陳蕊麗, 周吉亮， 魏育新， 劉偉平

(1. 中國人民公安大學(xué) 刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100038； 2. 公安部物證鑒定中心, 北京 100038)

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三維立體足跡采集與分析系統(tǒng)應(yīng)用

陳蕊麗1, 周吉亮1， 魏育新1， 劉偉平2

(1. 中國人民公安大學(xué) 刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100038； 2. 公安部物證鑒定中心, 北京 100038)

為探求光學(xué)無損采集及檢驗立體足跡的新方法，應(yīng)用三維足跡采集與分析重建技術(shù)實現(xiàn)立體足跡數(shù)據(jù)的模擬實體顯示，通過軟件實現(xiàn)立體足跡特征的測量、分析及比對。該方法可以擺脫傳統(tǒng)足跡檢驗方法，使立體鞋印的檢驗走向數(shù)字化、標(biāo)準化、自動化。三維立體足跡采集分析系統(tǒng)豐富和發(fā)展了足跡檢驗技術(shù)的理論與方法。

立體足跡； 足跡檢驗； 比對

0 引 言

立體足跡是犯罪現(xiàn)場較為常見的一類痕跡物證，其中蘊含著犯罪嫌疑人員的大量信息[1]。目前，對于立體足跡的提取主要是通過石膏灌注提取，對立體足跡的檢驗與分析基本上還處于專家經(jīng)驗認知階段，只有少數(shù)經(jīng)驗比較豐富的專家學(xué)者才能對立體足跡反映的特征進行較為準確的解讀與分析。傳統(tǒng)的足跡檢驗主要依據(jù)個人經(jīng)驗，手工測量數(shù)據(jù)、標(biāo)定特征、進行比對，檢驗結(jié)果誤差大、易受人為因素影響，檢驗方法的科學(xué)性有待進一步提高，檢驗手段需要改進和豐富[2]。雖然有相關(guān)單位研制和開發(fā)立體足跡自動比對系統(tǒng)，但具體到實踐中的應(yīng)用效果還有進一步提升的空間，并沒有完全解決立體足跡檢驗的標(biāo)準化、科學(xué)化應(yīng)用的難題。三維立體足跡采集與分析系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用光學(xué)掃描技術(shù)、三維重建技術(shù)、比對分析等技術(shù)，實現(xiàn)了對立體足跡的提取、分析、比對等檢驗的數(shù)據(jù)化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化，檢驗結(jié)果更加客觀，且操作簡便。更為重要的是無損檢驗。

1 三維立體足跡采集與分析系統(tǒng)

三維立體足跡采集與分析系統(tǒng)分為立體足跡采集儀和足跡分析比對軟件兩部分。三維立體足跡采集儀可以快速、精確、多信息的對現(xiàn)場立體足跡數(shù)據(jù)進行采集，能夠通過計算機控制，也能脫離計算機獨立工作。采集儀采用高像素面陣CCD結(jié)合LED投影光源投射結(jié)構(gòu)光進行三維測量與二維影像信息的同步采集[3]，不存在機械傳動等造成的系統(tǒng)誤差，能夠確保提取立體足跡誤差小于0.1 mm。在操作過程中，三維立體足跡能夠輕松應(yīng)對各種地面條件，包括滲透性客體、沙土、粉塵、積雪、積水、龜裂，不受地面條件限制。另外，非接觸式掃描方式獲取立體足跡形態(tài)特征信息時，對立體足跡本身沒有損害，實現(xiàn)了無損提取信息[2]。

三維立體足跡分析比對軟件提供了形象、多維、豐富的顯示方式，以二維影像結(jié)合三維重建技術(shù)實現(xiàn)了立體足跡的現(xiàn)場還原；實現(xiàn)多角度實景觀察，將細微變化以直觀、形象的方式表現(xiàn)[4]。軟件擁有多種圖像處理功能，能夠改善圖像質(zhì)量。通過軟件能夠可視化地標(biāo)定鞋印上的痕跡特征，多方式測量立體足跡，并將數(shù)據(jù)反映的信息形象地用于比對檢驗中。同時，軟件開發(fā)了重壓比對、斷面比對兩種立體足跡比對分析方法，為足跡檢驗提供了更加全面、廣泛的參考。具體操作為采集圖像、數(shù)據(jù)處理、圖形標(biāo)注、圖像處理、數(shù)據(jù)比對與分析。

2 三維立體足跡采集與分析系統(tǒng)在立體足跡檢驗中的應(yīng)用

主要從三維顯示、平面分析、三維立體足跡比對3方面對三維立體足跡采集與分析系統(tǒng)軟件進行應(yīng)用。三維顯示功能用來對立體足跡樣本數(shù)據(jù)進行多方式觀察，并完成對數(shù)據(jù)的基本處理。平面分析功能可以對檢材和樣本數(shù)據(jù)進行標(biāo)注、測量，以及平面上的圖像處理。軟件的三維立體足跡比對與分析功能提供了重壓比對、斷面比對兩種立體足跡比對分析方法。

2.1 三維顯示

2.1.1 顯示效果

該功能主要包括壓力顯示、繪等高線、切換材質(zhì)3部分，幫助檢驗人員直觀、多方式的觀察立體足跡。

壓力顯示是以灰度變化圖的形式顯示出足跡數(shù)據(jù)。受到壓力大的區(qū)域會深色顯示，壓力小的區(qū)域淺色顯示，如圖1，可以非常明顯的觀察到，顏色最深的地方顯示為橘紅色，分別位于前掌區(qū)的上方和后跟區(qū)的下方，這兩個位置是此枚穿鞋足跡的主要受重區(qū)域[5]。壓力顯示直觀的顯現(xiàn)了足跡的承壓情況，操作簡單、一目了然，省去了傳統(tǒng)的足跡檢驗中壓力檢測的繁瑣步驟。

繪等高線是通過閾值和高斯兩個參數(shù)的調(diào)整來改變圖像上顯示效果[6]，利用等高線標(biāo)畫出足跡的中央位置及變化狀態(tài)，如圖2，等高線的插入，方便檢驗人員觀察立體足跡的高度變化、研究圖像中的不同位置關(guān)系以及確定中心位置和重點區(qū)域。

(a) 原始數(shù)據(jù)圖圖1 壓力顯示效果圖

(b) 壓力顯示圖

圖2 繪等高線效果圖

切換材質(zhì)將足跡畫面顯示的材質(zhì)進行更換，有四個材質(zhì)參數(shù)可供選擇，分別為原始樣式、橡膠、金屬和泥地，如圖3，可以更加真實的還原現(xiàn)場足跡的形貌特征。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，不同材質(zhì)背景下立體足跡數(shù)據(jù)的顯現(xiàn)質(zhì)量有一定差異。足跡檢驗鑒定人員可以使用此功能對圖像顯示效果進行調(diào)整，以達到最佳的觀察效果。

原始樣式

橡膠

金屬

泥地

圖3 4種材質(zhì)效果圖

2.1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要是實現(xiàn)對檢材和樣本數(shù)據(jù)的特殊處理，包括“顯示增強”和“重壓檢測”兩個主要功能。

顯示增強是用框選的方式突出足跡的細節(jié)顯示，如圖4，通過應(yīng)用前后的效果對比可以發(fā)現(xiàn)，明顯提高了立體足跡鞋底花紋特征的顯示效果。在軟件的實際操作中，使用者可以對圖像進行任意框選，操作簡單，效果明顯，足跡檢驗人員更容易對足跡的細節(jié)特征進行比對分析，提高了足跡檢驗工作的效率。

重壓檢測是將足跡數(shù)據(jù)中的花紋過濾掉，直接顯示足跡的重壓圖像[7]，如圖5，直觀地顯示了立體足跡樣本的受壓情況，使立體足跡的觀察手段更加豐富。

2.2 平面分析

平面分析主要實現(xiàn)了對立體足跡檢材或樣本數(shù)據(jù)的平面標(biāo)注、繪制、測量。同時，可以通過圖像處理技術(shù)，對足跡圖像進行二值圖方式顯示[8]。

2.2.1 標(biāo)注、繪制、測量

標(biāo)注、繪制、測量功能可以直接選取需要繪制的標(biāo)注的類型，然后在需要的位置直接繪制。系統(tǒng)提供了多種標(biāo)注類型，包括線段、十字、圓形、橢圓、矩形、三角形、曲線、波折形、任意點、文字等。同時可以對所做標(biāo)注進行測量，測量內(nèi)容包括：兩直線角度、測量長度、測量周長、測量面積、長度和斜率、寬度和高度、振幅和頻率。在操作中，可以任意角度旋轉(zhuǎn)圖片的角度，也能夠添加比例尺。圖6是使用系統(tǒng)軟件標(biāo)注測量的足長、掌寬、弓寬、跟寬。

2.2.2 圖像處理

圖像處理主要通過動態(tài)繪制和整體均勻兩步驟完成對足跡圖像處理[9]。動態(tài)繪制功能是對足跡圖像進行二值圖方式顯示，如圖7。整體均勻功能是指對圖像進行噪點細化處理，使“動態(tài)繪制”后圖像質(zhì)量更加均勻，如圖8。通過動態(tài)繪制和整體均勻這兩步圖像處理操作，得到了由黑白顏色組成的二值圖像[10]。

圖6 標(biāo)注測量效果圖

圖8 整體均勻效果圖

圖像二值化作用是為了方便提取圖像中的信息，二值圖像在計算機識別時可以增加識別效率[11]。

2.3 比對分析

比對分析主要有“重壓比對”“斷面比對”兩種立體足跡比對分析方法，該方法操作簡單，可靠性高。

2.3.1 重壓比對分析

重壓比對分析是比較數(shù)據(jù)位置與基面(0 面)的相對位置變化關(guān)系[12]。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行平滑處理，得到數(shù)據(jù) z 坐標(biāo)值的變化趨勢，對變化趨勢進行比對，并通過軟件運算自動分析兩個足跡樣本的相似度。具體操作：① 打開兩個需要比對的樣本；② 手動將兩個足跡樣本圖片重疊放置；③ 點擊工具欄中的“重壓比對”按鈕；④ 點擊“確定”按鈕，系統(tǒng)將所選區(qū)域生成高差圖，并得出相似程度。操作過程流程如圖9所示。

圖9 重壓比對流程圖

足重壓面與人體的身高、體態(tài)、性別、年齡以及運動姿態(tài)密切相關(guān)，其形狀、位置、方向等特征反映人體的個體差異，是描述足跡差異的穩(wěn)定和基本的識別特征[2]。系統(tǒng)利用足跡檢驗技術(shù)中這一理論基礎(chǔ)，開發(fā)了立體足跡重壓面的比對分析，分析不同足跡樣本數(shù)據(jù)重壓面的相似程度。圖9中高差圖是通過比對兩枚同一人的穿鞋足跡得出的，系統(tǒng)計算出的相似程度為96.37%，比對結(jié)果較為可靠，可以為足跡檢驗的同一認定提供參考。

2.3.2 斷面比對分析

斷面比對分析是對兩個待比對的樣本圖截取斷面，系統(tǒng)自動對這一斷面進行比對，并繪制出“紅、綠、藍”斷面圖，得出斷面相似程度。具體操作為：① 打開兩個需要比對的足跡樣本；② 把兩個足跡重疊放置，通過鼠標(biāo)劃取要進行對比的線段；③ 點擊工具欄上的“斷面比對”按鈕，系統(tǒng)將彈出斷面圖，斷面圖分別以不同倍數(shù)的比例顯示出兩個斷面的對比情況。斷面圖中紅色曲線代表先加載的數(shù)據(jù)；綠色曲線代表后加載的數(shù)據(jù)；藍色曲線代表二者的差值。操作過程流程如圖10所示。

圖10 斷面比對流程圖

3 三維立體足跡采集與分析系統(tǒng)在立體足跡檢驗中的技術(shù)優(yōu)勢

通過對三維立體足跡采集與分析系統(tǒng)的功能和使用的研究，與主要依靠檢驗人員經(jīng)驗，手工對立體足跡石膏模型進行描、測、比較的傳統(tǒng)方法相比較，具有以下優(yōu)勢：

(1) 提取方法先進。三維立體足跡采集不僅可以無損采集被測物體三維信息，還可同時拍攝二維彩色照片，在提取三維信息時，不需要考慮配光角度，不需要提前放置比例尺，就可以完成三維、等大的信息提取。同時，結(jié)合3D打印技術(shù)，可以對案件實現(xiàn)實時異地串并，并且無損化提取在物證檢驗鑒定領(lǐng)域占有重要地位[14]。

(2) 觀察手段多樣。傳統(tǒng)方法在立體鞋印檢驗時，直接觀察實物，對一些帶深度的特征、微小特征不易觀察。三維立體足跡采集與分析系統(tǒng)借助實物三維模型可視化技術(shù)，檢驗人員可以選擇單視窗或雙視窗，多視角、任意縮放比例地觀察多種表面紋理等不同形式圖像。

(3) 測量手段更加多樣?？勺詣訙y量三維模型上任意兩點長度、深度、某一區(qū)域半徑等數(shù)據(jù)；也可以對平面圖像進行線段、十字、圓形、橢圓、矩形、三角形、曲線、波折形、任意點、文字標(biāo)注，并可測量兩直線的角度、長度、周長、面積以及斜率、高度等信息。

④ 比對方法更加客觀、科學(xué)、穩(wěn)定。系統(tǒng)借助三維模型可以完成包括深度在內(nèi)的各種復(fù)雜幾何測量。借助多種測量、比較工具可以更加客觀地標(biāo)識磨損特征、鞋底花紋特征，減少人為影響。

4 結(jié) 語

在打擊刑事犯罪的新形勢下，足跡鑒定技術(shù)將會發(fā)生越來越重要的作用。隨著科技的進步，把高新技術(shù)成果應(yīng)用到刑事技術(shù)領(lǐng)域是刻不容緩的工作，也是全體刑事技術(shù)人員的夢想。隨著三維立體足跡采集于分析系統(tǒng)的研發(fā)，這一快捷、準確、方便的足跡采集分析技術(shù)設(shè)備實現(xiàn)了計算機輔助識別立體鞋印形態(tài)特征；完成了鞋印特征的計算機輔助提??；為立體鞋印的比對檢驗提供了更為客觀、科學(xué)的方法；提高了物證提取效率、質(zhì)量；提高了立體鞋印檢驗的科學(xué)性；更好地為破案提供線索、為訴訟提供證據(jù)，為打擊犯罪提供了有力的技術(shù)支撐。因此，有必要對這一系統(tǒng)進行更加細致研究，熟悉系統(tǒng)性能，提高工作效率，推廣到全國的公安工作當(dāng)中，進而及時、高效、準確的為公安工作提供技術(shù)支持，促進社會和諧穩(wěn)定。

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3-dimensional Footprint Acquisition and Analysis System

CHENRui-li1,ZHOUJi-liang1,WEIYu-xin1,LIUWei-ping2

(1. School of Forensic Science, People's Public Security University of China, Beijing 100038, China；2. Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China)

In order to present a new method to explore acquisition and testing of optical non-destructive three-dimensional footprint. The paper uses 3-dimensional reconstruction techniques to achieve stereoscopic display data of footprint, measures the three-dimensional footprint software features, and completes the data analysis and comparison. The 3-dimensional footprint acquisition and analysis system can get rid of the traditional testing methods, and makes the shoeprint inspection to realize digitization, standardization, automation with 3-dimensional structure. The 3-dimensional footprint acquisition and analysis system enriches and develops the theory and technology footprint test method, the future direction of development test site footprint.

stereoscopic footprint; shoeprint inspection; comparison

2015-12-17

公安部科技強警基礎(chǔ)工作專項(2015GABJC19)

陳蕊麗(1968-),女，吉林長春人，副教授,碩士生導(dǎo)師,長期從事刑事科學(xué)技術(shù)方向的教學(xué)與科研工作。

Tel.:13301131560; E-mail:568806842@qq.com

D 918.91

A

1006-7167(2016)08-0131-04