polizia e e
medici forensi, e dunque nelle condizioni operative critiche di una vera analisi della scena.
La terza scena è stata acquisita in sala autoptica, per ricostruire mediante acquisizioni 3D la
dinamica di un omicidio e verificare la possibilità di identificare l’arma del delitto.
3.1 La scena del crimine simulata
Figura 2: Modello 3D della vittima (incluso
colore)
Figura 3: esempio di misure di distanza
sul modello 3D
La scena del crimine simulata è stata allestita
dalla Squadra Mobile di Bologna allo scopo
di preparare un filmato didattico, e la sua
dinamica comprende un omicidio della
padrona di una villa nel suo salotto dopo
cena, effettuato dall’assassino con un
tagliacarte dopo ripetuti tentativi di uccisione
con una pistola. La scena conteneva diversi
indizi collocati dai professionisti della Polizia
Scientifica e
medico-legali,
seguendo
protocolli investigativi consolidati. Grazie alla
loro esperienza, siamo stati in grado di
localizzare le evidenze più significative e
acquisirle.
L’elemento centrale della scena è la vittima,
Figura 4: Particolare della ferita sul seno
rappresentata in Fig. 2, la cui misura è stata
della vittima
effettuata
utilizzando
le
tre
diverse
configurazioni del digitalizzatore in Tabella 1, e ottenendo, con il setup WIDE, i modelli 3D
del corpo. Questo setup è stato utilizzato per ottenere alcune misure dimensionali su parti di
esso (aree e perimetri), mostrati in Figura 3. Gli altri due sono stati utilizzati per ottenere
misure di dettagli del corpo con risoluzione più elevata, come nel caso della ferita sul seno
della vittima (Figura 4), e altri dettagli quali, ad esempio l’arma del delitto e le chiazze di
sangue sulla moquette.
Un particolare di indubbio interesse ai fini della successiva ricostruzione forense, è il
dettaglio del foro di ingresso di uno dei proiettili su un libro posto nella libreria sulla parete
dietro la vittima, che permette di ricostruire, senza necessità di toccare il reperto, sia il calibro
del proiettile sia la direzione di ingresso dello stesso, e dunque la provenienza dello sparo
(Figura 5).
L’acquisizione dell’intera scena e dei
particolari ha richiesto meno di un’ora di
lavoro. La successiva elaborazione è stata
effettuata in laboratorio.
3.2 La scena del crimine reale
La seconda scena analizzata è quella del
ritrovamento di un cadavere sotterrato
sedici anni or sono in un bosco nella
pianura milanese, e ha costituito un
significativo esempio di misura in ambiente
reale. E’ da notare che, contrariamente al
caso simulato, qui l’acquisizione 3D doveva
essere
effettuata
in
un
tempo
sufficientemente
breve
da
non
ostacolare
o
Figura 4: Rappresentazione 3D dell'area
ritardare
le
attività
degli
investigatori
e
dei
che circonda il foro di proiettile
tecnici della Polizia Scientifica e doveva
poter operare l’acquisizione con completezza e dovizie di particolari, al fine di “congelare” la
scena prima dell’inevitabile alterazione della stessa in fase di riesumazione del cadavere.
Figura 6: Il cadavere nella fossa
Figura 8: La mesh 3D del cadavere
Figura 7: Fotografia del teschio
Figura 9: La ricostruzione 3D del teschio
La scena è stata acquisita in due fasi: la prima con il corpo (avvolto in una tela cerata)
ancora intatto nella zona del ritrovamento (si noti il teschio danneggiato dallo scavatore), la
seconda a seguito della rimozione della tela e del terriccio che lo avvolgeva.
Le Figure 6-9 mostrano alcuni dettagli della scena, di cui le prime due in fotografia e le
seconde come Mesh 3D delle riprese. Anche in questo caso il digitalizzatore è stato utilizzato
nei diversi setup di Tabella 1, per consentire la contemporanea acquisizione di immagini ad
alto range e di immagini ad alta risoluzione
3.3 L’analisi di corpi contundenti e match con le ferite in un caso di omicidio
Le riprese soino state qui effettuate in sala autoptica, presso l’istituto di medicina legale
dell’Università di Milano, sul cadavere di una donna (in Figura 10 è mostrata la ripresa 3D
del viso) uccisa con un corpo contundente ritrovato nelle vicinanze. Il corpo e le ferite sono
state riprese al solito con diversi setup dello strumento, per le ragioni già citate. Nella Figura
è indicata una delle ferite che hanno causato la morte della donna.
Fig. 10: Modello 3D del volto
della vittima
Figura 11: Modello 3D della possibile
arma del delitto (misure in mm)
Contestualmente è stata effettuata la ripresa di un tubo metallico, possibile arma del delitto
(Fig. 11), e un raffronto tra quest’ultimo e la ferita in un ambiente 3D ha permesso di
confrontare la forma del tubo con la morfologia della ferita, operazione che ha permesso di
accertare la plausibilità dell’ipotesi che il tubo sia stato effettivamente l’arma del delitto
3. Conclusioni
In conclusione, l’applicazione dell’acquisizione ottica e della modellazione tridimensionale si
è dimostrata particolarmente efficace come strumento di analisi per la patologia forense e
l’antropologia criminale. I dettagli sulle scene del crimine ottenuti con queste tecniche
miglioreranno senza dubbio i riscontri da esami “post mortem” e le analisi antropologiche, e
aggiungeranno informazioni sull’origine delle lesioni e le modalità degli eventi delittuosi.
Bibliografia
[1]
[2]
[3]
Blais F 2004. A review of 20 years of range sensors development, Journal of Electronic
Imaging, 13 (1): 231-240.
Sansoni G, Docchio F 2004. Three-dimensional optical measurements and reverse
engineering for automotive applications. Robotics and Computer-Integrated
Manufacturing 20: 359–367
James, S.H. Nordby, J.J. 2003. Forensic Science: An Introduc-tion to Scientific and
Investigative Techniques, CRC Press, Boca Raton (Florida).