CN111523265B - 砍击伤害案件再现系统及再现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及砍击伤害案件再现系统及再现方法。该系统由输入单元、仿真分析单元以及输出单元依次连接构成；输入单元包括案件现场线索模块、人工推断模块；仿真分析单元包括砍刀数字化模块、砍击动作数字化模块、砍击人体多体系统动力学分析模块、人体被砍击部位有限元分析模块；输出单元包括砍击事件可视化模块。该方法采用上述系统以动画进行再现演示。本发明基于人体的基本生理学、解剖学和生物力学的基本规律，通过计算仿真技术以及计算机可视化技术实现对砍击伤害案件的再现，具有科学、可靠、直观、逼真、灵活的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种砍击伤害案件再现系统，以及相应的再现方法，能够对砍击伤害案件的砍击过程进行动画再现，属于生物力学建模与计算机仿真技术、以及计算机可视化技术领域。
背景技术
据申请人了解，在刑事调查人员遇到的各类案件中，砍击伤害案件十分普遍多发，而且通常会造成严重后果。在砍击伤害案件中，砍击者使用砍刀等尖锐器械对被砍击者进行砍杀攻击均属于一种主要的刑事犯罪行为。砍击伤害案件的刑事调查人员需要通过物证和人证线索资料，描述砍击事件是如何发生的，以便确定相关人的法律责任。砍击伤害案件的刑事调查或者证据收集一般通过勘验案件发生现场获取物品(包括血迹、行凶工具等)、受伤害者伤口位置和形态等特征、砍击者身体形态特征、口述(被砍击者、砍击者以及目击者等)、影像资料等现场线索。
在实际案件调查中，案件线索资料信息往往残缺不全，这会导致调查结果不完整、甚至得出错误结论。刑事调查专家只能通过案件的现有证据，在知识和经验基础上，人工推测实际案件的发生过程。这样的推测结果一般都是定性的，比如通过文字或者简单图解进行描述，推测结果仅仅是定性结果，而非定量结果。由于呈现案件发生过程是语言性描述，不能动态地、生动逼真地呈现案件发生过程，往往会遗漏一些时间和空间关联关系；上述勘验方法完全依赖物证和人工推理，砍击伤害案件再现依靠文字描述结合推理想象。在侦查阶段，刑事技术人员通过现场勘查、尸体检验、物证检验，需要明确砍伤的受力点、受力方向、受力次数、力度大小，进而分析判断致伤工具、损伤程度、损伤时间和死亡原因。在有些情况下，技术人员会综合利用案件信息，进行作案人数、作案过程、作案动机、案犯刻画等方面的分析推断，达到提供侦查线索的目的。举例而言，在一起报复杀人案件中，通过分析两名死者的损伤特点发现，两人的致命伤均为颈部锐器伤，被害体位均符合仰卧位遭受攻击，但工具作用方式均以砍、切为主；该损伤反映出的相同杀人手法指向作案人数为一人，从而缩小了侦查范围。该案对于作案人数判断正是基于对砍伤部位、角度、形态等成伤机制相关问题的细致检验和规律总结。依靠上述技术、手段和方法，不能动态地、生动逼真地呈现砍击案件发生过程，很难完全刻画出砍击作案过程中涉及到的一些时间和空间关联关系。此外，通过语言为主描述的案件发生过程，往往容易受到质疑，而很难被直接认可或接受。
因此，亟需一种解决方案能对砍击伤害案件具体的砍击过程进行动画演示，从而能够动态地、生动逼真地呈现案件发生过程，并刻画出作案过程中涉及到的一些时间和空间关联关系。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种砍击伤害案件再现系统，通过多系统联合仿真动画再现的方式，获取砍击伤害案件中砍击过程的具体演化过程。同时，还提出采用该再现系统的再现方法。
本发明解决其技术问题的技术方案如下：
一种砍击伤害案件再现系统，由输入单元、仿真分析单元以及输出单元依次连接构成；其特征是，所述输入单元包括案件现场线索模块、人工推断模块；其中，所述案件现场线索模块用于供输入在砍击伤害案件现场勘验获得的现场线索，所述人工推断模块用于供输入刑侦专家根据现场线索推测出的砍击过程特征；
所述仿真分析单元包括砍刀数字化模块、砍击动作数字化模块、砍击人体多体系统动力学分析模块、人体被砍击部位有限元分析模块；其中，所述砍刀数字化模块用以根据其预设的砍刀数据库将输入单元发来现场线索中的砍刀数字化；所述砍击动作数字化模块用以根据其预设的砍击动作数据库将输入单元发来砍击过程特征中的砍击者砍击动作数字化；所述砍击人体多体系统动力学分析模块用以根据其预设的人体多刚体系统动力学模型库、结合砍击者砍击动作数字化结果进行多体动力学仿真，获得被砍击者砍击部位的第一砍创形态，所述第一砍创形态包括伤口位置和伤口方位角度；所述人体被砍击部位有限元分析模块用以根据其预设的人体有限元模型库和人体组织本构方程模型库、结合砍刀数字化结果和砍击者砍击动作数字化结果，经仿真分析得出被砍击者砍击部位的第二砍创形态，所述第二砍创形态包括伤口长度和伤口深度；
所述输出单元包括砍击事件可视化模块；所述砍击事件可视化模块用以将砍击过程、被砍击者砍击部位的砍创形态，分别以动画的方式进行再现演示；所述砍创形态由第一砍创形态和第二砍创形态构成。
该再现系统中，先通过案件现场线索模块、人工推断模块输入现场线索、砍击过程特征，再通过砍刀数字化模块、砍击动作数字化模块、砍击人体多体系统动力学分析模块、人体被砍击部位有限元分析模块利用预设的多个数据库和模型库进行仿真分析，最后通过砍击事件可视化模块对砍击过程、被砍击者砍击部位的砍创形态以动画进行可视化演示。该系统通过多系统联合仿真动画再现的方式，获取砍击伤害案件中砍击过程的具体演化过程，从而能够动态地、生动逼真地呈现案件发生过程，并刻画出作案过程中涉及到的一些时间和空间关联关系。
本发明系统进一步完善的技术方案如下：
优选地，所述砍刀数字化模块中预设的砍刀数据库包括不同刀具的参数数据和三维有限元模型，所述参数数据选自或包括刀具的重量、惯性参数、三维几何尺寸、材料属性、刀头力学特征；
所述砍击动作数字化模块中预设的砍击动作数据库包括与不同砍击动作对应的人体环节三维运动学数据；所述人体环节三维运动学数据包括砍击者人体持刀侧上肢各关节的角位移和角速度、砍击者和被砍击者的人体各关节点三维坐标和砍击力的动态变化数据；
所述砍击人体多体系统动力学分析模块中预设的人体多刚体系统动力学模型库所含模型具有19个环节和50个自由度；所述环节包括人体的头、颈、上躯干、中躯干、下躯干、肩胛骨、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足；
所述人体被砍击部位有限元分析模块中预设的人体有限元模型库包括人体全身有限元模型、人体局部有限元模型；所述人体局部有限元模型对应的人体局部选自或包括头部、颈部、胸部、腹部、髋部、臀部、肩部、上臂部、前臂部、大腿部、小腿部；
所述人体被砍击部位有限元分析模块中预设的人体组织本构方程模型库包括人体组织的本构方程和/或力学参数，所述人体组织选自或包括骨组织、皮肤、脂肪、肌肉、结蹄组织、内脏组织。
采用该优选方案，可进一步明确预设的砍击动作数据库、砍刀数据库、人体多刚体系统动力学模型库、人体有限元模型库、人体组织本构方程模型库中包含的具体数据内容。
优选地，所述案件现场线索模块供输入的现场线索还选自或包括砍击者供述、被砍击者陈述、目击者证言、被砍击者的血液和血迹痕迹；
所述人工推断模块供输入的砍击过程特征还选自或包括砍击者人体特征、被砍击者人体特征。
采用该优选方案，可进一步明确输入单元的案件现场线索模块、人工推断模块可以输入的具体信息内容。
本发明还提供：
一种砍击伤害案件再现方法，其特征是，采用前文所述的砍击伤害案件再现系统；所述再现方法包括以下步骤：
第一步、在输入单元中，向案件现场线索模块输入在砍击伤害案件现场勘验获得的现场线索，向人工推断模块输入刑侦专家根据现场线索推测出的砍击过程特征；
第二步、在仿真分析单元中，通过砍刀数字化模块，根据其预设的砍刀数据库，将输入单元发来现场线索中的砍刀数字化；
通过砍击动作数字化模块，根据其预设的砍击动作数据库将输入单元发来砍击过程特征中的砍击者砍击动作数字化；
通过砍击人体多体系统动力学分析模块，根据其预设的人体多刚体系统动力学模型库，按输入单元发来砍击过程特征中砍击者、被砍击者的人体特征建立砍击者、被砍击者的人体多刚体系统动力学模型；以这些模型为基础，结合砍击者砍击动作数字化结果进行多体动力学仿真，获得被砍击者砍击部位的第一砍创形态，所述第一砍创形态包括伤口位置和伤口方位角度；
通过人体被砍击部位有限元分析模块，根据其预设的人体有限元模型库和人体组织本构方程模型库，结合砍刀数字化结果和砍击者砍击动作数字化结果，经仿真分析得出被砍击者砍击部位的第二砍创形态，所述第二砍创形态包括伤口长度和伤口深度；
第三步、在输出单元中，通过砍击事件可视化模块，将砍击过程、被砍击者砍击部位的砍创形态，分别以动画的方式进行再现演示；所述砍创形态由第一砍创形态和第二砍创形态构成；
第四步、通过证据比对，判断该再现演示是否成功；若不成功则重新进行第二步的仿真分析和第三步的再现演示，或者，先转至第一步向人工推断模块输入刑侦专家根据现场线索重新推测出的砍击过程特征，再重新进行第二步的仿真分析和第三步的再现演示；若成功则本方法结束。
该再现方法中，先通过前述的再现系统获得再现演示，再通过证据比对判断该再现演示是否成功，若不成功再重新仿真分析和再现演示，并在其中调整若干要素使演示结果更符合实际证据，最终获得成功的再现演示。如此即能通过多系统联合仿真动画再现的方式，获取砍击伤害案件中砍击过程的具体演化过程，从而能够动态地、生动逼真地呈现案件发生过程，并刻画出作案过程中涉及到的一些时间和空间关联关系。
本发明方法进一步完善的技术方案如下：
优选地，所述砍刀数字化模块中，预设砍刀数据库的构建过程为：
S1、针对各刀具，测量该刀具的重量、三维几何尺寸，所述三维几何尺寸选自或包括长度、宽度、厚度、角度；
S2、利用理论力学方法，计算该刀具的惯性参数，所述惯性参数选自或包括质心位置、转动惯量；
S3、确定该刀具的材料属性，进而确定该刀具刀头的力学特征，所述力学特征选自或包括弹塑性指标、断裂参数；
S4、建立该刀具的三维有限元模型；
通过砍刀数字化模块将输入单元发来现场线索中的砍刀数字化的具体过程为：
F1、在预设的砍刀数据库中查找与该砍刀相同的刀具模型，若找到则导出该刀具模型备用，若未找到则转至F2；
F2、在预设的砍刀数据库中查找与该砍刀相似的刀具模型，若找到则调整刀具模型的具体参数使之与该砍刀相同，并导出该刀具模型备用，若未找到则转至F3；
F3、采用S1至S4，将该砍刀制成刀具模型加入砍刀数据库中，并导出该刀具模型备用。
采用该优选方案，可进一步明确砍刀数据库的构建过程，以及砍刀数字化的具体过程，利于实现更好地再现效果。
优选地，所述砍击动作数字化模块中，预设砍击动作数据库的具体构建过程为：
T1、采用假人、两台高速摄像机、三维标定框架、红外运动捕捉录像系统、一组红外反射标志球、砍刀刀具、具有三维力传感器的测试刀具；所述高速摄像机的拍摄频率至少为250fps；
T2、以受试者作为建模对象，按照预设砍击动作进行测试；所述测试包括：一受试者模拟砍击另一受试者的运动学测试，受试者以砍刀刀具砍击假人的运动学测试，受试者以测试刀具砍击假人的运动学测试和动力学测试；测试前，将红外反射标志球固定于受试者、砍刀刀具或测试刀具上，以两台高速摄像机和三维标定框架对测试所处空间进行拍摄以标定三维坐标；测试时，以红外运动捕捉录像系统对受试者砍击动作进行运动捕捉，以两台高速摄像机对受试者进行全身拍摄，在含有测试刀具的测试中采集测试刀具的三维力数据；
T3、根据红外运动捕捉录像系统的捕捉数据、高速摄像机的拍摄数据、以及测试刀具的三维力数据，经过分析计算得出与预设砍击动作对应的人体环节三维运动学数据；所述人体环节三维运动学数据包括砍击者人体持刀侧上肢各关节的角位移和角速度、砍击者和被砍击者的人体各关节点三维坐标和砍击力的动态变化数据；
通过砍击动作数字化模块将输入单元发来砍击过程特征中的砍击者砍击动作数字化的具体过程为：
采用T1至T3，以该砍击动作为预设砍击动作，并获得与之对应的人体环节三维运动学数据。此外，所述砍击动作包括以刀具进行劈砍、刺、切割的动作。
采用该优选方案，可进一步明确砍击动作数据库的构建过程，以及砍击动作数字化的具体过程，利于实现更好地再现效果。
优选地，所述砍击人体多体系统动力学分析模块中，预设人体多刚体系统动力学模型库的具体构建过程为：
采用人体运动仿真软件系统，以受试者为建模对象，建立具有19个环节和50个自由度的人体多刚体系统动力学模型；所述环节包括人体的头、颈、上躯干、中躯干、下躯干、肩胛骨、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足；
通过砍击人体多体系统动力学分析模块建立砍击者和被砍击者的人体多刚体系统动力学模型的具体过程为：
H1、根据砍击者或被砍击者的人体特征，在预设的人体多刚体系统动力学模型库中查找相同的人体多刚体系统动力学模型，若找到则将该模型作为砍击者或被砍击者的人体多刚体系统动力学模型；若未找到则转至H2；
H2、根据砍击者或被砍击者的人体特征，在预设的人体多刚体系统动力学模型库中查找相近的人体多刚体系统动力学模型，若找到则调整该模型的具体参数使之与砍击者或被砍击者的人体特征相同，并将该模型作为砍击者或被砍击者的人体多刚体系统动力学模型；若未找到则转至H3；
H3、根据砍击者或被砍击者的人体特征，以人体特征与之相近的受试者为建模对象建立人体多刚体系统动力学模型，调整该模型的具体参数使之与砍击者或被砍击者的人体特征相同，并将该模型作为砍击者或被砍击者的人体多刚体系统动力学模型。
采用该优选方案，可进一步明确人体多刚体系统动力学模型库的构建过程，以及建立砍击者和被砍击者人体多刚体系统动力学模型的具体过程，利于实现更好地再现效果。其中涉及到的人体运动仿真软件系统可采用LifeMod软件，例如GeBod人体数据库(BRG.LifeMODTM)。
优选地，所述人体被砍击部位有限元分析模块中，预设人体组织本构方程模型库的具体构建过程为：
根据文献数据，将人体组织的本构方程和/或力学参数输入人体组织本构方程模型库；所述本构方程为应力本构方程；所述力学参数选自或包括密度、弹性模量或杨氏模量、泊松比、极限应力、极限应变；
预设人体有限元模型库的具体构建过程为：
W1、以受试者作为建模对象，对受试者的预设部位进行CT扫描，获得CT图像；所述预设部位为全身或局部部位；
W2、将CT图像导入Mimics软件中进行处理，获得初步几何模型；
W3、将初步几何模型导入Geomagic Studio软件中进行处理，获得平滑模型；
W4、将平滑模型导入Hypermesh软件中进行处理，并结合人体组织本构方程模型库中相应人体组织的模型数据，获得网格化模型；
W5、将网格化模型导入ABAQUS软件中进行装配处理，获得人体有限元模型；
通过人体被砍击部位有限元分析模块将人体有限元模型与砍刀数字化结果、砍击者砍击动作数字化结果结合的具体过程如下：
将人体有限元模型导入Hypermesh软件中，先对该模型中预设的刀具接触区域进行种子加密，再对该模型进行四面体网格划分，然后对该模型中的软组织模型和骨头模型做共节点设置，之后导出人体模型文件；将人体模型文件导入ABAQUS软件中，采用砍刀数字化结果，将刀具与人体模型进行装配；以装配所得模型为基础，结合砍击者砍击动作数字化结果进行有限元仿真分析，得出被砍击者的伤口长度和伤口深度。
采用该优选方案，可进一步明确人体组织本构方程模型库、人体有限元模型库的构建过程，以及结合砍刀数字化结果和砍击者砍击动作数字化结果的具体过程，利于实现更好地再现效果。
更优选地，W2中，在Mimics软件中进行的处理包括：通过调节阈值范围提取骨组织和软组织；使用区域增长对骨组织蒙罩、软组织蒙罩分别进行编辑；利用三维计算对骨组织蒙罩、软组织蒙罩分别进行重建；
W3中，在Geomagic Studio软件中进行的处理包括：将初步几何模型进行光顺处理，之后进行NUBRS处理；
W4中，在Hypermesh软件中进行的处理包括：将平滑模型中的基本线和边界线进行toggle操作处理；结合人体组织本构方程模型库中相应人体组织的模型数据，对平滑模型中各组织赋予材料属性。
采用该优选方案，可进一步明确人体有限元模型库构建具体过程中的细节。
优选地，第三步中，通过砍击事件可视化模块再现演示砍击过程的具体过程如下：
L1、根据输入单元发来的现场线索和砍击过程特征确定事件剧本；转至L2；
L2、根据仿真分析单元发来的砍击者砍击动作数字化结果，得出人体关键点运动轨迹；转至L3；
L3、将预设的数字化造型、以及人体关键点运动轨迹输入动作赋予及动画生成软件，获得再现演示砍击过程的动画；
通过砍击事件可视化模块再现演示被砍击者砍击部位的砍创形态的具体过程如下：
所述人体被砍击部位有限元分析模块经仿真分析获得被砍击者砍击部位与砍刀接触的全过程；根据仿真分析单元发来的被砍击者砍击部位的砍创形态、以及被砍击者砍击部位与砍刀接触的全过程，绘制生成再现演示被砍击者砍击部位的砍创形态的动画；
第三步还包括：通过砍击事件可视化模块，根据输入单元发来的现场线索和砍击过程特征生成案发现场环境的三维场景，并将砍击过程融合入该三维场景。
采用该优选方案，可进一步明确砍击事件可视化模块再现演示砍击过程、被砍击者砍击部位的砍创形态的具体过程；融入三维场景可一并再现砍击事件前后现场环境的演化过程，利于实现更好地再现效果。
优选地，第四步中，用于比对的证据包括定性指标和定量指标，且均来源于第一步的现场线索；该再现演示中的细节包括与定性指标对应的定性细节，与定量指标对应的定量细节；
在证据比对时，如果该再现演示中，定性细节与相应的定性指标相符合，且定量细节与相应定量指标的误差小于或等于15％，则判定该再现演示再现成功，否则判定该再现演示再现不成功。
采用该优选方案，可进一步明确证据比对的判断标准，利于实现更好地再现效果。
优选地，所述定性指标选自或包括：案件参与人主要特征、刀具类型、动作属性、伤口定性指标、砍击动作与现场空间相容、现场特征；所述定量指标选自或包括：伤口方位角度、伤口长度、伤口深度。
采用该优选方案，可进一步明确定性指标和定量指标的具体内容。
本发明先通过案件现场线索模块、人工推断模块输入现场线索、砍击过程特征，再通过砍刀数字化模块、砍击动作数字化模块、砍击人体多体系统动力学分析模块、人体被砍击部位有限元分析模块利用预设的多个数据库和模型库进行仿真分析，最后通过砍击事件可视化模块对砍击过程、被砍击者砍击部位的砍创形态以动画进行可视化再现演示；之后，通过证据比对判断该再现演示是否成功，若不成功再重新仿真分析和再现演示，并在其中调整若干要素以更符合实际证据，最终获得成功的再现演示。如此即能通过多系统联合仿真动画再现的方式，获取砍击伤害案件中砍击过程的具体演化过程，从而能够动态地、生动逼真地呈现案件发生过程，并刻画出作案过程中涉及到的一些时间和空间关联关系。
本发明基于人体的基本生理学、解剖学和生物力学的基本规律，通过计算仿真技术以及计算机可视化技术，实现了对砍击伤害案件再现，具有科学、可靠、直观、逼真、灵活的优点，克服了以往刑事调查中只能基于经验定性判断推理的弱点，有助于案件侦破人员快速锁定犯罪嫌疑人，节约经费，及时破案，保障社会安全。
附图说明
图1为本发明实施例1的砍击伤害案件再现系统示意图。
图2为本发明实施例2的砍击伤害案件再现方法示意图。
图3为本发明实施例3中的示例图。
图4为本发明实施例4中人体和刀具标志球的示意图。
图5为本发明实施例4中以真刀模拟砍击假人实验示意图。
图6为本发明实施例5中19环节多刚体人体模型示意图。
图7为本发明实施例6中上肢和刀具有限元模型建立流程图。
图8为本发明实施例6中Mimics19操作界面示意图。
图9为本发明实施例6中骨组织(左)和软组织(右)阈值选取示意图。
图10为本发明实施例6中骨组织和软组织粗糙几何模型。
图11为本发明实施例6中Geomagic Studio操作界面示意图。
图12为本发明实施例6中肱骨(左)和前臂(右)NURBS模型图。
图13为本发明实施例6中Hypermesh2017操作界面示意图。
图14为本发明实施例6中去除多余曲面边界线示意图。
图15为本发明实施例6中toggle操作前(上图)后(下图)的软组织手臂模型图。
图16为本发明实施例6中ABAQUS2019操作界面示意图。
图17为本发明实施例6中共节点截面图。
图18为本发明实施例6中上肢有限元模型分别与三个刀器有限元模型装配的示意图。
图19为本发明实施例7中表演动画系统的组成和工作流程图。
图20为本发明实施例7中模块组成和工作流程图。
具体实施方式
下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。
实施例1
如图1所示，本实施例的砍击伤害案件再现系统由输入单元、仿真分析单元以及输出单元依次连接构成。
输入单元包括案件现场线索模块、人工推断模块；其中，案件现场线索模块用于供输入在砍击伤害案件现场勘验获得的现场线索，人工推断模块用于供输入刑侦专家根据现场线索推测出的砍击过程特征。
仿真分析单元包括砍刀数字化模块、砍击动作数字化模块、砍击人体多体系统动力学分析模块、人体被砍击部位有限元分析模块；其中，砍刀数字化模块用以根据其预设的砍刀数据库将输入单元发来现场线索中的砍刀数字化；砍击动作数字化模块用以根据其预设的砍击动作数据库将输入单元发来砍击过程特征中的砍击者砍击动作数字化；砍击人体多体系统动力学分析模块用以根据其预设的人体多刚体系统动力学模型库、结合砍击者砍击动作数字化结果进行多体动力学仿真，获得被砍击者砍击部位的第一砍创形态，第一砍创形态包括伤口位置和伤口方位角度；人体被砍击部位有限元分析模块用以根据其预设的人体有限元模型库和人体组织本构方程模型库、结合砍刀数字化结果和砍击者砍击动作数字化结果，经仿真分析得出被砍击者砍击部位的第二砍创形态，第二砍创形态包括伤口长度和伤口深度。
输出单元包括砍击事件可视化模块；砍击事件可视化模块用以将砍击过程、被砍击者砍击部位的砍创形态，分别以动画的方式进行再现演示；砍创形态由第一砍创形态和第二砍创形态构成。
具体而言，砍刀数字化模块中预设的砍刀数据库包括不同刀具的参数数据和三维有限元模型，参数数据选自或包括刀具的重量、惯性参数、三维几何尺寸、材料属性、刀头力学特征。
砍击动作数字化模块中预设的砍击动作数据库包括与不同砍击动作对应的人体环节三维运动学数据；人体环节三维运动学数据包括砍击者人体持刀侧上肢各关节的角位移和角速度、砍击者和被砍击者的人体各关节点三维坐标和砍击力的动态变化数据。
砍击人体多体系统动力学分析模块中预设的人体多刚体系统动力学模型库所含模型具有19个环节和50个自由度；环节包括人体的头、颈、上躯干、中躯干、下躯干、肩胛骨、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足。
人体被砍击部位有限元分析模块中预设的人体有限元模型库包括人体全身有限元模型、人体局部有限元模型；人体局部有限元模型对应的人体局部选自或包括头部、颈部、胸部、腹部、髋部、臀部、肩部、上臂部、前臂部、大腿部、小腿部。
人体被砍击部位有限元分析模块中预设的人体组织本构方程模型库包括人体组织的本构方程和/或力学参数，人体组织选自或包括骨组织、皮肤、脂肪、肌肉、结蹄组织(韧带和肌腱)、内脏组织(如肺、胃、肠和脑)。
此外，案件现场线索模块供输入的现场线索还选自或包括砍击者供述、被砍击者陈述、目击者证言、被砍击者的血液和血迹痕迹；人工推断模块供输入的砍击过程特征还选自或包括砍击者人体特征、被砍击者人体特征。
本实施例再现系统中，案件现场线索模块、人工推断模块供输入现场线索、砍击过程特征，通过砍刀数字化模块、砍击动作数字化模块、砍击人体多体系统动力学分析模块、人体被砍击部位有限元分析模块利用预设的多个数据库和模型库可进行仿真分析，为后续再现演示提供数据基础，最后通过砍击事件可视化模块对砍击过程、被砍击者砍击部位的砍创形态以动画进行可视化演示。
实施例2
如图2所示，本实施例的砍击伤害案件再现方法采用实施例1的砍击伤害案件再现系统，该方法包括：
第一步、在输入单元中，向案件现场线索模块输入在砍击伤害案件现场勘验获得的现场线索，向人工推断模块输入刑侦专家根据现场线索推测出的砍击过程特征。
第二步、在仿真分析单元中，通过砍刀数字化模块，根据其预设的砍刀数据库，将输入单元发来现场线索中的砍刀数字化。
通过砍击动作数字化模块，根据其预设的砍击动作数据库将输入单元发来砍击过程特征中的砍击者砍击动作数字化。
通过砍击人体多体系统动力学分析模块，根据其预设的人体多刚体系统动力学模型库，按输入单元发来砍击过程特征中砍击者、被砍击者的人体特征建立砍击者、被砍击者的人体多刚体系统动力学模型；以这些模型为基础，结合砍击者砍击动作数字化结果进行多体动力学仿真，获得被砍击者砍击部位的第一砍创形态，第一砍创形态包括伤口位置和伤口方位角度。
通过人体被砍击部位有限元分析模块，根据其预设的人体有限元模型库和人体组织本构方程模型库，结合砍刀数字化结果和砍击者砍击动作数字化结果，经仿真分析得出被砍击者砍击部位的第二砍创形态，第二砍创形态包括伤口长度和伤口深度。
第三步、在输出单元中，通过砍击事件可视化模块，将砍击过程、被砍击者砍击部位的砍创形态，分别以动画的方式进行再现演示；砍创形态由第一砍创形态和第二砍创形态构成。
第四步、通过证据比对，判断该再现演示是否成功；若不成功则重新进行第二步的仿真分析和第三步的再现演示，或者，先转至第一步向人工推断模块输入刑侦专家根据现场线索重新推测出的砍击过程特征，再重新进行第二步的仿真分析和第三步的再现演示；若成功则本方法结束。
具体而言，第二步的砍刀数字化模块中，预设砍刀数据库的构建过程为：
S1、针对各刀具，测量该刀具的重量、三维几何尺寸，三维几何尺寸选自或包括长度、宽度、厚度、角度；
S2、利用理论力学方法，计算该刀具的惯性参数，惯性参数选自或包括质心位置、转动惯量；
S3、确定该刀具的材料属性，进而确定该刀具刀头的力学特征，力学特征选自或包括弹塑性指标、断裂参数；
S4、建立该刀具的三维有限元模型。
通过砍刀数字化模块将输入单元发来现场线索中的砍刀数字化的具体过程为：
F1、在预设的砍刀数据库中查找与该砍刀相同的刀具模型，若找到则导出该刀具模型备用，若未找到则转至F2；
F2、在预设的砍刀数据库中查找与该砍刀相似的刀具模型，若找到则调整刀具模型的具体参数使之与该砍刀相同，并导出该刀具模型备用，若未找到则转至F3；
F3、采用S1至S4，将该砍刀制成刀具模型加入砍刀数据库中，并导出该刀具模型备用。
具体而言，第二步的砍击动作数字化模块中，预设砍击动作数据库的具体构建过程为：
T1、采用假人、两台高速摄像机、三维标定框架、红外运动捕捉录像系统、一组红外反射标志球、砍刀刀具、具有三维力传感器的测试刀具；高速摄像机的拍摄频率至少为250fps；
T2、以受试者作为建模对象，按照预设砍击动作进行测试；测试包括：一受试者模拟砍击另一受试者的运动学测试，受试者以砍刀刀具砍击假人的运动学测试，受试者以测试刀具砍击假人的运动学测试和动力学测试；测试前，将红外反射标志球固定于受试者、砍刀刀具或测试刀具上，以两台高速摄像机和三维标定框架对测试所处空间进行拍摄以标定三维坐标；测试时，以红外运动捕捉录像系统对受试者砍击动作进行运动捕捉，以两台高速摄像机对受试者进行全身拍摄，在含有测试刀具的测试中采集测试刀具的三维力数据；
T3、根据红外运动捕捉录像系统的捕捉数据、高速摄像机的拍摄数据、以及测试刀具的三维力数据，经过分析计算得出与预设砍击动作对应的人体环节三维运动学数据；人体环节三维运动学数据包括砍击者人体持刀侧上肢各关节的角位移和角速度、砍击者和被砍击者的人体各关节点三维坐标和砍击力的动态变化数据。注：这些数据主要受到性别、身高、体重、力量水平以及砍击者主观用力程度的影响。
通过砍击动作数字化模块将输入单元发来砍击过程特征中的砍击者砍击动作数字化的具体过程为：
采用T1至T3，以该砍击动作为预设砍击动作，并获得与之对应的人体环节三维运动学数据。
具体而言，第二步的砍击人体多体系统动力学分析模块中，预设人体多刚体系统动力学模型库的具体构建过程为：
采用人体运动仿真软件系统，以受试者为建模对象，建立具有19个环节和50个自由度的人体多刚体系统动力学模型；环节包括人体的头、颈、上躯干、中躯干、下躯干、肩胛骨、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足。
通过砍击人体多体系统动力学分析模块建立砍击者和被砍击者的人体多刚体系统动力学模型的具体过程为：
H1、根据砍击者或被砍击者的人体特征，在预设的人体多刚体系统动力学模型库中查找相同的人体多刚体系统动力学模型，若找到则将该模型作为砍击者或被砍击者的人体多刚体系统动力学模型；若未找到则转至H2；
H2、根据砍击者或被砍击者的人体特征，在预设的人体多刚体系统动力学模型库中查找相近的人体多刚体系统动力学模型，若找到则调整该模型的具体参数使之与砍击者或被砍击者的人体特征相同，并将该模型作为砍击者或被砍击者的人体多刚体系统动力学模型；若未找到则转至H3；
H3、根据砍击者或被砍击者的人体特征，以人体特征与之相近的受试者为建模对象建立人体多刚体系统动力学模型，调整该模型的具体参数使之与砍击者或被砍击者的人体特征相同，并将该模型作为砍击者或被砍击者的人体多刚体系统动力学模型。
具体而言，第二步的人体被砍击部位有限元分析模块中，预设人体组织本构方程模型库的具体构建过程为：
根据文献数据，将人体组织的本构方程和/或力学参数输入人体组织本构方程模型库；本构方程为应力本构方程；力学参数选自或包括密度、弹性模量或杨氏模量、泊松比、极限应力、极限应变。(注：力学参数属于开放式的数据库，受到年龄、性别和健康状态等因素影响)
预设人体有限元模型库的具体构建过程为：
W1、以受试者作为建模对象，对受试者的预设部位进行CT扫描，获得CT图像；预设部位为全身或局部部位；(注：为提高仿真计算速度，通常应用局部有限元模型即可满足需要。特殊条件下，可以应用人体全身有限元模型)
W2、将CT图像导入Mimics软件中进行处理，获得初步几何模型；
W3、将初步几何模型导入Geomagic Studio软件中进行处理，获得平滑模型；
W4、将平滑模型导入Hypermesh软件中进行处理，并结合人体组织本构方程模型库中相应人体组织的模型数据，获得网格化模型；
W5、将网格化模型导入ABAQUS软件中进行装配处理，获得人体有限元模型。
其中，W2中，在Mimics软件中进行的处理包括：通过调节阈值范围提取骨组织和软组织；使用区域增长对骨组织蒙罩、软组织蒙罩分别进行编辑；利用三维计算对骨组织蒙罩、软组织蒙罩分别进行重建；W3中，在Geomagic Studio软件中进行的处理包括：将初步几何模型进行光顺处理，之后进行NUBRS处理；W4中，在Hypermesh软件中进行的处理包括：将平滑模型中的基本线和边界线进行toggle操作处理；结合人体组织本构方程模型库中相应人体组织的模型数据，对平滑模型中各组织赋予材料属性。
通过人体被砍击部位有限元分析模块将人体有限元模型与砍刀数字化结果、砍击者砍击动作数字化结果结合的具体过程如下：
将人体有限元模型导入Hypermesh软件中，先对该模型中预设的刀具接触区域进行种子加密，再对该模型进行四面体网格划分，然后对该模型中的软组织模型和骨头模型做共节点设置，之后导出人体模型文件；将人体模型文件导入ABAQUS软件中，采用砍刀数字化结果，将刀具与人体模型进行装配；以装配所得模型为基础，结合砍击者砍击动作数字化结果进行有限元仿真分析，得出被砍击者的伤口长度和伤口深度。
具体而言，第三步中，通过砍击事件可视化模块再现演示砍击过程的具体过程如下：
L1、根据输入单元发来的现场线索和砍击过程特征确定事件剧本；转至L2；
L2、根据仿真分析单元发来的砍击者砍击动作数字化结果，得出人体关键点运动轨迹；转至L3；
L3、将预设的数字化造型、以及人体关键点运动轨迹输入动作赋予及动画生成软件，获得再现演示砍击过程的动画。
通过砍击事件可视化模块再现演示被砍击者砍击部位的砍创形态的具体过程如下：
人体被砍击部位有限元分析模块经仿真分析还获得被砍击者砍击部位与砍刀接触的全过程；根据仿真分析单元发来的被砍击者砍击部位的砍创形态、以及被砍击者砍击部位与砍刀接触的全过程，绘制生成再现演示被砍击者砍击部位的砍创形态的动画。
此外，第三步还包括：通过砍击事件可视化模块，根据输入单元发来的现场线索和砍击过程特征生成案发现场环境的三维场景，并将砍击过程融合入该三维场景。
具体而言，第四步中，用于比对的证据包括定性指标和定量指标，且均来源于第一步的现场线索；该再现演示中的细节包括与定性指标对应的定性细节，与定量指标对应的定量细节。定性指标选自或包括：案件参与人主要特征、刀具类型、动作属性、伤口定性指标、砍击动作与现场空间相容、现场特征；定量指标选自或包括：伤口方位角度、伤口长度、伤口深度。
在证据比对时，如果该再现演示中，定性细节与相应的定性指标相符合，且定量细节与相应定量指标的误差小于或等于15％，则判定该再现演示再现成功，否则判定该再现演示再现不成功。
本实施例再现方法中，先通过前述的再现系统获得再现演示，再通过证据比对判断该再现演示是否成功，在判定再现演示不成功的情况下，可以先重新进行第二步的仿真分析和第三步的再现演示，若所得再现演示仍然不成功，则需要调整人工推断的若干要素使演示结果更符合实际证据，此时先转至第一步向人工推断模块输入刑侦专家根据现场线索重新推测出的砍击过程特征，再重新进行第二步的仿真分析和第三步的再现演示。如此可确保最终能获得成功的再现演示。如此即能通过多系统联合仿真动画再现的方式，获取砍击伤害案件中砍击过程的具体演化过程，从而能够动态地、生动逼真地呈现案件发生过程，并刻画出作案过程中涉及到的一些时间和空间关联关系。
此外，本实施例方法涉及的砍击动作不限于以刀具进行劈砍的动作，也适用于以刀具进行刺、切割的动作，以及其他因受伦理或者技术原因限制而无法测量的力。
实施例3
本实施例为实施例2中第二步的砍刀数字化模块中预设砍刀数据库的构建示例，以对本发明进行更加细致地说明，但本实施例不构成对本发明技术方案的限制。
首先，获取现实案件中或生活中的刀具。例如：公安部门缴获的违法刀具；再如，生活/生产中的菜刀、剪刀、水果刀等刀具或尖锐器具。
如图3的A、B、C所示，本实施例采用的刀具有：实验测量的刀具(A)、违法案件的砍刀(B)、家用菜刀(C)。
然后，采用直尺、游标卡尺等工具测量刀具的几何尺寸(长、宽、厚度、角度等)，判定材质，然后在绘图软件系统中建立刀具的几何模型。同时应用理论力学方法，计算质心位置和转动惯量；依照材料属性，通过查阅工具书，确定刀具刀头部分的力学特征(弹塑性指标、断裂参数等)。
如图3的D所示，本实施例采用solidworks2016版本建立刀具模型。
分别量取三种刀具的几何参数，在solidworks界面中选择基准面，在基准面中建立草图，使用凸台拉伸功能建立刀具，并用倒角及圆角功能处理边界及调整刀刃的锋利程度，建立好的刀具几何模型如图3的E、F、G所示。将建立好的刀具模型输出至STP格式并分别保存，为后续计算做准备。
将三个刀具模型分别导入Hypermesh软件中，分别划分网格，对刀刃部分做局部种子加密处理，划分后的信息如表1所示。
表1、刀具节点单元参数表
| 刀具 | 节点 | 单元 |
| 传感器刀 | 2916 | 9140 |
| 砍刀 | 3320 | 1570 |
| 菜刀 | 5014 | 15394 |
将网格划分好后的刀具模型分别以inp格式保存。
实施例4
本实施例为实施例2中第二步的砍击动作数字化模块中预设砍击动作数据库的构建示例，以对本发明进行更加细致地说明，但本实施例不构成对本发明技术方案的限制。
预设砍击动作数据库中的各砍击动作可通过多种途径确定，如，实验室中模拟砍击动作；又如，刑事案件中视频监控获得的实际砍击动作，之后在实验室模拟砍击。
数据库是开放式的，可以不断添加各种新条件下的砍击动作。例如，砍击事件可能发生在空间受限的室内或者车内，这时候的砍击动作会与开阔空间的动作有所差异。此时可将该砍击动作按照已有方法添加入数据库中。
本实施例的具体示例内容如下：
(1)测试内容
①使用棍棒砍真人前臂，被砍者做出一次阻挡的运动学测试(即，一受试者模拟砍击另一受试者的运动学测试)。
②使用缴获刀具砍假人颈部的运动学测试。
③使用缴获刀具砍假人背部的运动学测试。
④使用带有三维力传感器的测试刀具，砍假人颈部的运动学和动力学测试。
⑤使用带有三维力传感器的测试刀具，砍假人背部的运动学和动力学测试。
(2)动作的要求
实验要求所有受试者在完成动作时尽量保证动作的一致性，以消除个体差异，使实验结果有统计学意义，因此实验前要对受试者详细讲解动作要求：使用主观认为自身最大的力进行砍击。
(3)实验材料准备
①瑞典Qualisys红外运动捕捉录像系统(8个镜头)1套；
②高速摄像机(CASIO EX-F1)2台(频率250HZ)及其三脚架；
③三维标定框架；
④假人1个；
⑤真假砍刀各1把；
⑥三维力传感器(Kistler 9027C)测试刀具，及其信号匹配的调节器(Kistler5108A)；
⑦红外反射标志球(marker)50个；
⑧其他小型实验常用物品：身高体重仪、黑布、蓝布、剪刀、双面胶、透明胶、保护薄膜2、标签贴4、记号笔、签字笔、笔记本。
(4)测试仪器与测试
本实验使用瑞典Qualisys红外运动捕捉录像系统对17名志愿者砍杀时砍击动作进行运动捕捉(采样频率200Hz)；同时用两台高速摄像机(CASIO EX-F1)对志愿者砍击的动作进行全身拍摄，拍摄频率为250fps。
将红外反射标志球固定在受试志愿者身体上和刀具上，固定位置示意图如图4所示。
受试者手持刀器完成砍击动作，红外捕捉系统同时采集受试者砍击动作的运动学数据。如图5所示，左图为受试者手持真实刀器(为保护假人，把刀器用柔软的布条缠裹)，右图为受试者手持带有传感器的实验测量刀具，完成砍击动作。
(5)数据处理
捕捉录像仪记录发光小球的运动轨迹来建立人体的三维模型，通过自带的分析系统得出砍击者与被砍击者上肢和躯干各个关节等相关运动学数据，包括关节点坐标动态变化和砍击力的动态变化；衍生指标包括人体关节角度、角速度以及整个动作的完成时间等。
数据间断部分由QTM软件应用插值方法进行自动补充，运用Qualisys红外运动捕捉录像系统中自带软件QTM获得各个标志点的空间三维坐标。应用Excel、Origin 9.1等软件对原始数据三维坐标数据进行平滑与计算，得到应用于分析的运动学数据。数据平滑采用低通滤波的方法，截断频率为10Hz。
实施例5
本实施例为实施例2中第二步的砍击人体多体系统动力学分析模块中预设人体多刚体系统动力学模型库的构建示例，以对本发明进行更加细致地说明，但本实施例不构成对本发明技术方案的限制。
LifeMod(LifeModeler，Inc.San Clemente，CA)是目前较为先进的多体动力学计算机仿真软件，主要运用于人体运动的仿真，是基于主流仿真软件系统ADAMS(AutomaticDynamic Analysis of Mechanical Systems)的人体建模插件。
本实施例的具体示例内容如下：
对一名受试者建立19环节多刚体人体模型(如图6所示)，根据其性别、年龄(17岁)、身高(1.68m)和体重(63kg)参数在GeBod人体数据库(BRG.LifeMODTM)中进行个性化建模。
实施例6
本实施例为实施例2中第二步的人体被砍击部位有限元分析模块的具体示例，以对本发明进行更加细致地说明，但本实施例不构成对本发明技术方案的限制。
(一)、人体组织本构方程模型库
人体组织包括密质骨、松质骨、皮肤、肌肉、韧带、肌腱、脑、血管、心脏、肺、其他内脏等。半个多世纪来，人们对人体组织本构方程的探讨已经进行了很多研究。严格的讲，所有的生物组织都是非线性、各向异性的粘弹性材料，材料内的应力不仅与材料当时的应变有关，而且与应变历史和应变率有关。
人体组织本构方程模型库包括人体中骨组织、皮肤、脂肪、肌肉、结蹄组织(韧带和肌腱)、各种内脏(如肺、胃、肠和脑)等组织的本构方程及其相关力学参数组成。
数据库是开放式的，可以根据实际需要和新的研究成果，不断添加各种人体组织的新模型。
具体示例内容如下：
案例1：上肢砍击有限元建模人体组织本构方程及其参数
在ABAQUS软件的Materials编辑功能中，根据文献数据，赋予各部件相应的材料属性。它们都赋予线弹性材料。
(1)骨骼密度为1.7E-09t/mm3，杨氏模量为13800MPa，泊松比为0.35；
(2)软组织杨氏模量为1500MPa，泊松比为0.3。
案例2：足部有限元建模生物组织本构方程及其参数(参考文献：张明，等.足部三维有限元建模方法及其生物力学应用.医用生物力学，2007；22(4):339-344)
(1)骨骼组织
骨组织可以作为单一各向同性线弹性材料，弹性模量E＝7300MPa，泊松比υ＝0.3。
(2)松质骨组织
松质骨组织可以作为单一各向同性线弹性材料，弹性模量E＝1MPa，泊松比υ＝0.4。
(3)韧带组织
韧带可以视为不可压缩材料，弹性模量E＝260MPa，泊松比υ＝0.5。
(4)生物软组织
生物软组织可以看做为超弹性(Hyperelastic)材料，应变势能的二次多项式表达式公式为：
其中U指参考体积的每单位的应变能；Cij和Di是材料的参数；和/>是第一和第二应变偏不变量，定义如下：
其中偏拉应力定义如下：
Jel和λI分别是弹性体积比和主拉力。
(二)、人体有限元模型库构建、以及与砍刀数字化结果结合
具体示例内容如下：
(1)总体建模过程
如图7所示，先基于人体上肢的CT扫描图像在Mimics软件中建立初步几何模型，再通过Geomagic软件建立平滑模型，再导入Hypermesh软件中修补模型并划分网格，最后导入ABAQUS软件中装配，以此建立完整的人体三维上肢有限元模型。刀具则采用与实施例3相同的步骤获得刀具模型，最后导入ABAQUS软件中将两模型装配在一起。
(2)上肢有限元模型的建立
①数据源处理
本示例使用的是Mimics19版本，数据源来自一男性受试者的左手臂CT图像。该受试者年龄53岁，体重72kg，身高172cm，通过检查其身体状况健康，并无上肢病变的可能性。CT图像共1228张，图像层间距为1mm，存储为DICOM格式。
将原始CT图像导入Mimics19软件中，图8为界面操作图。导入图片后，软件会自动计算生成冠状面图和矢状面图。Mimics用这三个视图来显示这三个位置的图片，并且三个视图之间相互关联，可以通过鼠标和定位工具栏快速定位。如图8所示，右上角的图是原始的扫描图像，左上角和下角是由原始横断面图像计算生成的冠状面和矢状面图像。红线指示横断面图像的位置，黄线指示冠状面图像的位置，绿线指示矢状面位置。
CT图片中，不同组织的灰度值不同，需要通过调节阈值范围来提取所需要的组织，准确的设置阈值是提取组织的关键，阈值提取组织的时候，可以通过看图，检查提取的组织是否合适。阈值左区间设置得太低，会造成提取许多噪点；而阈值左区间设置得太高，会造成许多骨组织丢失。利用软件自带的“阈值设定”(Threshold)图标，选定骨组织阈值范围为1250-4095，软组织为324-1249，如图9所示。
之后使用区域增长(Region growing)对骨组织蒙罩(mask)及软组织蒙罩进行编辑，以此实现不同结构图像的分离及区分不同的结构。最后利用“三维计算功能(Calculate)”工具对组织蒙罩进行重建，清楚直观地再现各组织结构的三维形态。初步建立好的粗糙几何模型如图10所示。
将分割好的各组织模型以stl格式输出，分别存储为不同的模型文件。以上，对数据源的初步处理已完成。因为建立的粗糙几何模型还有很多的孔洞，表面也并不光顺完整，这不能满足后续有限元网格划分中的简单性原则，也是上文提及的Mimics的缺点之一，因此需要在Geomagic Studio软件中对模型进行进一步的处理。
②几何模型光顺
将建立好的粗糙几何模型文件导入至Geomagic Studio软件中，用户界面如图11所示。
使用软件的快速光顺功能可将几何模型表面过于粗糙的部分进行快速平滑，减少噪音，优化边缘等处理。光顺后部位的三角形数量由182变到了150，模型整体的三角形数量从11836减少为11804。对所有的骨骼模型及软组织模型进行相似的光顺处理，为NURBS做准备。
进入启动栏中的精确曲面选项。选择自动合并曲面片，之后应用自动曲面化。对模型的NUBRS处理到这一步就完成了，对于曲面的精度要求则可通过制定曲面片计数以及曲面细节的阈值来调节。调节依据的准则有两点：为了拟合曲面时捕捉的模型外形更优质，每块曲面片的曲率变化应均匀来降低拟合误差；每块曲面片应为四边形，整体布局规则完整、简易，以降低后续有限元网格划分的难度。图12为NUBRS处理后的骨骼三维几何模型。
根据上述两点原则，对软组织模型进行同样的操作，至此人体上肢几何模型的建立已全部完成。将模型输出为STP格式并分别保存，为后续有限元网格划分做准备。
③模型基本线处理
将在Geomagic软件中NUBRS处理后的人体上肢模型导入Hypermesh2017中，操作界面如图13所示。
目前模型的单元和节点还是非常多，这会增加后续有限元计算的计算量和时间，因此需要对模型特征线做进一步简化处理。使用Geomagic列表中的edge edit按钮，使用toggle功能对模型的基本线进行操作，如图14所示，虚线为已经去除了的线。
对肱骨、前臂及软组织均进行该操作，去线的准则为：将过于扭曲曲面的边界线，曲率较大部位的边界线，及不光滑平整的边界线进行toggle操作。图15为操作前后，软组织模型的曲面变化示意图。
两张图的比较可直观的看出软组织模型的曲面片数量变少了，而像手指及关节这样不规则曲面较为集中的部位也变得平整顺滑，表2为hypermesh处理后的三个上肢模型的基本线、基本节点、基本面的数量变化表。
表2模型处理前后基本数据比较表
| 基本线数量(条) | 基本节点数量(个) | 基本面数量(个) | |
| 肱骨(处理前) | 658 | 331 | 329 |
| 肱骨(处理后) | 448 | 226 | 224 |
| 前臂(处理前) | 4185 | 2092 | 2092 |
| 前臂(处理后) | 929 | 545 | 384 |
| 软组织(处理前) | 2444 | 1224 | 1222 |
| 软组织(处理后) | 384 | 194 | 192 |
这一步的操作是必须的，能方便研究人员控制模型网格的数量和精度，一般的电脑配置求解单个有限元算例会需要三五天甚至一周的时间，而这一步操作后，同样算例的计算时间缩短至了20个小时左右就能求解完成。
④网格划分与模型装配
在有限元计算前还需要对几何模型进行进一步的前处理，前处理是创建分析模型的阶段，也是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片地表示求解域上待求的未知场函数的过程。在正确地建立单元类型、划分网格、施加载荷、边界条件以及材料模型、定义求解器所需的控制卡片等各类满足求解所需的必要信息后，即可得到求解器可识别的模型文件，然后提交求解器进行解算。其中，结合人体组织本构方程模型库中相应人体组织的模型数据，对平滑模型中各组织赋予材料属性。
到此已不需要对模型的几何形状再进行修补与改动，接下来需要在ABAQUS软件中对模型进行剩余的前处理工作。
在ABAQUS2019软件中导入三个上肢几何模型，并进行装配。操作界面如图16所示。
由于建立的软组织模型为实心，并未将肱骨及前臂骨所在的位置留出，因此使用布尔运算“挖洞”，将骨头所对应的软组织内位置变为空腔，之后将三个Part导入至Assmebly中装配。
将装配好的上肢模型以SAT格式输出，导入Hypermesh软件中。算例中模拟情况为刀具砍击前臂，因此对预接触区域进行种子加密，采用1mm，其余部位为3mm，这可以节省后续计算的时间，在Tetramesh功能中使用Volume tetra将模型划分为四面体网格。模型共有32256个节点，165625个单元。对软组织模型和骨头模型做共节点设置，这样可以使骨头的网格和软组织的网格一一对应，并省去在ABAQUS中再对模型之间设置接触的操作。结果如图17所示。将划分完网格的模型以inp文件格式保存为一个文件。将所有的inp格式文件导入ABAQUS中，建立三个Models将三种刀具分别和手臂模型进行装配，装配好的模型如图18所示。
实施例7
本实施例为实施例2中第三步中砍击事件可视化模块的具体示例，以对本发明进行更加细致地说明，但本实施例不构成对本发明技术方案的限制。
本实施例的具体示例内容如下：
通过计算机三维动画显示人体动作和局部形态已经在医学教育、体育、娱乐产业中广泛应用，该技术手段成熟可行、无实质性难度。
(1)砍击过程
采用常规的“基于动作捕捉的计算机动画”的动画制作技术进行砍击动作行为演化过程可视化。在表演动画系统一般只需要输入若干个关键点的运动轨迹，再结合造型中的各部分的生理、物理约束就可以合成最终的动画画面。一般表演动画系统的组成和工作流程如图19所示(参考文献：金刚，等.表演动画中的运动捕捉技术.中国图象图形学报,2000；5(A，3):264-267)。
本示例中，根据输入单元发来的现场线索和砍击过程特征确定事件剧本，包括砍击事件参与人性别、年龄、身高和体重等特征；根据仿真分析单元发来的砍击者砍击动作数字化结果，得出人体关键点的运动轨迹；具体模块组成和工作流程如图20所示。动画生成软件可以选择Poser软件系统。
(2)砍创形态
根据仿真分析单元发来的被砍击者砍击部位的砍创形态、以及被砍击者砍击部位与砍刀接触的全过程，绘制生成再现演示被砍击者砍击部位的砍创形态的动画。被砍击者砍击部位的砍创形态包括伤口位置、方位角度、长度和深度等关键性指标。
(3)砍击事件与现场演化
根据输入单元发来的现场线索和砍击过程特征生成案发现场环境的三维场景，并将前面的砍击过程融合入该三维场景，形成包括砍击事件和现场环境演化过程的动画。
实施例8
本实施例为实施例2中第四步的证据比对时涉及指标的具体示例，以对本发明进行更加细致地说明，但本实施例不构成对本发明技术方案的限制。
本实施例的具体示例内容如下：
1、证据比对的原则
依据实际案件中具体证据，遵循定性指标相符合、定量指标误差小于15％的原则。
2、定性指标包括但不限于以下指标：
(1)案件参与人主要特征，例如砍击者的性别，大致年龄(壮年、老年、幼年等)、大致身高(高、中、低身材)；
(2)刀具类型，如属于锐器还是钝器；若属于锐器则确定动作属性，如砍击或刺杀等；刀具是哪种刀，如，砍刀、菜刀、匕首等。
(3)伤口定性指标，如创口定性位置，伤口形态(属于刺击伤还是砍击伤)；如果是砍击伤，则需要继续判断是刀尖砍击引起的蝶形(也叫楔形)砍创，还是刀身砍击引起的线形(也叫长方形)砍创。
(4)砍击动作与现场空间相容。例如，砍击过程中，肢体和刀具运动轨迹与环境物品(例如室内器具，车内空间)分布相容，不冲突。
(5)现场特征相符。例如，血迹分布特征。
3.定量指标包括但不限于以下指标：
(1)伤口方位角度。
伤口方位角度就是砍创与身体纵轴形成的角度。砍击事件发生时，加害人和被害人之间的空间关系、刀具和砍击动作共同形成了砍击伤口方位角度。
在再现演示中，刀具与被砍击者身体形成的角度与实际被害人角度误差应当小于15％。
(2)伤口长度和伤口深度。
在再现演示中，伤口长度和伤口深度与实际被害人伤口长度和深度误差小于15％。
实施例9
本实施例为实施例2再现方法的验证案例，以对本发明进行更加细致地说明，但本实施例不构成对本发明技术方案的限制。
案件基本情况：
某被害人于某日在办公室被人砍击。
现场有被害人，长度为约70cm的砍刀，案发痕迹等。
刑事侦查人员根据现场证据进行推断认为，砍击者为175-185男性。同时，刑侦人员初步推测出伤害人与姚某在砍击时的体位关系。
通过采用本发明再现方法，计算出砍创纵向角度为48°，砍创长度7.6cm，深度1.8cm；而现场测量的角度为51°，砍创长度7.2cm，深度2.0cm。
本发明的再现结果支持刑侦人员推测的伤害人和砍击事件演化过程(砍击人和砍击动作，体位关系)，并且相对误差均在15％范围内，支持刑侦人员的人工推断结果。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种砍击伤害案件再现系统，由输入单元、仿真分析单元以及输出单元依次连接构成；其特征是，所述输入单元包括案件现场线索模块、人工推断模块；其中，所述案件现场线索模块用于供输入在砍击伤害案件现场勘验获得的现场线索，所述人工推断模块用于供输入刑侦专家根据现场线索推测出的砍击过程特征；
所述仿真分析单元包括砍刀数字化模块、砍击动作数字化模块、砍击人体多刚体系统动力学分析模块、人体被砍击部位有限元分析模块；其中，所述砍刀数字化模块用以根据其预设的砍刀数据库将输入单元发来现场线索中的砍刀数字化；所述砍击动作数字化模块用以根据其预设的砍击动作数据库将输入单元发来砍击过程特征中的砍击者砍击动作数字化；所述砍击人体多刚体系统动力学分析模块用以根据其预设的人体多刚体系统动力学模型库、结合砍击者砍击动作数字化结果进行多刚体动力学仿真，获得被砍击者砍击部位的第一砍创形态，所述第一砍创形态包括伤口位置和伤口方位角度；所述人体被砍击部位有限元分析模块用以根据其预设的人体有限元模型库和人体组织本构方程模型库、结合砍刀数字化结果和砍击者砍击动作数字化结果，经仿真分析得出被砍击者砍击部位的第二砍创形态，所述第二砍创形态包括伤口长度和伤口深度；
所述输出单元包括砍击事件可视化模块；所述砍击事件可视化模块用以将砍击过程、被砍击者砍击部位的砍创形态，分别以动画的方式进行再现演示；所述砍创形态由第一砍创形态和第二砍创形态构成；
所述砍击人体多刚体系统动力学分析模块中，预设人体多刚体系统动力学模型库的具体构建过程为：
采用人体运动仿真软件系统，以受试者为建模对象，建立具有19个环节和50个自由度的人体多刚体系统动力学模型；所述环节包括人体的头、颈、上躯干、中躯干、下躯干、肩胛骨、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足；
通过砍击人体多刚体系统动力学分析模块建立砍击者和被砍击者的人体多刚体系统动力学模型的具体过程为：
H1、根据砍击者或被砍击者的人体特征，在预设的人体多刚体系统动力学模型库中查找相同的人体多刚体系统动力学模型，若找到则将该模型作为砍击者或被砍击者的人体多刚体系统动力学模型；若未找到则转至H2；
H2、根据砍击者或被砍击者的人体特征，在预设的人体多刚体系统动力学模型库中查找相近的人体多刚体系统动力学模型，若找到则调整该模型的具体参数使之与砍击者或被砍击者的人体特征相同，并将该模型作为砍击者或被砍击者的人体多刚体系统动力学模型；若未找到则转至H3；
H3、根据砍击者或被砍击者的人体特征，以人体特征与之相近的受试者为建模对象建立人体多刚体系统动力学模型，调整该模型的具体参数使之与砍击者或被砍击者的人体特征相同，并将该模型作为砍击者或被砍击者的人体多刚体系统动力学模型；
所述人体被砍击部位有限元分析模块中，预设人体组织本构方程模型库的具体构建过程为：
根据文献数据，将人体组织的本构方程和/或力学参数输入人体组织本构方程模型库；所述本构方程为应力本构方程；所述力学参数包括密度、弹性模量或杨氏模量、泊松比、极限应力、极限应变；
预设人体有限元模型库的具体构建过程为：
W1、以受试者作为建模对象，对受试者的预设部位进行CT扫描，获得CT图像；所述预设部位为全身或局部部位；
W2、将CT图像导入Mimics软件中进行处理，获得初步几何模型；
W3、将初步几何模型导入Geomagic Studio软件中进行处理，获得平滑模型；
W4、将平滑模型导入Hypermesh软件中进行处理，并结合人体组织本构方程模型库中相应人体组织的模型数据，获得网格化模型；
W5、将网格化模型导入ABAQUS软件中进行装配处理，获得人体有限元模型；
通过人体被砍击部位有限元分析模块将人体有限元模型与砍刀数字化结果、砍击者砍击动作数字化结果结合的具体过程如下：
将人体有限元模型导入Hypermesh软件中，先对该模型中预设的刀具接触区域进行种子加密，再对该模型进行四面体网格划分，然后对该模型中的软组织模型和骨头模型做共节点设置，之后导出人体模型文件；将人体模型文件导入ABAQUS软件中，采用砍刀数字化结果，将刀具与人体模型进行装配；以装配所得模型为基础，结合砍击者砍击动作数字化结果进行有限元仿真分析，得出被砍击者的伤口长度和伤口深度；
W2中，在Mimics软件中进行的处理包括：通过调节阈值范围提取骨组织和软组织；使用区域增长对骨组织蒙罩、软组织蒙罩分别进行编辑；利用三维计算对骨组织蒙罩、软组织蒙罩分别进行重建；
W3中，在Geomagic Studio软件中进行的处理包括：将初步几何模型进行光顺处理，之后进行NUBRS处理；
W4中，在Hypermesh软件中进行的处理包括：将平滑模型中的基本线和边界线进行toggle操作处理；结合人体组织本构方程模型库中相应人体组织的模型数据，对平滑模型中各组织赋予材料属性。
2.根据权利要求1所述的砍击伤害案件再现系统，其特征是，所述砍刀数字化模块中预设的砍刀数据库包括不同刀具的参数数据和三维有限元模型，所述参数数据包括刀具的重量、惯性参数、三维几何尺寸、材料属性、刀头力学特征；
所述砍击动作数字化模块中预设的砍击动作数据库包括与不同砍击动作对应的人体环节三维运动学数据；所述人体环节三维运动学数据包括砍击者人体持刀侧上肢各关节的角位移和角速度、砍击者和被砍击者的人体各关节点三维坐标和砍击力的动态变化数据；
所述砍击人体多刚体系统动力学分析模块中预设的人体多刚体系统动力学模型库所含模型具有19个环节和50个自由度；所述环节包括人体的头、颈、上躯干、中躯干、下躯干、肩胛骨、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足；
所述人体被砍击部位有限元分析模块中预设的人体有限元模型库包括人体全身有限元模型、人体局部有限元模型；所述人体局部有限元模型对应的人体局部包括头部、颈部、胸部、腹部、髋部、臀部、肩部、上臂部、前臂部、大腿部、小腿部；
所述人体被砍击部位有限元分析模块中预设的人体组织本构方程模型库包括人体组织的本构方程和/或力学参数，所述人体组织包括骨组织、皮肤、脂肪、肌肉、结蹄组织、内脏组织。
3.根据权利要求1所述的砍击伤害案件再现系统，其特征是，所述案件现场线索模块供输入的现场线索还包括砍击者供述、被砍击者陈述、目击者证言、被砍击者的血液和血迹痕迹；
所述人工推断模块供输入的砍击过程特征还包括砍击者人体特征、被砍击者人体特征。
4.一种砍击伤害案件再现方法，其特征是，采用权利要求1或2或3所述的砍击伤害案件再现系统；所述再现方法包括以下步骤：
第一步、在输入单元中，向案件现场线索模块输入在砍击伤害案件现场勘验获得的现场线索，向人工推断模块输入刑侦专家根据现场线索推测出的砍击过程特征；
第二步、在仿真分析单元中，通过砍刀数字化模块，根据其预设的砍刀数据库，将输入单元发来现场线索中的砍刀数字化；
通过砍击动作数字化模块，根据其预设的砍击动作数据库将输入单元发来砍击过程特征中的砍击者砍击动作数字化；
通过砍击人体多刚体系统动力学分析模块，根据其预设的人体多刚体系统动力学模型库，按输入单元发来砍击过程特征中砍击者、被砍击者的人体特征建立砍击者、被砍击者的人体多刚体系统动力学模型；以这些模型为基础，结合砍击者砍击动作数字化结果进行多刚体动力学仿真，获得被砍击者砍击部位的第一砍创形态，所述第一砍创形态包括伤口位置和伤口方位角度；
通过人体被砍击部位有限元分析模块，根据其预设的人体有限元模型库和人体组织本构方程模型库，结合砍刀数字化结果和砍击者砍击动作数字化结果，经仿真分析得出被砍击者砍击部位的第二砍创形态，所述第二砍创形态包括伤口长度和伤口深度；
第三步、在输出单元中，通过砍击事件可视化模块，将砍击过程、被砍击者砍击部位的砍创形态，分别以动画的方式进行再现演示；所述砍创形态由第一砍创形态和第二砍创形态构成；
第四步、通过证据比对，判断该再现演示是否成功；若不成功则重新进行第二步的仿真分析和第三步的再现演示，或者，先转至第一步向人工推断模块输入刑侦专家根据现场线索重新推测出的砍击过程特征，再重新进行第二步的仿真分析和第三步的再现演示；若成功则本方法结束。
5.根据权利要求4所述的砍击伤害案件再现方法，其特征是，所述砍刀数字化模块中，预设砍刀数据库的构建过程为：
S1、针对各刀具，测量该刀具的重量、三维几何尺寸，所述三维几何尺寸包括长度、宽度、厚度、角度；
S2、利用理论力学方法，计算该刀具的惯性参数，所述惯性参数包括质心位置、转动惯量；
S3、确定该刀具的材料属性，进而确定该刀具刀头的力学特征，所述力学特征包括弹塑性指标、断裂参数；
S4、建立该刀具的三维有限元模型；
通过砍刀数字化模块将输入单元发来现场线索中的砍刀数字化的具体过程为：
F1、在预设的砍刀数据库中查找与该砍刀相同的刀具模型，若找到则导出该刀具模型备用，若未找到则转至F2；
F2、在预设的砍刀数据库中查找与该砍刀相似的刀具模型，若找到则调整刀具模型的具体参数使之与该砍刀相同，并导出该刀具模型备用，若未找到则转至F3；
F3、采用S1至S4，将该砍刀制成刀具模型加入砍刀数据库中，并导出该刀具模型备用。
6.根据权利要求4所述的砍击伤害案件再现方法，其特征是，所述砍击动作数字化模块中，预设砍击动作数据库的具体构建过程为：
T1、采用假人、两台高速摄像机、三维标定框架、红外运动捕捉录像系统、一组红外反射标志球、砍刀刀具、具有三维力传感器的测试刀具；所述高速摄像机的拍摄频率至少为250fps；
T2、以受试者作为建模对象，按照预设砍击动作进行测试；所述测试包括：一受试者模拟砍击另一受试者的运动学测试，受试者以砍刀刀具砍击假人的运动学测试，受试者以测试刀具砍击假人的运动学测试和动力学测试；测试前，将红外反射标志球固定于受试者、砍刀刀具或测试刀具上，以两台高速摄像机和三维标定框架对测试所处空间进行拍摄以标定三维坐标；测试时，以红外运动捕捉录像系统对受试者砍击动作进行运动捕捉，以两台高速摄像机对受试者进行全身拍摄，在含有测试刀具的测试中采集测试刀具的三维力数据；
T3、根据红外运动捕捉录像系统的捕捉数据、高速摄像机的拍摄数据、以及测试刀具的三维力数据，经过分析计算得出与预设砍击动作对应的人体环节三维运动学数据；所述人体环节三维运动学数据包括砍击者人体持刀侧上肢各关节的角位移和角速度、砍击者和被砍击者的人体各关节点三维坐标和砍击力的动态变化数据；
通过砍击动作数字化模块将输入单元发来砍击过程特征中的砍击者砍击动作数字化的具体过程为：
采用T1至T3，以该砍击动作为预设砍击动作，并获得与之对应的人体环节三维运动学数据；
所述砍击动作包括以刀具进行劈砍、刺、切割的动作。
7.根据权利要求4所述的砍击伤害案件再现方法，其特征是，第三步中，通过砍击事件可视化模块再现演示砍击过程的具体过程如下：
L1、根据输入单元发来的现场线索和砍击过程特征确定事件剧本；转至L2；
L2、根据仿真分析单元发来的砍击者砍击动作数字化结果，得出人体关键点运动轨迹；转至L3；
L3、将预设的数字化造型、以及人体关键点运动轨迹输入动作赋予及动画生成软件，获得再现演示砍击过程的动画；
通过砍击事件可视化模块再现演示被砍击者砍击部位的砍创形态的具体过程如下：
所述人体被砍击部位有限元分析模块经仿真分析获得被砍击者砍击部位与砍刀接触的全过程；根据仿真分析单元发来的被砍击者砍击部位的砍创形态、以及被砍击者砍击部位与砍刀接触的全过程，绘制生成再现演示被砍击者砍击部位的砍创形态的动画；
第三步还包括：通过砍击事件可视化模块，根据输入单元发来的现场线索和砍击过程特征生成案发现场环境的三维场景，并将砍击过程融合入该三维场景。
8.根据权利要求4所述的砍击伤害案件再现方法，其特征是，第四步中，用于比对的证据包括定性指标和定量指标，且均来源于第一步的现场线索；该再现演示中的细节包括与定性指标对应的定性细节，与定量指标对应的定量细节；
在证据比对时，如果该再现演示中，定性细节与相应的定性指标相符合，且定量细节与相应定量指标的误差小于或等于15％，则判定该再现演示再现成功，否则判定该再现演示再现不成功。
9.根据权利要求8所述的砍击伤害案件再现方法，其特征是，所述定性指标包括：案件参与人主要特征、刀具类型、动作属性、伤口定性指标、砍击动作与现场空间相容、现场特征；所述定量指标选自或包括：伤口方位角度、伤口长度、伤口深度。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2020-04-10 CN CN202010278731.8A patent/CN111523265B/zh active Active
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Also Published As
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|---|---|
| CN111523265A (zh) | 2020-08-11 |
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