李碩，韓文強(qiáng)，李康，2，楊俊，羅亞平

（1.中國(guó)人民公安大學(xué)偵查學(xué)院，北京 100038； 2.浙江警察學(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)系，浙江杭州 310053）

指紋是傳統(tǒng)的痕跡物證之一，是實(shí)現(xiàn)人身識(shí)別的一項(xiàng)重要手段，在偵查破案及司法審判中發(fā)揮著重要的作用，曾被譽(yù)為“證據(jù)之首”。 然而自20 世紀(jì)90 年代以來，隨著多伯特（Daubert）證據(jù)規(guī)則的提出，以及部分國(guó)家指紋鑒定錯(cuò)案的發(fā)生，指紋證據(jù)的科學(xué)性開始受到質(zhì)疑，影響了其使用效力[1]。

人類指紋各不相同的特定性是指紋鑒定人員進(jìn)行指紋檢驗(yàn)鑒定的基礎(chǔ)，但指紋的特定性僅是針對(duì)整枚指紋而言，對(duì)于指紋的局部區(qū)域，卻仍有可能存在兩枚指紋極度相似的情況，將其稱之為相似異源指紋。 尤其是對(duì)于犯罪現(xiàn)場(chǎng)遺留的指紋，質(zhì)量通常較差且不完整，往往只能反映出指紋的局部區(qū)域或少數(shù)的特征組合，導(dǎo)致在應(yīng)用指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（automatic fingerprint identification system，AFIS）進(jìn)行指紋查詢比對(duì)時(shí)，候選隊(duì)列中更易出現(xiàn)較為相似的相似異源指紋。 如果指紋鑒定人員對(duì)其沒有正確的認(rèn)識(shí)，不僅會(huì)加大指紋鑒定工作的難度，甚至還會(huì)增加錯(cuò)誤鑒定的風(fēng)險(xiǎn)。 其中，最著名的案例之一就是發(fā)生于2004 年的馬德里爆炸案，當(dāng)時(shí)美國(guó)聯(lián)邦調(diào)查局（Federal Bureau of Investigation，F(xiàn)BI）錯(cuò)誤地將犯罪現(xiàn)場(chǎng)提取的指紋認(rèn)定為AFIS 候選隊(duì)列中與其極其相似的美國(guó)人布蘭德·梅菲爾德（Brandon Mayfield）的指紋，在FBI 錯(cuò)誤認(rèn)定兩個(gè)月后才由西班牙警方推翻這一結(jié)論。 在此期間，不僅造成了大量的偵查資源浪費(fèi)，還使指紋鑒定的科學(xué)基礎(chǔ)及其可靠性等問題受到了質(zhì)疑。 后來，美國(guó)司法部檢察長(zhǎng)辦公室（Office of the Inspector General，OIG）在給出的案件報(bào)告中強(qiáng)調(diào)，導(dǎo)致當(dāng)時(shí)FBI 出錯(cuò)的一個(gè)核心原因就是兩枚指紋具有高度的相似性——兩枚來源不同的指紋在局部區(qū)域存在10 個(gè)二級(jí)特征在位置、方向以及間隔紋線數(shù)等方面一致，這是一件極其罕見的事情[2]。

在AFIS 大規(guī)模使用之前，指紋鑒定人員進(jìn)行指紋檢驗(yàn)的樣本大多來源于偵查線索，數(shù)量規(guī)模往往較小，最多僅有幾百或幾千枚候選指紋可供比對(duì)，檢驗(yàn)過程中出現(xiàn)相似異源指紋的可能性較低。但是，隨著AFIS 的廣泛應(yīng)用，指紋檢驗(yàn)?zāi)Ｊ桨l(fā)生了根本性的變革。 隨著信息化手段的不斷豐富，目前犯罪現(xiàn)場(chǎng)遺留的指紋更多應(yīng)用于大規(guī)模數(shù)據(jù)庫查詢比對(duì)，結(jié)合AFIS 檢視嫌疑人線索。 也就是說，現(xiàn)在一枚現(xiàn)場(chǎng)指紋通常需要與存儲(chǔ)在大規(guī)模數(shù)據(jù)庫中的數(shù)億甚至數(shù)十億的指紋圖像進(jìn)行比對(duì)，在這種情況下，指紋檢驗(yàn)鑒定工作中發(fā)現(xiàn)相似異源指紋的可能性將遠(yuǎn)高于AFIS 大規(guī)模應(yīng)用之前[3]，相似異源指紋帶來的檢驗(yàn)鑒定風(fēng)險(xiǎn)將不斷被放大。

相似異源指紋問題是指紋檢驗(yàn)的邊界問題，能否對(duì)其進(jìn)行正確的認(rèn)識(shí)，是準(zhǔn)確區(qū)分同異源指紋和作出正確鑒定意見的關(guān)鍵。 一直以來，眾多專家學(xué)者都對(duì)相似異源指紋問題進(jìn)行了探討。 2001 年，羅亞平[4]發(fā)現(xiàn)指紋三角、外圍區(qū)域的細(xì)節(jié)特征分布相似情況較為常見，這需要指紋檢驗(yàn)人員在相似的指紋特征中找出本質(zhì)的差異。 2004 年，國(guó)際刑警組織歐洲指紋識(shí)別專家組明確指出了相似異源指紋帶來的風(fēng)險(xiǎn)[5]。 2011 年，李彥雷等[6]討論了兩枚紋型、紋線流向一致，在中心區(qū)域存在8 個(gè)特征完全相符的高度相似異源指紋的鑒定問題。 LANGENBURG等[7]在2012 年進(jìn)行了一項(xiàng)包含5 對(duì)相似異源指紋的鑒定能力測(cè)試，在指紋鑒定人員進(jìn)行的788 次相似異源指紋鑒定中，共出現(xiàn)23 次錯(cuò)誤鑒定（占比2.9%）。LIU 等[8]在2015 年進(jìn)行了5 對(duì)“疑難”指紋的鑒定測(cè)試，27 名指紋鑒定人員中有3 人（占比11.1%）錯(cuò)誤地認(rèn)定了一對(duì)相似異源指紋。 2020 年，由艾樂[9]進(jìn)行的一項(xiàng)指紋鑒定能力測(cè)試中，127 名指紋鑒定人員對(duì)5 對(duì)相似異源指紋鑒定正確率為80%，其中的一對(duì)相似異源指紋正確率僅為45%。2021 年，KOEHLER 等[10]進(jìn)一步對(duì)相似異源指紋的錯(cuò)誤識(shí)別率進(jìn)行探究，研究發(fā)現(xiàn)，125 家指紋鑒定機(jī)構(gòu)對(duì)兩對(duì)相似異源指紋進(jìn)行鑒定的假陽性率分別為15.9%和28.1%。 2021 年，LI 等[11]對(duì)大容量數(shù)據(jù)庫中指紋質(zhì)量對(duì)相似異源指紋出現(xiàn)情況的影響進(jìn)行了探討。但是截至目前， 幾乎沒有相關(guān)研究表明AFIS 多久會(huì)提供一次會(huì)誤導(dǎo)指紋鑒定人員的相似異源指紋，當(dāng)上述問題還未被系統(tǒng)研究時(shí)，更無法提出相似異源指紋檢驗(yàn)鑒定風(fēng)險(xiǎn)的解決對(duì)策[12]。

因此，本研究選取指紋中最具代表性的斗型紋中心區(qū)域，對(duì)其在千萬人級(jí)指紋數(shù)據(jù)庫中的相似異源指紋出現(xiàn)情況開展研究，旨在探究相似異源指紋的出現(xiàn)頻率、相似程度及排位關(guān)系等問題，闡明大規(guī)模指紋數(shù)據(jù)庫中相似異源指紋帶來的檢驗(yàn)鑒定風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)指紋鑒定理論進(jìn)行有效補(bǔ)充，進(jìn)一步提高指紋鑒定人員對(duì)于相似異源指紋的認(rèn)識(shí)，規(guī)避錯(cuò)誤鑒定的發(fā)生。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究以斗型紋中心區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，在千萬人級(jí)數(shù)據(jù)庫中發(fā)送指紋查詢，在候選對(duì)列中檢視相似異源指紋與查找同源指紋。 斗型紋中心區(qū)域花紋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、紋線流向多變，屬于所有指紋區(qū)域中特征組合最復(fù)雜的區(qū)域之一。因此，以斗型紋中心區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象開展研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較強(qiáng)的代表性。

在實(shí)驗(yàn)開始前，研究人員采集了50 名在校大學(xué)生的十指指印卡，從中搜集了257 枚斗型紋樣本。為保證實(shí)驗(yàn)樣本的均勻分布，根據(jù)斗型紋的細(xì)分標(biāo)準(zhǔn)，又從257 枚斗型紋樣本中分別選取了清晰無變形的短斗、中斗與長(zhǎng)斗各20 枚，共計(jì)60 枚斗型紋作為實(shí)驗(yàn)樣本來開展實(shí)驗(yàn)研究。 其中，短斗、中斗與長(zhǎng)斗的具體分類標(biāo)準(zhǔn)[13]如下：短斗，上下中心的垂直距離小于2.5 mm；中斗，上下中心的垂直距離大于等于2.5 mm，小于等于5 mm；長(zhǎng)斗，上下中心的垂直距離大于5 mm，如圖1 所示。 隨后，研究人員將60 枚斗型紋掃描成尺寸為640×640 的500 dpi 的標(biāo)準(zhǔn)格式圖像，并將其作為實(shí)驗(yàn)樣本，用于下一階段在AFIS 中進(jìn)行指紋查詢。 本實(shí)驗(yàn)選用的指紋系統(tǒng)為北大高科PU-AFIS 4.0 指紋系統(tǒng)，指紋比對(duì)算法采用了系統(tǒng)中北大1+北大2 的融合算法。實(shí)驗(yàn)開始前，在系統(tǒng)中已建立好數(shù)據(jù)庫規(guī)模為一千萬人的指紋數(shù)據(jù)庫，用于開展實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 短斗、中斗與長(zhǎng)斗的分類方法

1.2 方法

研究人員將每枚指紋樣本圖像同時(shí)錄入樣本指紋庫與現(xiàn)場(chǎng)指紋庫，對(duì)錄入樣本庫的指紋樣本應(yīng)用系統(tǒng)自帶的特征提取算法進(jìn)行細(xì)節(jié)特征自動(dòng)提取并保存，對(duì)錄入現(xiàn)場(chǎng)庫的樣本指紋進(jìn)行人工標(biāo)注。 實(shí)驗(yàn)人員最開始標(biāo)注斗型紋的上下中心，并勾選斗型紋的紋型，隨后標(biāo)記斗型紋中心區(qū)域最中心的20 個(gè)細(xì)節(jié)特征點(diǎn)，并在系統(tǒng)中發(fā)送指紋查詢，瀏覽排名前100位的候選指紋隊(duì)列，檢視相似異源指紋與查找同源指紋。 隨后將標(biāo)注特征數(shù)量依次遞減，特征刪減規(guī)則按距指紋中心位置由外向內(nèi)，每刪減一個(gè)特征發(fā)送一次查詢，直至最終剩余6 個(gè)特征點(diǎn)。 最終，每枚樣本指紋共計(jì)查詢15 種不同特征數(shù)量的特征組合，在1500 枚候選隊(duì)列指紋中檢視相似異源指紋與查找同源指紋，60 枚斗型紋共檢視與查找了90 000 枚指紋候選隊(duì)列。 本研究所用指紋查詢界面如圖2 所示。

圖2 指紋查詢界面

1.3 相似異源指紋標(biāo)準(zhǔn)

相似異源指紋標(biāo)準(zhǔn)是相似異源指紋研究的前提與基礎(chǔ)，但截至目前，指紋研究領(lǐng)域還暫無專門針對(duì)相似異源指紋的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 因此，本研究參考目前《法庭科學(xué)指紋特征分類規(guī)范》（GA/T 1533—2018）對(duì)相似異源指紋的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了明確定義，按不同的指紋相似程度，將相似異源指紋具體劃分為高度相似、中度相似以及低度相似三種相似標(biāo)準(zhǔn)。其中，高度相似異源指紋標(biāo)準(zhǔn)確立為：局部區(qū)域紋線流向一致，存在8 個(gè)及以上二級(jí)特征位置、方向、間隔紋線數(shù)完全相同，不存在顯著差異。中度相似異源指紋相較于高度相似異源指紋，適當(dāng)放寬限制，具體標(biāo)準(zhǔn)確立為：局部區(qū)域紋線流向一致，存在7 個(gè)二級(jí)特征位置、方向、間隔紋線數(shù)完全相同，不存在顯著差異，或存在8 個(gè)及以上二級(jí)特征位置、方向、間隔紋線數(shù)大致相同，其中允許存在一處差異。低度相似異源指紋相較于中度相似異源指紋，再次適當(dāng)放寬限制，具體標(biāo)準(zhǔn)確立為：局部區(qū)域紋線流向一致，存在6 個(gè)二級(jí)特征位置、方向、間隔紋線數(shù)完全相同，不存在顯著差異，或存在7 個(gè)二級(jí)特征位置、方向、間隔紋線數(shù)大致相同，其中允許存在一處差異，或存在8 個(gè)及以上二級(jí)特征位置、方向、間隔紋線數(shù)大致相同，其中允許存在兩處差異。 具體的相似異源指紋標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

表1 相似異源指紋標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果

2.1 相似異源指紋出現(xiàn)情況

實(shí)驗(yàn)共對(duì)900次指紋查詢的90 000枚候選隊(duì)列指紋進(jìn)行了相似異源指紋檢視。 最終，共找到474枚符合標(biāo)準(zhǔn)的相似異源指紋，其中高度相似異源指紋52 枚，中度相似異源指紋122 枚，低度相似異源指紋300 枚。 部分不同相似程度的相似異源指紋示例如圖3 所示。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，所有的60 枚樣本指紋均能在指紋候選隊(duì)列中找到與其對(duì)應(yīng)的相似異源指紋。 在900 次指紋查詢中，相似異源指紋的出現(xiàn)率約為52.7%，其中高度相似異源指紋出現(xiàn)率約為5.8%，中度相似異源指紋出現(xiàn)率約為13.6%，低度相似異源指紋出現(xiàn)率約為33.3%。

圖3 部分相似異源指紋示例

此外，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同類型斗型紋的相似異源指紋出現(xiàn)數(shù)量顯著不同，短斗樣本的相似異源指紋的出現(xiàn)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中斗和長(zhǎng)斗，不同類型斗型紋的相似異源指紋數(shù)量如圖4 所示。

圖4 不同類型斗型紋的相似異源指紋數(shù)量結(jié)果

2.2 同源指紋出現(xiàn)情況

同源指紋是指與指紋查詢樣本來源于同一個(gè)手指的樣本指紋，AFIS 應(yīng)用的核心目的就是在大規(guī)模樣本數(shù)據(jù)庫中檢索到嫌疑人現(xiàn)場(chǎng)遺留指紋的同源指紋樣本。 對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)送的900 次指紋查詢，在系統(tǒng)給出的前100 位候選隊(duì)列中共查找到同源指紋503 次，同源指紋出現(xiàn)率約為55.9%。 當(dāng)對(duì)同一枚指紋樣本標(biāo)注不同數(shù)量的特征時(shí)，同源指紋的排位情況也不盡相同，同源指紋的具體出現(xiàn)率如圖5 所示。 當(dāng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)指紋標(biāo)注20 個(gè)特征進(jìn)行指紋查詢時(shí)，其同源指紋在前100 位候選隊(duì)列中的出現(xiàn)率高達(dá)96.7%，隨著標(biāo)注特征數(shù)量逐漸減少，同源指紋在候選隊(duì)列中的出現(xiàn)率也逐漸降低。 當(dāng)標(biāo)注特征數(shù)量減少到11 個(gè)時(shí)，同源指紋出現(xiàn)率已不足50%，僅為38.3%；當(dāng)標(biāo)注特征數(shù)量減少到6 個(gè)時(shí)，同源指紋出現(xiàn)率僅為8.3%。

圖5 不同標(biāo)注特征數(shù)量的同源指紋出現(xiàn)率

通過進(jìn)一步對(duì)同源指紋排位的具體情況進(jìn)行分析，將同源指紋的排位大致分為以下5 種情況：（1）排名第1 位；（2）排名第2～10 位；（3）排名第11～50 位；（4）排名第51～100 位；（5）未出現(xiàn)在前100 位候選隊(duì)列中。 不同標(biāo)注特征數(shù)量的同源指紋具體排名情況如圖6 所示。 由此可見，隨著特征標(biāo)注數(shù)量的減少，同源指紋不僅在候選隊(duì)列中的出現(xiàn)率逐漸降低，并且出現(xiàn)的同源指紋的排前率也逐漸下降。當(dāng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)指紋標(biāo)注20 個(gè)特征進(jìn)行指紋查詢時(shí)，其同源指紋在前10 位的排前率為94.8%；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)指紋標(biāo)注特征數(shù)量減少到12 個(gè)時(shí)，同源指紋在前10 位的排前率為74.2%；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)指紋標(biāo)注特征數(shù)量減少到8 個(gè)時(shí)，同源指紋在前10 位的排前率為66.7%。

圖6 不同標(biāo)注特征數(shù)量的同源指紋具體排名情況

2.3 同異源指紋排位關(guān)系

實(shí)際工作中，當(dāng)大量的相似異源指紋在指紋候選隊(duì)列中的排位在同源指紋之前時(shí)，無疑會(huì)大大提高指紋檢驗(yàn)鑒定的風(fēng)險(xiǎn)。 因此，本研究對(duì)同源指紋與相似異源指紋排位的先后關(guān)系進(jìn)行了深入探究。實(shí)驗(yàn)將60 枚指紋查詢樣本同時(shí)錄入了指紋系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)庫與樣本庫中，在發(fā)起指紋查詢的同時(shí)可以同時(shí)得到同源指紋與相似異源指紋的排位情況。 當(dāng)在指紋查詢前100 位候選隊(duì)列中檢視到相似異源指紋時(shí)，大致會(huì)出現(xiàn)以下幾種排位情況：（1）同源指紋與相似異源指紋同時(shí)出現(xiàn)，同源指紋排位在相似異源指紋之前；（2）同源指紋與相似異源指紋同時(shí)出現(xiàn)，相似異源指紋排位在同源指紋之前；（3）同源指紋沒有出現(xiàn)，僅出現(xiàn)相似異源指紋。 當(dāng)進(jìn)行指紋查詢時(shí)，由于上述的第一種情況指紋鑒定人員先檢視到的是同源指紋，相似異源指紋帶來的干擾較??；當(dāng)出現(xiàn)上述后兩種情況時(shí)，指紋鑒定人員在候選隊(duì)列中首先檢視到的是相似異源指紋，如果對(duì)其沒有正確的認(rèn)識(shí)，會(huì)帶來較大的檢驗(yàn)鑒定風(fēng)險(xiǎn)。

本研究對(duì)實(shí)驗(yàn)中查詢到的474 枚相似異源指紋與其同源指紋排位情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，符合上述第一種情況，同源指紋排位在相似異源指紋之前的有367 枚；符合上述后兩種情況的指紋共計(jì)107 枚，其中相似異源指紋排位在同源指紋之前的有85枚，候選隊(duì)列中僅出現(xiàn)相似異源指紋的有22 枚，具體的占比統(tǒng)計(jì)分析如圖7 所示。

圖7 同源指紋與相似異源指紋排位關(guān)系統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

隨著AFIS 數(shù)據(jù)庫規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在指紋檢驗(yàn)鑒定工作中必然會(huì)遇到越來越多的相似異源指紋。正確認(rèn)識(shí)相似異源指紋在大規(guī)模指紋數(shù)據(jù)庫中的相似程度、出現(xiàn)頻率及其與同源指紋之間的排位關(guān)系，對(duì)指紋鑒定人員規(guī)避錯(cuò)誤鑒定的發(fā)生有著重要的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相似異源指紋在當(dāng)前指紋數(shù)據(jù)庫中具有較高的出現(xiàn)率，且存在部分排位遠(yuǎn)高于同源指紋排位的情況。 實(shí)驗(yàn)過程中共檢視到474 枚相似異源指紋，查找到503 次同源指紋。所有的60 枚指紋查詢樣本在系統(tǒng)候選隊(duì)列中均找到了不同相似程度的相似異源指紋。平均每次查詢時(shí)，相似異源指紋的出現(xiàn)率約為52.7%，同源指紋的平均出現(xiàn)率為55.9%。 隨著指紋特征標(biāo)注數(shù)量逐漸減少，同源指紋的出現(xiàn)率與排前率不斷下降，且存在22.6%的相似異源指紋在候選隊(duì)列中的排位在同源指紋之前或隊(duì)列中沒有出現(xiàn)同源指紋，這將會(huì)給指紋檢驗(yàn)鑒定工作帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。

本研究以相似異源指紋為研究對(duì)象，結(jié)合當(dāng)前的大數(shù)據(jù)時(shí)代背景，闡明了大規(guī)模指紋數(shù)據(jù)庫帶來的相似異源指紋檢驗(yàn)鑒定風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)指紋鑒定理論進(jìn)行了有效補(bǔ)充，有助于進(jìn)一步提高指紋鑒定人員對(duì)于相似異源指紋的認(rèn)識(shí)，從而規(guī)避鑒定錯(cuò)案的發(fā)生。此外，限于相似異源指紋研究的較高復(fù)雜性與巨大工作量，本研究?jī)H選取了個(gè)別具有代表性的指紋區(qū)域開展研究，存在一定的局限性。 在未來，相似異源指紋研究還有待擴(kuò)展至更多的指紋區(qū)域，并結(jié)合案件現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)一步對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)庫中的相似異源指紋檢驗(yàn)鑒定風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行探討。