立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)在足跡檢驗(yàn)中的應(yīng)用

時(shí) 光

（吉林警察學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130117）

一、引言

由于刑事技術(shù)人員對(duì)足跡工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，以及對(duì)其進(jìn)行多方實(shí)驗(yàn)和專題研討，近幾十年，足跡研究逐步形成了經(jīng)驗(yàn)描述性的應(yīng)用理論體系。然而，由于足跡檢驗(yàn)技術(shù)的基本理論研究比較薄弱，目前提高檢驗(yàn)水平還主要是依靠經(jīng)驗(yàn)積累。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，對(duì)足跡提取、檢驗(yàn)的定量化和標(biāo)準(zhǔn)化成為足跡檢驗(yàn)這門應(yīng)用科學(xué)的必然發(fā)展趨勢(shì)。雖然鞋底花紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、成趟足跡采集與分析比對(duì)系統(tǒng)已經(jīng)研發(fā)成功并投入使用，但其均解決的是平面足跡的問(wèn)題。針對(duì)當(dāng)前公安刑偵領(lǐng)域中對(duì)立體足跡采集分析的實(shí)際需求，立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)立體足跡原物大、原始形態(tài)的數(shù)字化采集、存儲(chǔ)和傳輸，應(yīng)用圖像處理技術(shù)分析和比對(duì)立體足跡，填補(bǔ)了公安系統(tǒng)應(yīng)用的空白，促進(jìn)了足跡檢驗(yàn)這一學(xué)科的發(fā)展。

二、立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用——年齡分析研究

通過(guò)應(yīng)用立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，基本總結(jié)出人在行走時(shí)足底特征與年齡之間的內(nèi)在聯(lián)系，并獲得了利用立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)分析留痕人年齡的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)分析的自動(dòng)化和信息化提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論支持。

（一）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理

1.樣本的選取及提取。利用立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)配合專業(yè)軟件提取40名年齡在18歲~55歲，身高在170cm~180cm的健康男性穿皮鞋正常行走時(shí)的左右立體足跡各2枚。

2.關(guān)于踏痕的相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作。啟動(dòng)立體足跡提取系統(tǒng)及配套圖像處理軟件后，在工程頁(yè)面打開(kāi)所提取的立體足跡數(shù)據(jù)，依次進(jìn)行“壓力顯示”“基面準(zhǔn)基”“垂直旋轉(zhuǎn)”操作。

圖1 踏痕測(cè)量示意圖

在以往立體足跡檢驗(yàn)中，往往將足跡本身反映的踏痕躍變點(diǎn)進(jìn)行人為調(diào)整，測(cè)量時(shí)調(diào)整測(cè)量點(diǎn)以量取赤足的踏痕，以套用年齡＝踏痕半徑（cm）×10的經(jīng)驗(yàn)公式。此法不易掌握、分析結(jié)果誤差較大、人為因素過(guò)多參與數(shù)據(jù)測(cè)量中易造成較大誤差。在本次實(shí)驗(yàn)中，將測(cè)量數(shù)據(jù)擬定為足跡本身反應(yīng)的外躍變點(diǎn)至落足點(diǎn)的長(zhǎng)度（圖1中A＇B＇），而非傳統(tǒng)測(cè)量時(shí)人為擬定的長(zhǎng)度 （圖1中AB）。每個(gè)測(cè)試者測(cè)量?jī)擅锻瑐?cè)足跡的值然后取平均值。

通過(guò)立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)的三維模擬形成的偽彩色圖能夠直觀反映足與承痕體的接觸點(diǎn)壓力狀態(tài)，可以明顯觀察躍變點(diǎn)的位置，這樣，測(cè)量足底壓力的躍變點(diǎn)（圖1中A＇）較以往更加直觀，進(jìn)而降低了技術(shù)人員采集經(jīng)驗(yàn)性的要求。

3.關(guān)于跖壓痕的實(shí)驗(yàn)操作。

圖2 跖壓痕示意圖

啟動(dòng)立體足跡提取系統(tǒng)后，經(jīng)三維測(cè)量、壓力顯示和基面校準(zhǔn)（同踏痕實(shí)驗(yàn)操作）后，運(yùn)用模擬重壓運(yùn)算，計(jì)算出模擬赤足足底壓力面的范圍，觀察跖壓痕的分布區(qū)域及規(guī)模特征（圖2）。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1.踏痕實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)分析

（1）運(yùn)用回歸法分析樣本?；貧w分析是對(duì)有相關(guān)關(guān)系的現(xiàn)象，根據(jù)關(guān)系的形態(tài)選取合適的數(shù)學(xué)模型用來(lái)近似地表達(dá)變量間的平均變化關(guān)系，作為結(jié)果的因變量（年齡）用Y表示，作為原因的自變量（踏痕半徑）用X表示。繪制散點(diǎn)圖后，關(guān)系的強(qiáng)弱取決于散點(diǎn)圖是否有一個(gè)清晰的形狀，數(shù)據(jù)點(diǎn)是否緊密地分布在這個(gè)形狀之中。另外，散點(diǎn)圖反映那些與總體有較大差別的個(gè)體值的狀況。

為了更好地研究不同社會(huì)階層人群足長(zhǎng)與身高的相關(guān)關(guān)系，將測(cè)量好的足跡樣本數(shù)據(jù)分別輸入計(jì)算機(jī)，設(shè)年齡變量為Y，踏痕半徑變量為X，然后通過(guò)Excel數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析程序中的INTERCEPT函數(shù)和SLOPE函數(shù)分別算出回歸方程的截距和回歸系數(shù)，從而得到反映穿鞋立體足跡年齡與踏痕半徑關(guān)系的一元回歸方程，并進(jìn)行散點(diǎn)圖的繪制和擬合優(yōu)度檢驗(yàn)。如圖3所示。

圖3 踏痕半徑與年齡關(guān)系散點(diǎn)圖

由上述散點(diǎn)圖及分析數(shù)據(jù)可以看出：分析繪制的散點(diǎn)圖，可見(jiàn)圖中坐標(biāo)點(diǎn)分布較集中，坐標(biāo)點(diǎn)分布呈窄帶狀，基本上圖中點(diǎn)落在趨勢(shì)線周圍，說(shuō)明數(shù)據(jù)間有正線性相關(guān)性，穿鞋立體足跡年齡與踏痕半徑之間的關(guān)系為:Y=9.6421X－1.3329。

（2）回歸分析中誤差分析。由于測(cè)量值完全可以直觀測(cè)量，不像以前經(jīng)驗(yàn)測(cè)量的方法還需考慮特殊行走姿勢(shì)，所以步角較大者測(cè)量值也相應(yīng)變大，造成測(cè)量者不符合與年齡關(guān)系。另外，樣本只有男性穿皮鞋的足跡，缺少不同鞋種、不同性別間關(guān)于年齡的分析。還有，承痕體表面是否平坦、后期提取系統(tǒng)基面是否校準(zhǔn)也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

2.壓痕偽彩色圖像分析

經(jīng)過(guò)“模擬重壓”操作，可將測(cè)得的立體足跡進(jìn)行模擬赤足足跡的模擬重壓計(jì)算，從而對(duì)跖壓痕的特征進(jìn)行觀察。

圖4中：圖a為25歲受試者足跡，其跖壓痕中心靠近第一跖區(qū)，圖b（36歲）和圖c（44歲）跖壓痕逐漸向足弓區(qū)延伸；圖d受試者為57歲，跖壓痕重心靠近第五跖區(qū)。隨著年齡的增大，跖壓痕位置從一跖逐漸向足弓部延伸。符合足跡步法特征變化的一般規(guī)律。

由此可見(jiàn)，立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)的“模擬重壓”操作后可以直觀地反映赤足的輪廓以及足跡的重壓區(qū)域，進(jìn)而更加便于利用立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)分析年齡。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1.足跡中測(cè)量值與年齡呈明顯的正相關(guān)性，充分驗(yàn)證了傳統(tǒng)足跡檢驗(yàn)中踏痕半徑與年齡關(guān)系的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)推斷；穿鞋立體足跡年齡與踏痕半徑之間的關(guān)系為:Y=9.6421X－1.3329。

2.本試驗(yàn)直接利用穿鞋足跡外躍變點(diǎn)和落足點(diǎn)之間的距離分析足跡遺留人的身高，而不是人為的測(cè)量赤足的踏痕半徑，此采集方法更加簡(jiǎn)便、客觀，更重要的是減少了人為經(jīng)驗(yàn)因素的影響，為以后足跡年齡自動(dòng)分析打下基礎(chǔ)。

3.立體足跡提取系統(tǒng)采集的足跡經(jīng)模擬重壓，模擬出赤足足底壓力面的足跖壓痕隨著人年齡的增大，從第一跖壓逐漸向第五跖壓過(guò)渡并向足弓部延伸，與傳統(tǒng)足跡檢驗(yàn)的理論具有一致性，所以通過(guò)足跖壓痕的變化規(guī)律綜合分析人的年齡具有科學(xué)性。

三、立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)際工作中的應(yīng)用——同一認(rèn)定

案例一：2011年3月15日遼寧省新民市法哈牛鎮(zhèn)孫家套村發(fā)生爆炸案，造成該村支書胡寶峰死亡?，F(xiàn)場(chǎng)石膏制模提取立體足跡一枚。經(jīng)偵查該鎮(zhèn)居民許世輝有重大嫌疑，提取其左腳鞋一只，使用立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行特征相符程度檢驗(yàn)。由于送檢材與樣本均為立體石膏模型而非立體足跡，而立體石膏模型能夠準(zhǔn)確反映立體足跡的痕底凸凹變化，所以檢驗(yàn)人員利用該系統(tǒng)對(duì)立體石膏模型進(jìn)行了二次提取，并分區(qū)域進(jìn)行3D數(shù)據(jù)離散度比對(duì)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示檢材與樣本跖區(qū)、跟區(qū)等形成足跡主要區(qū)域3D數(shù)據(jù)分布80%在離散度認(rèn)可范圍以內(nèi)，為同一人遺留概率較高。

案例二：2011年7月27日內(nèi)蒙古自治區(qū)莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗公安局轄區(qū)莫旗塔溫敖寶鎮(zhèn)福春磚廠辦公室被盜現(xiàn)金20萬(wàn)元，現(xiàn)場(chǎng)石膏制模提取立體足跡兩枚。經(jīng)偵查該鎮(zhèn)居民楊繼義有重大嫌疑，提取其左右腳立體足跡石膏模型各一枚，使用立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行特征相符程度檢驗(yàn)。由于檢材與樣本均為立體石膏模型而非立體足跡，而立體石膏模型能夠準(zhǔn)確反映立體足跡的痕底凸凹變化，所以利用立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)立體石膏模型進(jìn)行了二次提取，并分區(qū)域進(jìn)行3D數(shù)據(jù)離散度比對(duì)，檢驗(yàn)結(jié)果顯示檢材與樣本跖區(qū)、跟區(qū)等形成足跡主要區(qū)域3D數(shù)據(jù)分布80%在離散度認(rèn)可范圍以內(nèi)，為同一人遺留概率較高。

以上兩起案件通過(guò)立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)所得出的檢驗(yàn)結(jié)論，為偵查人員確定了正確的偵查方向，為樹(shù)立偵查信心提供了技術(shù)支持，對(duì)打擊犯罪分子頑抗到底的僥幸心理起到了關(guān)鍵性的作用。立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)能適應(yīng)各種復(fù)雜條件和變化，比對(duì)結(jié)論明確、可靠性高，對(duì)基層立體足跡提取和比對(duì)檢驗(yàn)有較大的幫助。

圖4 跖壓痕隨年齡變化示意圖

四、總結(jié)與展望

立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)可直接用于現(xiàn)場(chǎng)足跡的勘查、檢驗(yàn)工作，為揭露和打擊犯罪提供證據(jù)。立體足跡提取檢驗(yàn)系統(tǒng)降低了復(fù)雜條件下的立體足跡采集難度，降低了對(duì)技術(shù)人員采集經(jīng)驗(yàn)性的要求，為現(xiàn)場(chǎng)大范圍采集提供了方便條件，實(shí)現(xiàn)了立體足跡的數(shù)字化存儲(chǔ)和傳輸，也為立體足跡進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)和檢索系統(tǒng)提供了解決方案。同時(shí)該系統(tǒng)為公安院校教學(xué)部門提供良好的教學(xué)設(shè)備，突破了傳統(tǒng)的教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)足跡的步法特征的科學(xué)認(rèn)識(shí)和特征的測(cè)量自動(dòng)化，操作簡(jiǎn)單，使用方便，大面積推廣更能體現(xiàn)其數(shù)字化的處理優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

［1］吳旭芒，高以群.足跡學(xué)［M］.北京：警官教育出版社，1995.

［2］史力民.足跡學(xué)［M］.北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2009.

［3］劉樹(shù)權(quán).足跡動(dòng)力學(xué)［M］.北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，1990.

［4］王清舉，平西建，王永棟.立體足跡計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.刑事技術(shù)，2003，（5）.