指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)編輯與CAFIS查中率關(guān)系研究

周吉亮，馮雅嫻

（1.中國(guó)人民公安大學(xué)，北京100038；2.中國(guó)人民公安大學(xué)，北京100038）

一、引言

指紋查詢，是刑事技術(shù)工作極為重要的組成部分。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,指紋查詢亦從落后的手工比對(duì)、查詢，逐步進(jìn)入到自動(dòng)比對(duì)和查詢。指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，以其快速運(yùn)算和先進(jìn)的算法被廣泛應(yīng)用,并在偵查破案中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)不斷更新，對(duì)于指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的研究，有益于辦案中提高指紋查中率和指紋的同一認(rèn)定。

二、實(shí)驗(yàn)原理

CAFIS指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，是利用指紋的特征進(jìn)行指紋比對(duì)和鑒定的。這些特征包括紋型、中心、三角和細(xì)節(jié)特征。計(jì)算機(jī)根據(jù)這些特征信息，從數(shù)以萬(wàn)計(jì)的指紋檔案中查對(duì)與送檢指紋相匹配的候選指紋。指紋的匹配和比對(duì)采用模式識(shí)別技術(shù)，對(duì)待指紋與指紋庫(kù)中的指紋逐一進(jìn)行比對(duì)，按照相似情況將指紋的比中得分從高到低排列出來(lái)，最后經(jīng)指紋檢驗(yàn)人員人工比對(duì)，予以確認(rèn)。在實(shí)驗(yàn)中采取單一變量控制進(jìn)行研究，即對(duì)中心、三角及紋型的信息進(jìn)行固定，控制細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的數(shù)量和位置獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

研究增加系統(tǒng)，可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)數(shù)量與未識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的數(shù)量對(duì)得分的影響，采用錄入現(xiàn)場(chǎng)指紋后進(jìn)行串查。對(duì)中心、三角及紋型等信息進(jìn)行固定獲取基礎(chǔ)得分后，逐一改變細(xì)節(jié)特征點(diǎn)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。CAFIS系統(tǒng)中增加1個(gè)特征點(diǎn)對(duì)，查中率的影響在于3個(gè)方面，得分也是由三類(lèi)增加得分的總和，一是增加單一細(xì)節(jié)特征點(diǎn)比中的加分，二是特征點(diǎn)對(duì)比中的加分，三是三角和中心為基礎(chǔ)組成的特征點(diǎn)組比中的加分。為了研究單一細(xì)節(jié)特征點(diǎn)對(duì)查中率的影響，選取距離中心一定范圍內(nèi)的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)作為參變量，距離中心一定范圍內(nèi)的相近細(xì)節(jié)特征點(diǎn)作為固定量，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確可信。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本，采用逐一增加CAFIS系統(tǒng)可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)和未識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的數(shù)量，獲取得分。處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并分析繪圖，得出細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的變化，對(duì) CAFIS指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)檢索準(zhǔn)確率影響的結(jié)論。采用海鑫科技公司的CAFIS指掌紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，其中十指指紋庫(kù)有指印1萬(wàn)余份，現(xiàn)場(chǎng)指紋庫(kù)有指印1萬(wàn)余份。實(shí)驗(yàn)分為兩部分，一為增加指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)可識(shí)別特征點(diǎn)的數(shù)量；二為增加指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)未識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的數(shù)量。

（二）實(shí)驗(yàn)材料與儀器

Canon scan 9000F MarkⅡ平板式掃描儀（光學(xué)分辨率為9600×9600，日本佳能公司），十指指紋捺印卡，ZNY-V型掌紋捺印盒（北京達(dá)聯(lián)特科技有限公司），單反相機(jī)，海鑫CAFIS指掌紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。

（三）制作樣本

實(shí)驗(yàn)樣本采用捺印方式獲取，利用 Canonscan 9000F MarkⅡ平板式掃描儀進(jìn)行掃描，掃描儀分辨率范圍在25～19200 dpi之間，掃描之后的指紋圖像在電腦上顯示紋線清晰細(xì)節(jié)特征明顯后，拍照記錄并分析取點(diǎn)，避免特征點(diǎn)加分的復(fù)雜化，選用距離中心較近的10個(gè)特征點(diǎn)為固定特征點(diǎn)，選取10處距離等位的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)編號(hào)以備錄入。圖1即為用上述方法進(jìn)行制作的檢材。

圖1檢材制作并選取增加的10處特征點(diǎn)

（四）實(shí)驗(yàn)步驟

1.制作樣本

利用上述方法，通過(guò)仔細(xì)篩查選取10個(gè)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，均選取10個(gè)較近于中心、或可成特征點(diǎn)對(duì)的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)為固定量，選取可識(shí)別且避免于其他特征點(diǎn)形成特征點(diǎn)對(duì)和特征點(diǎn)組的10個(gè)細(xì)節(jié)特征點(diǎn)作為變量。

（1）10個(gè)固定量選取要求

選取距離中心3～4線以內(nèi)的特征點(diǎn)，主要是因特征點(diǎn)組由3個(gè)或3個(gè)以上的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)組成多邊形。通過(guò)任意特征點(diǎn)之間的連線，得到一組大小不等的特征點(diǎn)多邊形序列，在算法中特征點(diǎn)對(duì)和特征點(diǎn)組對(duì)得分影響較大。對(duì)中心及三角區(qū)域的位置進(jìn)行記錄，獲得準(zhǔn)確定量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，挑選距離中心較近的10個(gè)細(xì)節(jié)特征點(diǎn)進(jìn)行配組與配對(duì)。

（2）可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)選取要求

選取距離中心5線以外的特征點(diǎn)，避免與其他特征點(diǎn)形成特征點(diǎn)組合而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)選取環(huán)繞中心盡量均勻且質(zhì)量較好的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)，保持相鄰特征點(diǎn)之間的距離避免干擾得分。

（3）未識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)選取要求

選取指紋的邊緣區(qū)域或遠(yuǎn)離指紋中心區(qū)域的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)，獲取與指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)未識(shí)別的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)對(duì)查中率有相關(guān)影響的數(shù)據(jù)。如圖中的5處藍(lán)色細(xì)節(jié)特征點(diǎn)。

圖二 增加的5處未在庫(kù)中標(biāo)明的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)

2.數(shù)據(jù)錄入

進(jìn)入CAFIS指掌紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)指紋庫(kù)，點(diǎn)獲取指紋，選取實(shí)驗(yàn)材料，調(diào)節(jié)大小后選擇裁剪輸出，并建立17個(gè)相同作業(yè)。第一個(gè)作業(yè)，采用人工標(biāo)注和自動(dòng)提取相結(jié)合的方法，將10處固定量指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)和添加變量指紋特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)明，拍照記錄位置與指向，作為參照。

3.獲取基礎(chǔ)比中率得分

將第二個(gè)作業(yè)進(jìn)行編輯，只標(biāo)明10處固定量的指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)，然后獲取基礎(chǔ)查中率得分，并記錄數(shù)據(jù)。

4.添加實(shí)驗(yàn)變量

將其余作業(yè)分別逐一添加變量細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的數(shù)量，編輯查找，獲取每添加1枚變量細(xì)節(jié)特征點(diǎn)時(shí)的得分，并記錄數(shù)據(jù)。

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

（一）添加可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)得分

根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟4，獲取增加可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)對(duì)查中率影響的相關(guān)數(shù)據(jù)。見(jiàn)表1。

對(duì)表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪圖獲取曲線。分析表中數(shù)據(jù)可知，每增加1個(gè)可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)，CAFIS系統(tǒng)中的得分就有所增加，但增加的比重不一。對(duì)得分產(chǎn)生影響的主要因素，是庫(kù)中可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的數(shù)量，其中紅色表示相同特征點(diǎn)，在得分計(jì)算時(shí)為加分；黃色表示差異點(diǎn)，得分計(jì)算時(shí)為減分。舍棄斷點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，獲得可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)曲線和可識(shí)別特征點(diǎn)得分增量曲線。見(jiàn)下系列圖（圖1~圖 10）：

圖1材料一的實(shí)際特征點(diǎn)增加走向圖圖

表1 添加可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)得分表

圖2材料一的特征點(diǎn)增加得分增加值走向圖

圖3材料二的實(shí)際特征點(diǎn)增加走向圖

圖4材料二的特征點(diǎn)增加得分增加值走向圖

圖5材料三的實(shí)際特征點(diǎn)增加走向圖

圖6材料三的特征點(diǎn)增加得分增加值走向圖

圖7材料四的實(shí)際特征點(diǎn)增加走向圖

圖8材料四的特征點(diǎn)增加得分增加值走向圖

圖9材料五的實(shí)際特征點(diǎn)增加走向圖

圖10材料五的特征點(diǎn)增加得分增加值走向圖

由曲線變化規(guī)律可知，當(dāng)增加可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)時(shí)，查中率得分曲線上升且趨近于直線。根據(jù)可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)得分增量曲線，可看出得分增量趨近于平穩(wěn)，也說(shuō)明了查中率曲線上升趨近于直線。

（二）添加未識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)得分

根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟4，獲取增加未識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)對(duì)查中率影響的相關(guān)數(shù)據(jù).。見(jiàn)表2。

根據(jù)表2，選取基礎(chǔ)得分最后一次高于400分的開(kāi)始繪圖，低于300分可舍棄，進(jìn)行繪圖。

圖11添加未識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)得分

（三）實(shí)驗(yàn)分析

1.實(shí)驗(yàn)量的問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行處理，通過(guò)樣本得分，說(shuō)明添加細(xì)節(jié)特征點(diǎn)數(shù)量對(duì)查中率的影響。如果實(shí)驗(yàn)樣本越多，實(shí)驗(yàn)結(jié)果就越接近理論情況。

2.樣本采集問(wèn)題

在選取指紋時(shí)，對(duì)指紋本身的質(zhì)量要求較高，要選取滿足實(shí)驗(yàn)要求的指紋。

3.人工干預(yù)問(wèn)題

當(dāng)CAFIS系統(tǒng)自動(dòng)提取完特征點(diǎn)后，進(jìn)行人工干預(yù)時(shí)，盡可能地使不同的實(shí)驗(yàn)樣本指印，能夠得到同等程度的人工干預(yù)。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)添加可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)時(shí)，查中率得分增加，得分曲線趨于直線；分析得分增量可知，增量變化先到達(dá)峰值后趨近于平穩(wěn)，表明得分增量曲線趨近于直線。且每添加1個(gè)可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)，系統(tǒng)得分增加約為237分。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)添加未識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)時(shí)，查中率得分減少，但得分曲線隨可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)數(shù)量不同而下降幅度不一；經(jīng)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)數(shù)量越少時(shí)，得分曲線下降幅度越大；而當(dāng)可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)數(shù)量較大或較小時(shí)，未識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的添加對(duì)得分曲線的影響反而不大。

實(shí)驗(yàn)表明，樣本指紋的質(zhì)量和可以標(biāo)明的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)數(shù)量，對(duì)得分峰值有一定的影響。當(dāng)指紋樣本質(zhì)量較高時(shí)，選取的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)完全比中時(shí)的得分反而不如質(zhì)量較差時(shí)的得分，因此，對(duì)于質(zhì)量較高的指紋進(jìn)行編輯錄入時(shí)，應(yīng)盡可能選取系統(tǒng)可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)，不能確定的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)寧可舍棄，這樣才能獲取較好的查詢結(jié)果。

表2 添加未識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)得分表

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，在CAFIS指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)編輯入庫(kù)時(shí)，選取的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)是可識(shí)別細(xì)節(jié)特征點(diǎn)時(shí)，得分較高，排名靠前；當(dāng)選取的即便是價(jià)值較高的細(xì)節(jié)特征，如果系統(tǒng)未能識(shí)別，得分反而較低，排名也相對(duì)靠后。因此，在進(jìn)行人工干預(yù)編輯指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量添加系統(tǒng)可識(shí)別的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)，同時(shí)，盡可能地減少系統(tǒng)未識(shí)別的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)，進(jìn)而獲得更好的查詢比對(duì)效果，提高查詢比對(duì)率。

[1]羅亞平,郭威.指紋學(xué)教程[M].北京:中國(guó)人民公安大學(xué)出版社,2010.

[2]左琦.關(guān)于指紋系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中存在的問(wèn)題及建議[J].法庭科學(xué),2012(2):100-102.

[3]侯曉華.CAFIS系統(tǒng)比對(duì)方法初探[J].刑事技術(shù),2001(S1).