探析高分辨率指紋特定條件下三級(jí)特征的穩(wěn)定性

郭少波，王 芫，王 炎，付雪峰

（1.中國人民公安大學(xué)，北京 100038；2.中國人民公安大學(xué) 刑事科學(xué)技術(shù)系，北京 100038）

目前，我國指紋比對(duì)主要依賴于二級(jí)特征的數(shù)量和質(zhì)量，而指紋等傳統(tǒng)物證遭受了各種非議，甚至被指認(rèn)不能作為證據(jù)使用。另外，在實(shí)踐中提取的現(xiàn)場指紋往往是局部的、殘缺的、變形的，從而達(dá)不到同一認(rèn)定的目的，這樣看來無論從理論上還是實(shí)踐上都急需用新的理論、技術(shù)來充實(shí)、修補(bǔ)、甚至改變指紋理論。而在比對(duì)過程中，這些三級(jí)特征的利用往往會(huì)使指紋的成功匹配變得相對(duì)容易[1]。三級(jí)特征，特別是對(duì)低質(zhì)量指紋、殘缺指紋等二級(jí)特征數(shù)量少的指紋而言，指紋識(shí)別具有重要作用。本文試圖從汗孔、紋線邊緣、細(xì)點(diǎn)線、疤痕等三級(jí)特征入手，探索其在不同變量條件下的穩(wěn)定性，以期能對(duì)上述指紋困境有所改變。

現(xiàn)在公安系統(tǒng)主要借助油墨捺印的方法來獲取指紋樣本以進(jìn)行特征比對(duì)。而高分辨率（1000ppi）指紋圖像中的三級(jí)特征具有高區(qū)分度、高特征密度，可以有效地提高查準(zhǔn)率，是指紋識(shí)別技術(shù)的研究前沿，所以本次試驗(yàn)研究，通過利用高分辨率掃描儀掃描不同壓力下油墨捺印指紋，盡量減少細(xì)節(jié)特征的損失，達(dá)到清晰顯出指紋三級(jí)特征的目的，研究三級(jí)特征顯現(xiàn)的穩(wěn)定性，確定其鑒定價(jià)值，更好地為偵查破案服務(wù)。

1 指紋三級(jí)特征概述

1.1 指紋特征的分類

1912年，洛卡德[2]研究汗孔在指紋鑒定中的作用，他的研究表明20～40個(gè)汗孔足以確定人的身份。從那以后，指紋的鑒定特征通常分為三級(jí)。而現(xiàn)代指紋理論中的指紋特征基本遵循D.R.Ashbaugh提出的三級(jí)分類法：一級(jí)特征有：紋線流向流（見圖1）、中心花紋和三角區(qū)（見圖2）、紋線類型分類（弓形紋、箕型紋、斗型紋和混雜型紋）（見圖3）。二級(jí)特征有：乳突紋線局部的細(xì)小結(jié)構(gòu)，紋線路徑（連續(xù)或打開脊、特征點(diǎn)/脊線關(guān)系、脊線曲率、特征關(guān)系圖4）、斷點(diǎn)區(qū)域或山脊（見圖5）、大的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)（形狀和大?。?；三級(jí)特征有：汗孔、脊線邊緣形態(tài)、細(xì)點(diǎn)線、皺紋、疣、傷疤等（見圖6），需要放大更高的倍數(shù)才能被觀察到。

圖1 紋線流向流

圖2 中心花紋和三角區(qū)

圖3 紋線類型分類

圖4 紋線路徑分類

圖5 斷點(diǎn)區(qū)域或山脊

圖6 三級(jí)特征

1.2 指紋三級(jí)特征研究成果概述

1.2.1 國內(nèi)研究概述

姜友云[3]重點(diǎn)研究了細(xì)點(diǎn)線的位置及出現(xiàn)率，得出其具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可作為鑒定的依據(jù)。劉微等[4]對(duì)汗孔細(xì)節(jié)特征的形成機(jī)理進(jìn)行了初步研究，并驗(yàn)證了使用暗視場顯現(xiàn)光滑平面玻璃上指印汗孔細(xì)節(jié)特征的現(xiàn)實(shí)可行性。但是，要將汗孔細(xì)節(jié)特征應(yīng)用到實(shí)際的鑒定中，還需要做大量工作。中科院自動(dòng)化所的羅希平等[5]利用了脊線上的四個(gè)采樣點(diǎn)來表示細(xì)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脊線特征，提高了匹配的可靠性。清華大學(xué)周杰等人在匹配階段融合了方向場匹配和細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配結(jié)果，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)低質(zhì)量圖像匹配的可能性，但是針對(duì)高分辨率指紋圖像及其三級(jí)特征自動(dòng)識(shí)別的研究還未見系統(tǒng)的報(bào)道。

1.2.2 域外研究概述

Patrice Morier[6]于2004年提出假設(shè)并證實(shí)：三級(jí)特征的使用可能增加高分辨率圖像所允許的水平下的三級(jí)特征的提取，特別是在對(duì)案件片段指紋的識(shí)別比對(duì)中。隸屬于美國國家標(biāo)準(zhǔn)化組織（ANSI）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的指紋分析、研究與技術(shù)科學(xué)工作組（SWGFAST）于2005年明確提出：指紋圖像分辨率最少要達(dá)到 1000ppi，聯(lián)邦調(diào)查局（FBI）AFIS標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)該加入三級(jí)指紋特征，并于2007年發(fā)布了“用于指紋、面部和其它生物統(tǒng)計(jì)學(xué)信息交換的數(shù)據(jù)格式”標(biāo)準(zhǔn)，制定了各級(jí)特征的標(biāo)準(zhǔn)[7]。目前，美國的部分AFIS指紋庫已經(jīng)處于500ppi和1000ppi共存的狀態(tài)，并逐漸向1000ppi過渡。近幾年密歇根州立大學(xué)的 A.K.Jain[8]致力于研究指紋三級(jí)特征，他構(gòu)建了利用1000ppi分辨率指紋圖像中一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)特征的AFIS系統(tǒng)，進(jìn)行分級(jí)識(shí)別，低質(zhì)量和小面積指紋在融合三級(jí)特征后匹配準(zhǔn)確率有很大改進(jìn)，并提出了一種紋線邊緣的表示和提取方法[9-10]。瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所的K.Kryszczuk等[11-12]研究了細(xì)節(jié)點(diǎn)和汗孔在殘缺指紋匹配中的應(yīng)用，表明當(dāng)細(xì)節(jié)點(diǎn)不足時(shí)，汗孔等三級(jí)特征點(diǎn)作用會(huì)增加，并且在分辨率足夠時(shí)，一小塊殘缺指紋上的三級(jí)特征信息會(huì)比完整指紋上的細(xì)節(jié)點(diǎn)特征更多；美國漢茨維爾大學(xué)的M.Ray[13]、英國華威大學(xué)的 N.R.Parsons[14]、香港科技大學(xué)的趙啟軍等[15]都提出了基于各向同性或者各向異性的汗孔灰度模型和濾波提取方法，較為有效地提取了高分辨率指紋中的汗孔點(diǎn)。針對(duì)三級(jí)特征的應(yīng)用，趙啟軍提出了一種汗孔直接匹配算法，實(shí)現(xiàn)二級(jí)特征與三級(jí)特征的解耦，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)匹配結(jié)果融合，增強(qiáng)了融合效果；M.Vatsa直接將局部結(jié)構(gòu)中的細(xì)節(jié)點(diǎn)、汗孔信息融合成一個(gè)特征描述符，構(gòu)建特征超矢量，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行指紋識(shí)別時(shí)，指紋圖像旋轉(zhuǎn)或平移都具有不變性。

2 研究理論準(zhǔn)備及預(yù)試驗(yàn)

2.1 油墨捺印指紋的變形失真現(xiàn)象

經(jīng)過總結(jié)，油墨捺印指紋變形失真的現(xiàn)象有以下情況：

2.1.1 紋形上的變形

2.1.2 紋形的變形

2.1.3 細(xì)節(jié)特征的變形

2.1.4 三角的變形

2.1.5 距離、位置的變形

由于紋形、紋線、特征、三角等多方面的變化，因而帶來距離、角度上的差異，位置上的不一，由此也會(huì)產(chǎn)生在同等距離中線條出現(xiàn)多和少的特征。

2.2 試驗(yàn)中影響指紋三級(jí)特征穩(wěn)定性的因素

經(jīng)過分析總結(jié)，造成上述變形的人為可控因素有：捺印前清洗與否，手上帶有污垢而堵塞小眼、填滿的汗孔，導(dǎo)致犁溝等反映不出來，甚至起點(diǎn)、分歧、結(jié)合、終點(diǎn)等結(jié)構(gòu)特征發(fā)生變形；油墨厚薄的影響，捺印時(shí)油墨過厚，容易引起局部堵塞，而改變特征的形態(tài)，嚴(yán)重的會(huì)填塞犁溝，紋線不清或出現(xiàn)假特征，而捺印油墨過薄，指紋的特征反映不清，或使相連的紋線分離；另外由于不同的捺印方式產(chǎn)生不同的作用力，也會(huì)使指紋特征產(chǎn)生一定的變形失真。

在試驗(yàn)中影響指紋三級(jí)特征的反映性的主要因素包括：壓力的大小，捺印前手指清潔與否，捺印時(shí)的油墨量，捺印方式的不同，捺印的客體的選擇。

2.3 預(yù)試驗(yàn)及變量的確定

為了固定好其它變量，而只考察在不同壓力下指紋三級(jí)特征的穩(wěn)定性，本試驗(yàn)事先進(jìn)行了預(yù)試驗(yàn)，考察捺印油墨量、捺印方式、捺印客體對(duì)三級(jí)特征的影響。

2.3.1 油墨捺印指紋時(shí)三種壓力的選擇范圍

試驗(yàn)選取了在校生男女各20名，按照其各自所理解的“輕壓、中壓、重壓”在電子稱上捺印食指油墨指紋5次，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)、分析、篩選與總結(jié)可以看出輕壓、中壓、重壓的壓力范圍分別為 20～80N、80～320N、320N以上，故而本試驗(yàn)所述的輕壓、中壓、重壓均是上述壓力范圍。

2.3.2 不同捺印方式對(duì)指紋三級(jí)特征反映性的影響

油墨捺印分三面捺印和平面捺印，在預(yù)試驗(yàn)中仍是選取在校生男女各20名，分別采用兩種方式捺印食指指紋5次，比較發(fā)現(xiàn)：大部分的同一指紋的兩種捺印方式差別不大，但有10%左右的指紋三面捺印時(shí)紋線分離的地方在平面捺印里是連接的，三面捺印里紋線起始處呈三角狀而平面捺印時(shí)呈蝌蚪狀，三面捺印里小點(diǎn)較粗且長而平面捺印里小點(diǎn)較細(xì)且短。與活體掃描圖片相比，三面捺印的效果更接近真實(shí)情況，故實(shí)際中常采用三面捺印（見圖7）。

圖7 不同捺印方式的對(duì)比

2.3.3 不同捺印客體對(duì)指紋三級(jí)特征反映性的影響

本試驗(yàn)中分別以十指指紋卡片，相底卡片和打印紙作為客體進(jìn)行捺印，分選男女各20名捺印食指指紋5次。發(fā)現(xiàn)：十指指紋卡片和打印紙的材質(zhì)比較接近，對(duì)指紋三級(jí)特征的反映性相當(dāng)，打印紙略次一些，在十指指紋卡片和相底上的紋線分理處，在打印紙上是連接的，打印紙對(duì)細(xì)點(diǎn)線的反映性較十指指紋卡片差。相底卡片表面較光滑，滲透性較低，對(duì)指紋汗孔的反映性最好，紋線形態(tài)、細(xì)點(diǎn)線及皺紋的反映性也較前兩種紙質(zhì)好，紋線起始處在相底上也最清晰。但是相底較光滑，捺印時(shí)易滑動(dòng)，捺印完需要固定，此程序較麻煩，實(shí)際工作中很少用到（見圖8）。

圖8 不同捺印客體的對(duì)比

2.3.4 不同油墨量對(duì)指紋三級(jí)特征反映性的影響

油墨量的多少在捺印時(shí)很重要，在預(yù)試驗(yàn)中選取在校生男女各20名，分別采用兩種方式捺印食指指紋5次，從所得結(jié)果中可以看出：捺印時(shí)油墨過厚，容易引起局部堵塞，而改變特征的形態(tài)，嚴(yán)重的會(huì)填塞犁溝，紋線不清或出現(xiàn)假特征。捺印油墨過薄，指紋的特征反映不清，或使相連的紋線分離，形成斷點(diǎn)（見圖9）。

圖9 不同油墨量的對(duì)比

經(jīng)過以上預(yù)試驗(yàn)，為了達(dá)到最好的試驗(yàn)效果，在接下來的試驗(yàn)中采取了一下條件：捺印前捺印人需將手上的汗?jié)n、水漬、污漬擦凈，保持手指干燥清潔，在十指指紋卡片上用適量油墨采取三面捺印的方法進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)部分

3.1 試驗(yàn)儀器：愛普生Perfection 4870 Photo掃描儀、家用廚房電子稱

3.2 試驗(yàn)材料：十指指紋采集卡、ZNY-V型掌紋捺印盒

3.3 試驗(yàn)步驟

（1）找20名在校生在十指指紋采集卡上分三種壓力（輕壓，中壓和重壓）進(jìn)行油墨捺印指紋，均采用三面捺印方法。共采集樣本600份。

（2）掃描捺印樣本，分辨率設(shè)置為1200ppi，圖片格式設(shè)置為TIFF格式。

（3）直接掃描手指（操作時(shí)，將手輕輕放在掃描儀上，以免產(chǎn)生變形），分辨率設(shè)置為1200ppi，圖片格式設(shè)置為TIFF格式，作為比對(duì)的標(biāo)的。

（4）利用Photoshop軟件分別對(duì)每人三種壓力下各個(gè)指頭上三級(jí)特征與標(biāo)的進(jìn)行比對(duì)，觀察并記錄其反映性和穩(wěn)定性。

（5）綜合評(píng)判比較試驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 對(duì)指紋汗孔反映性及穩(wěn)定性的分析

汗孔是汗腺排泄汗液的出口，在紋線中汗孔位于乳突紋線上，它們呈不規(guī)則分布。汗孔隨著皮膚的產(chǎn)生而形成，并隨著年齡的增大成比例放大，直至成人，相互關(guān)系穩(wěn)定，所以人的乳突紋線一經(jīng)形成，汗孔的穩(wěn)定性就相對(duì)不變。汗孔的直徑一般為50～250μm，每毫米的乳突紋線上有3～5個(gè)汗孔，汗孔的排列、形狀、大小、位置都有其特殊性[16]。

汗孔可以是打開［見圖 10（a）］或關(guān)閉［見圖 10（b）］，一個(gè)完全封閉的封閉孔是在一個(gè)脊上，而一個(gè)開放的孔躺在山谷兩脊間。

圖10 汗孔形態(tài)

按捺壓力因素對(duì)汗孔細(xì)節(jié)特征的形成也起到了至關(guān)重要的作用。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在輕壓的200個(gè)樣本中，只有54個(gè)樣本對(duì)汗孔反映性較好，汗孔較明顯且大，中壓時(shí)減少到26個(gè)，此時(shí)汗孔變小，一些輕壓時(shí)的開孔變成了閉孔狀，重壓時(shí)僅有5個(gè)樣本有汗孔顯現(xiàn)出來，且汗孔幾乎不可見。由于汗孔是孔洞結(jié)構(gòu)，所以受擠壓時(shí)四周向中心受力，致使汗孔產(chǎn)生收縮變形，紋線物質(zhì)部分遺留在汗孔位置，造成顯現(xiàn)出來的汗孔較小，甚至沒有；相反，按捺壓力小的指印顯現(xiàn)出來的汗孔就較大。此特征很不穩(wěn)定（見圖11）。

圖11 汗孔的反映形態(tài)比較

4.2 對(duì)指紋紋線形態(tài)反映性及穩(wěn)定性的分析

紋線的邊沿形態(tài)細(xì)節(jié)特征，是指每條乳突紋線的邊沿顯示的凹凸起伏的形態(tài)。它反映了乳突紋線邊沿的皮膚形狀，這種邊沿形態(tài)包括乳突紋線的起點(diǎn)邊沿、終點(diǎn)邊沿、線的中段邊沿形態(tài)。紋線的邊沿形態(tài)反映的是乳突紋線兩側(cè)（起點(diǎn)處和終點(diǎn)處是三側(cè)）的具體形態(tài)，由于乳突紋線的寬度在0.2～0.5mm之間，因此它的形狀是一種微觀結(jié)構(gòu)，需要在顯微鏡下才能觀察其具體形狀。這種邊沿形狀往往由于形成條件復(fù)雜、顯現(xiàn)技術(shù)的針對(duì)性不強(qiáng)而產(chǎn)生變形或反映不清。

按捺壓力因素對(duì)紋線細(xì)節(jié)特征的形成也起到了至關(guān)重要的作用，按捺壓力越大，指印紋線變形越嚴(yán)重。從試驗(yàn)中可以看出：輕壓時(shí)，紋線形態(tài)清晰且較細(xì)，紋線交叉處空隙較大，起始處呈柱狀；中壓時(shí)，紋線交叉處空隙減小，起始處呈蝌蚪狀；重壓時(shí)，紋線交叉處基本連接，起始處呈三角狀，且此時(shí)紋線最粗且模糊不清?；铙w掃描對(duì)紋線的反映性不是很好（見圖12）。

圖12 紋線形態(tài)反映性比較

4.3 對(duì)指紋細(xì)點(diǎn)線反映性和穩(wěn)定性的分析

乳突細(xì)點(diǎn)線也稱乳突細(xì)點(diǎn)線、溝底細(xì)線，它是出現(xiàn)于乳突紋線之間小犁溝中的連續(xù)分布的細(xì)線，間斷分布的細(xì)點(diǎn)狀的組織結(jié)構(gòu)。乳突細(xì)點(diǎn)線的結(jié)構(gòu)比較簡單，呈細(xì)線狀和細(xì)點(diǎn)狀。但由于它是散在無規(guī)律的分布，以及其具體形態(tài)、大小的多樣性，可以構(gòu)成自身特殊的本質(zhì)。

乳突細(xì)點(diǎn)線是夾在乳突紋線中間的一種細(xì)小紋線和點(diǎn)，并非人人都有，在手印中也不一定完全能反映出來。多數(shù)人是隨著年齡的增長而逐漸出現(xiàn)的，乳突細(xì)點(diǎn)線的出現(xiàn)與否，往往同年歲增長等生理變化有著密切的關(guān)系。很多人在青少年時(shí)，手指的乳突紋線飽滿而高，小犁溝深，留下手印時(shí)，小犁溝底部不易接觸客體。成年后，乳突紋線和小犁溝的寬度基本相等，留下手印時(shí)，局部小犁溝寬的部位開始出現(xiàn)細(xì)點(diǎn)線，以后逐年增多、變粗。

按捺壓力因素對(duì)細(xì)點(diǎn)線細(xì)節(jié)特征的形成也起到了至關(guān)重要的作用，按捺壓力大，指印細(xì)點(diǎn)線變形較嚴(yán)重。由試驗(yàn)可以看出：輕壓時(shí)細(xì)點(diǎn)線呈細(xì)條狀，而中壓時(shí)細(xì)點(diǎn)線較輕壓時(shí)變粗變短了，重壓時(shí)由于油墨不均勻以及指紋擠壓變形而使紋線模糊，而影響原始指紋的質(zhì)量，細(xì)點(diǎn)線形態(tài)未能反映出來（見圖13）?？梢?，輕壓時(shí)效果較好。

4.4 指紋皺紋的反映性和穩(wěn)定性的研究

皺紋是指由于皮膚的張弛、堆積活動(dòng)所形成的細(xì)小溝紋。皺紋有的在胎兒期就出現(xiàn)了，有的在出生后會(huì)消失，有的隨著年齡增長又會(huì)產(chǎn)生并逐步變多變長，它分布在整個(gè)手掌表面，皺紋的方向多與乳突紋線的方向不一致，有著一定的角度，有并行狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等，其位置也不確定。皺紋印痕的形狀與屈肌褶紋相近，多呈窄而斷的空白線條，流向多與乳突紋線交叉，但在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生較大的變化。

按捺壓力因素對(duì)指紋皺紋的形成影響很大：按捺壓力大，指印皺紋變形較嚴(yán)重。從試驗(yàn)來看，輕壓時(shí)皺紋有原始形狀，長短和粗細(xì)，形態(tài)反映很清晰；中壓時(shí)，由于擠壓變形，皺紋形態(tài)較輕壓時(shí)短而細(xì)；重壓時(shí)，擠壓變形最為嚴(yán)重，皺紋失去了原來的形態(tài)，如果皺紋本身較細(xì)小時(shí)，重壓力下會(huì)消失（見圖14）。

圖13 細(xì)點(diǎn)線的反映性比較

圖14 皺紋的穩(wěn)定性比較

5 結(jié)論

通過此次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，油墨捺印指紋對(duì)三級(jí)特征的反映性不夠理想，汗孔、紋線形態(tài)特征、細(xì)點(diǎn)線特征及皺紋在不同壓力下的穩(wěn)定性較差。其中，各個(gè)三級(jí)特征在輕壓下的反映性及穩(wěn)定性較為接近實(shí)際，捺印的壓力越大則三級(jí)特征變形越大，甚至完全變形成為另外一種特征。只要控制好變量因素（適當(dāng)?shù)妮p壓、均勻的油墨量及三面捺印），指紋的三級(jí)特征還是有很高鑒定比對(duì)價(jià)值的。

在域外的指印鑒定工作中，雖然已經(jīng)有利用汗孔細(xì)節(jié)特征對(duì)指印進(jìn)行同一認(rèn)定，但在我國實(shí)際案件中，由于現(xiàn)場所留的指紋都遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到上述的輕壓等要求，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場汗孔細(xì)節(jié)特征的發(fā)現(xiàn)和提取較為困難，對(duì)汗孔的分類、命名、標(biāo)示等又存在一些沒有解決的問題，目前在我國刑事技術(shù)領(lǐng)域還沒有得到應(yīng)用，所以如果將此法應(yīng)用于指紋比對(duì)時(shí)，仍需進(jìn)一步的研究與改進(jìn)。

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