尋找指紋比對(duì)過(guò)程中細(xì)節(jié)特征的最佳相對(duì)密度

李 康 蔣永毅 孟天卓 李金龍

（1 浙江警察學(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)系 浙江 杭州 310053；2 桐鄉(xiāng)市公安局刑事科學(xué)技術(shù)室 浙江 嘉興 314500）

1 引言

一般情況下，在標(biāo)注指紋細(xì)節(jié)特征時(shí)遵循特征點(diǎn)宜集中不宜分散的原則[1-2]。但在實(shí)際工作中局部特征點(diǎn)過(guò)于集中或過(guò)于分散，會(huì)對(duì)指紋查詢比對(duì)造成不利影響，因此，探索最適宜的特征分布情況對(duì)指紋查詢比對(duì)工作有著很好的實(shí)戰(zhàn)意義。本文主要通過(guò)對(duì)指紋特征點(diǎn)相對(duì)密度的研究來(lái)對(duì)其分布情況進(jìn)行考查，歸納總結(jié)出最佳的特征點(diǎn)密度值或分布情況，以期對(duì)指紋查詢實(shí)戰(zhàn)破案起到良好的促進(jìn)作用。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要儀器設(shè)備和材料

計(jì)算機(jī)（公安網(wǎng)專用）、高性能服務(wù)器、北大高科指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)PU-AFIS 3.2版、Photoshop（ps5）軟件、指紋信息管理系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)指紋。

2.2 實(shí)驗(yàn)樣本選取

在省級(jí)現(xiàn)場(chǎng)指紋庫(kù)中隨機(jī)抽樣選取100枚指紋，且均可以在目標(biāo)捺印庫(kù)中比中相應(yīng)的捺印指紋。指紋特征點(diǎn)的選取主要遵循清晰、穩(wěn)定、不變形的原則，保證實(shí)驗(yàn)的可靠性。為此，選取條件相對(duì)較好的現(xiàn)場(chǎng)指紋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且特征點(diǎn)最好以指紋中心部位清晰、完整、不變形為佳。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)主要采用控制變量法來(lái)進(jìn)行，就是為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，需要排除實(shí)驗(yàn)中其他的影響因素，分別對(duì)指紋紋型標(biāo)注與否、中心點(diǎn)范圍以及三角區(qū)域范圍在不改變其他已編輯特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上，分別保證特征點(diǎn)數(shù)量不變和覆蓋面積不變，改變其它對(duì)應(yīng)變量，從而改變指紋特征點(diǎn)的相對(duì)密度。

2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

首先，對(duì)實(shí)驗(yàn)中可能存在的影響因素進(jìn)行排除，保證實(shí)驗(yàn)中變量的單一性，主要是指指紋紋型有無(wú)標(biāo)注，三角特征是否標(biāo)注，中心點(diǎn)的范圍大小等。

其次，在排除其他因素影響的基礎(chǔ)上，對(duì)指紋相同區(qū)域面積內(nèi)特征點(diǎn)數(shù)量不同對(duì)比對(duì)結(jié)果的影響進(jìn)行研究。在每個(gè)樣本中分別選取8個(gè)特征點(diǎn)、10個(gè)特征點(diǎn)、12個(gè)特征點(diǎn)、14個(gè)特征點(diǎn)、16個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行不同分布面積的編輯，保證不同特征點(diǎn)數(shù)量整體覆蓋面積相同。再通過(guò)Photoshop軟件，分別標(biāo)記所對(duì)應(yīng)面積，分別為8mm×8mm、10mm×10mm、12mm×12mm、14mm×14mm的正方形。編輯好指紋后發(fā)送查詢，比對(duì)候選對(duì)象為100，并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

再次，在排除其他因素影響的基礎(chǔ)上，對(duì)指紋不同區(qū)域面積內(nèi)特征點(diǎn)數(shù)量相同對(duì)比對(duì)結(jié)果的影響進(jìn)行研究。覆蓋面積選取為8mm×8mm 、9mm×9mm 、10mm×10mm 、11mm×11mm 、12mm×12mm 進(jìn)行特征點(diǎn)數(shù)量不同的編輯。不同特征點(diǎn)數(shù)量選取為10個(gè)、12個(gè)、14個(gè)、16個(gè)，編輯好指紋后發(fā)送查詢。

最后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，得出結(jié)論。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中影響因素的排除研究

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出，在編輯指紋特征時(shí)，中心點(diǎn)和三角區(qū)域的標(biāo)注及其范圍的大小對(duì)比對(duì)結(jié)果是有影響的[3]，但主要都是體現(xiàn)在比對(duì)的時(shí)間方面。具體而言就是紋型的選定與否對(duì)比對(duì)結(jié)果沒(méi)有影響，只是時(shí)間上存在一定的差異。但是錯(cuò)標(biāo)會(huì)導(dǎo)致漏查而無(wú)法比中。適當(dāng)標(biāo)注指紋的中心點(diǎn)范圍和三角區(qū)域，可以提高指紋的查中概率，但是標(biāo)注與否對(duì)比對(duì)結(jié)果無(wú)影響，也僅僅是比對(duì)時(shí)間上的差異。具體結(jié)果如表1、表2、表3所示。

表1 紋型標(biāo)注與否的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 修改指紋中心范圍的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 修改指紋三角范圍的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

因此，在后續(xù)的特征點(diǎn)分布情況實(shí)驗(yàn)研究中，采取只標(biāo)注指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)，不標(biāo)注紋型、三角以及中心點(diǎn)，使得對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響因素只控制在特征點(diǎn)的數(shù)量和分散程度上，確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3.2 指紋相同區(qū)域面積內(nèi)特征點(diǎn)數(shù)量不同對(duì)比對(duì)結(jié)果的影響研究

通過(guò)對(duì)所選取的100枚指紋的編輯后發(fā)送查詢，分析相同覆蓋面積內(nèi)不同特征點(diǎn)數(shù)量對(duì)比對(duì)結(jié)果的影響。在此，選取指紋編號(hào)為330000000020170222701的指紋為例進(jìn)行描述，實(shí)驗(yàn)所用覆蓋面積為邊長(zhǎng)10mm方形區(qū)域，如圖1。

圖1 面積一定，特征點(diǎn)個(gè)數(shù)不同情況下的比較圖

選取100枚指紋全部發(fā)送比對(duì)后具有代表性的部分比對(duì)結(jié)果如表4所示。

表4 面積大小一定時(shí)，不同特征點(diǎn)個(gè)數(shù)的比較結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得出，當(dāng)特征點(diǎn)相對(duì)密度維持在0.14個(gè)/mm2（±0.02）時(shí)，得分、排名和查中概率的綜合情況最好，是最佳的特征點(diǎn)的最佳分布情況。當(dāng)相對(duì)密度值不在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，無(wú)論是大于還是小于該最佳值時(shí)，得分、排名和查中概率均會(huì)有不同程度的降低。當(dāng)不同實(shí)驗(yàn)組中的特征點(diǎn)相對(duì)密度小于0.08時(shí)，查中概率普遍偏低，且當(dāng)相對(duì)密度在0.07及以下時(shí)，均不能比中指紋。

當(dāng)所標(biāo)注的特征點(diǎn)過(guò)于密集，相對(duì)于捺印指紋的特征集就會(huì)顯得比較片面。當(dāng)可標(biāo)記區(qū)域面積比較小時(shí)，而且又將指紋的特征點(diǎn)編輯的比較密集，會(huì)使特征點(diǎn)區(qū)域?qū)τ谡麄€(gè)捺印指紋而言相對(duì)較小，在這個(gè)小區(qū)域范圍內(nèi)，出現(xiàn)相似特征點(diǎn)分布的可能性非常大，甚至一些紋型都不一樣的指紋因?yàn)榫植刻卣鞣植枷嗨贫琶壳?，從而影響到正確指紋的得分和排名。

3.3 指紋不同區(qū)域面積內(nèi)特征點(diǎn)數(shù)量相同對(duì)比對(duì)結(jié)果的影響研究

通過(guò)對(duì)所選取的1 0 0枚指紋的編輯后發(fā)送查詢，分析相同覆蓋面積內(nèi)不同特征點(diǎn)數(shù)量對(duì)比對(duì)結(jié)果的影響。本實(shí)驗(yàn)以指紋編號(hào)為330000000020170223201為例進(jìn)行說(shuō)明，其特征點(diǎn)個(gè)數(shù)為14個(gè)，如圖2。

圖2 不同覆蓋面積正方形示意圖

選取100枚指紋全部發(fā)送比對(duì)后具有代表性的部分比對(duì)結(jié)果如表5所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出當(dāng)特征點(diǎn)相對(duì)密度維持在0.14個(gè)/mm2（±0.02）時(shí)，得分、排名以及查中概率最佳，綜合情況最好，是最佳的特征點(diǎn)的最佳分布情況。若超出這個(gè)范圍，得分、排名以及查中概率都會(huì)有不同程度的降低，甚至無(wú)法比中指紋，造成漏查的現(xiàn)象。

出現(xiàn)漏查現(xiàn)象的原因，從原理上來(lái)說(shuō)主要是因?yàn)橹讣y自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)指紋的特征與捺印指紋特征來(lái)進(jìn)行比對(duì)分析，在這個(gè)匹配區(qū)域內(nèi)首先找到最為匹配的一個(gè)特征點(diǎn)，然后以這個(gè)特征點(diǎn)為基礎(chǔ)，逐級(jí)向周圍擴(kuò)散，一一對(duì)應(yīng)尋找互相匹配的特征點(diǎn)。尋找最為匹配特征點(diǎn)的原則是根據(jù)特征定位從現(xiàn)場(chǎng)指紋對(duì)應(yīng)到捺印指紋上的相對(duì)位置，但是在這個(gè)相對(duì)位置的陰影區(qū)域面積內(nèi)，可以得到的相似指紋特征點(diǎn)有N個(gè)（N≥1），得出這N個(gè)候選特征點(diǎn)之后，還要進(jìn)行唯一匹配特征，就是在所得的特征相對(duì)區(qū)域內(nèi)，選取最合適的特征點(diǎn)，倘若指紋特征點(diǎn)過(guò)密，使N的數(shù)值變大，會(huì)在確定唯一特征點(diǎn)的過(guò)程中容易出現(xiàn)差錯(cuò)點(diǎn)，如果多次出現(xiàn)這樣錯(cuò)誤的匹配特征，就會(huì)很容易對(duì)指紋得分、排名和查中概率產(chǎn)生不利影響[4-6]。

表5 特征點(diǎn)個(gè)數(shù)一定時(shí)，不同覆蓋面積的比較結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)指紋特征點(diǎn)相對(duì)密度在0.14個(gè)/mm2（±0.02）時(shí)，指紋比對(duì)的得分、排名和查中概率等結(jié)果指標(biāo)均比較靠前，即相對(duì)密度0.14個(gè)/mm2（±0.02）是最佳的特征點(diǎn)分布情況，選擇最佳的特征點(diǎn)分布情況將很好地提高指紋的比中率，并不是指紋特征點(diǎn)越集中越好。在實(shí)際公安工作中，為了達(dá)到這樣的特征點(diǎn)相對(duì)密度，以一定的區(qū)域?yàn)槔趨^(qū)域面積內(nèi)飽和特征點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)刪減部分特征點(diǎn)使得特征點(diǎn)分布相對(duì)適中，來(lái)提高指紋的比中率。但需要注意的是，在現(xiàn)場(chǎng)指紋可標(biāo)特征點(diǎn)個(gè)數(shù)較多的情況下，若為殘缺指紋特征點(diǎn)個(gè)數(shù)原本就少時(shí)不適宜此方法。

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