反射變換成像技術(shù)在提取指紋方面的研究

歐依清 李悅 高玎 沈弘光 陸景港

摘 要：指紋是人身同一認定的可靠證據(jù)，又是分析案情揭露犯罪行為的重要依據(jù)，因此，發(fā)現(xiàn)提取現(xiàn)場指紋在刑事偵查中具有重要意義。本文通過實驗研究反射變換成像技術(shù)在提取指紋方面的應用，發(fā)現(xiàn)反射變換成像技術(shù)與傳統(tǒng)攝影技術(shù)相比有著顯著的優(yōu)勢。指紋成像效果更加清晰，層次更加明顯，立體感更加強烈，指紋特征反映更加穩(wěn)定、完整可以不受或降低指紋附著客體表面劃痕、色彩、反光等對指紋的影響。

關(guān)鍵詞：反射變換成像技術(shù) ；提取指紋；紋特征

在刑事偵查過程中，痕跡物證是還原整個案件過程的主要信息，指紋更是重中之重，指紋因其“人各不同、終身基本不變”的特點，被尊為“物證之首”。在公安實踐中，對于現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的一些物體表面的指紋，往往因其附著客體表面光滑，反光能力強或附著客體表面有劃痕、色彩豐富等，導致常規(guī)物證照相無法獲得清晰完整的指紋，給指紋檢驗增加了難度或影響檢驗質(zhì)量。近幾年，一項全新的技術(shù)在物證照相領(lǐng)域蓬勃發(fā)展——反射變換成像技術(shù) （Reflectance Transformation Imaging，簡稱RTI）。本文旨在通過實驗比較來討論RTI技術(shù)與傳統(tǒng)攝影技術(shù)在指紋拍攝方面的一些優(yōu)劣。

一、反射變換成像技術(shù)

反射變換成像技術(shù)（英文全稱Reflectance Transformation Imaging，簡稱RTI）是一種數(shù)字采集的過程，2001年由惠普（Hewlett-Packard）實驗室的研究人員發(fā)明并發(fā)布成果，主要在文物研究方面進行運用【1】。之后，這項技術(shù)在國際研究團隊十幾年來的開發(fā)下不斷改善，目前，國內(nèi)開始使用在文件檢驗方面，尤其是在字跡筆壓方面的效果十分明顯，同時在痕跡方面的法庭科學領(lǐng)域也有了一定的運用，如提取足跡、輪胎痕跡和簽名檢驗、朱墨時序、指紋比對等鑒定領(lǐng)域【2-3】。

反射變換成像是根據(jù)光度立體原理，利用物體表面反射光亮度進行計算，嵌入了多種復雜的處理過程，強化顯現(xiàn)比較微弱的細節(jié)的一種成像技術(shù)。具體為利用數(shù)字計算的方法對物體法向量、顏色、反射模型等信息進行算法變換，利用軟件互動式調(diào)整虛擬光照條件，從而顯現(xiàn)細節(jié)特征。反射變換成像技術(shù)基于數(shù)字攝影和表面反射成像模型（ Lambertian模型和Phone模型）的數(shù)字圖像技術(shù)，通過記錄和處理被攝物體的顏色信息和表面紋理信息，其獲得的影像比單張攝影圖像信息豐富。反射變換成像技術(shù)利用穹頂光源，從多個角度進行照射，從而獲得在不同的入射角度的光源下拍攝的多張圖片，然后使用RTIbuilder軟件用于合成RTI影像，使用RTIViewer軟件觀看并處理RTI文件。

RTIViewer軟件中有三種模式，分別為Default、鏡面反光增強（Specular Enhancement）、法向量可視化（Normal Visualization），可用于處理文件獲得不同效果。Default是軟件默認的渲染模式，可消除反光；鏡面反光增強是交互式展示被攝物在光源不同入射角度照射下的反射光形態(tài)；法向量可視化是顯示被攝物除去顏色信息的三維立體形態(tài)RTI技術(shù)【4】。

二、實驗

（一）實驗設備與材料

1. 實驗設備：主要有佳能700D相機、翻拍架、穹頂自動光源裝置、黑色反射小球、Adobe Photoshop CS6軟件、RTIbuilder軟件、RTIViewer軟件。

2. 實驗材料：主要有金屬杯蓋、不銹鋼制品、透明膠帶、手機等。

（二）實驗樣本制作

用手指均勻蘸取適量油脂，分別在金屬杯蓋、不銹鋼制品、透明膠帶、手機等物體表面形成相應的油脂指紋。

（三）實驗方法

首先將相機格式設置為RAW，然后用快門線連接相機和穹頂自動光源裝置的遙控器，把相機固定在翻拍架上，使鏡頭垂直被拍攝的物體平面。反射小球與被拍攝的主體盡可能在同一平面，保持一定距離，防止投影遮蓋被拍攝主體。遙控器控制穹頂自動光源裝置分別依次從48個位置照射，每一個照射位置拍攝一張照片，共48張照片作為一組，然后使用Adobe Photoshop CS6軟件把每組照片的格式轉(zhuǎn)換為JPEG格式，將轉(zhuǎn)換后的照片導入RTIbuilder軟件合成RTI影像，用RTIViewer軟件進行觀察。

1. 放置好金屬杯蓋，使杯蓋與小球處于同一水平面，拍攝一組杯蓋指紋痕跡。

2. 放置好不銹鋼管，使其有指紋的一面與小球處于同一水平面，拍攝一組不銹鋼指紋痕跡。

3.用黑色背景，將膠帶光滑面朝上放置在背景上，使膠帶與小球處于同一水平面，拍攝一組指紋痕跡。

4. 用黑色背景，將膠帶粘面朝上放置在背景上，使膠帶與小球處于同一水平面，拍攝一組指紋痕跡。

5. 放置好手機，使手機與小球處于同一水平面，拍攝一組手機汗液指紋痕跡。

三、實驗結(jié)果及討論

（一）利用RTI技術(shù)獲得的幾種常見客體上的油脂指紋

1.金屬杯蓋上的油脂指紋

2.不銹鋼管上的油脂指紋

3.透明膠帶光滑面上的油脂指紋

4.膠帶膠（粘）面上的油脂指紋

5.手機液晶顯示屏上的油脂指紋

（二）討論

1金屬杯蓋。圖2為RTIViewer軟件Default模式下得到的圖像，可以明顯地看出消除了圖1中的反光干擾。圖1 因反光而導致了加深客體表面劃痕，影響了圖像清晰程度。利用RTI技術(shù)獲得的圖2，大大減輕了這一干擾。

2.不銹鋼管。不銹鋼管的表面反光效果強，常見攝影技術(shù)拍攝獲得的圖像受反光干擾大，圖4同樣是Default模式下得到的圖像，與圖3相比，消除了反光，但由于客體表面有大量擦痕，成像清晰程度有所影響。

圖5為法向量可視化（Normals Visualization）模式下獲得的圖像，經(jīng)由Adobe Photoshop CS6軟件去色處理，圖像完全去除了客體表面擦痕干擾，同時去色處理后消除了顏色干擾，圖像放大后發(fā)現(xiàn)三維效果清晰，細節(jié)特征如小犁溝中的細點線、紋線的凸凹立體感等處有較好體現(xiàn)。

3.膠帶光面。圖6成像效果差，圖像模糊，從各個角度打光只能看清局部指紋。

圖7為鏡面反光增強（Specular Enhancement）模式下獲得的圖像，經(jīng)不斷調(diào)整Diffuse Color，Specularity，Highlight Size三個參數(shù)的數(shù)值及光照位置，直至獲得最清晰的圖像，再經(jīng)過Adobe Photoshop CS6軟件處理，（圖6中沒能反映出的紋線圖像，在圖7中得到了呈現(xiàn)，且紋線反映較清晰，使指紋圖像更完整）。由于粘貼膠帶失誤，表面出現(xiàn)大大小小不規(guī)則氣泡，掩蓋了部分指紋細節(jié)。

圖8為法向量可視化（Normals Visualization）模式下獲得的圖像，同樣經(jīng)過Adobe Photoshop CS6軟件去色處理，圖像三維效果清晰，成像效果較好，但同樣存在氣泡掩蓋指紋問題。

4.膠帶粘面。由于粘面獲得指紋的過程中會有灰塵沾染，在手指按壓膠帶時膠帶受力不均勻容易變形產(chǎn)生氣泡。故而膠帶粘面的指紋圖像都會有氣泡和灰塵的干擾。圖9，常見攝影技術(shù)獲得的粘面指紋不清晰、殘缺不完整，氣泡灰塵干擾小。

圖10為鏡面反光增強（Specular Enhancement）模式下獲得的圖像，指紋比較完整、清晰，蘊含了更多信息內(nèi)容。氣泡、灰塵也被完整呈現(xiàn)，氣泡破壞指紋信息情況與膠帶光面相比較較輕，氣泡下面的乳突紋線仍然清晰可見。

5.手機液晶顯示屏。圖11手機表面擦劃線條痕跡較多，嚴重影響圖像清晰程度，手機表面的擦劃線條痕跡干擾指紋乳突紋線的完整性、連貫性，影響指紋細節(jié)特征的真實反映。

圖12為法向量可視化（Normals Visualization）模式下獲得的圖像，同樣經(jīng)過Adobe Photoshop CS6軟件去色處理，手機表面的擦劃線條痕跡的干擾明顯減輕，指紋較為清晰，指紋乳突紋線的連貫性、完整性得到了較好反映，當劃痕較為粗大、明顯時，仍有部分指紋乳突紋線會有缺失。但整體而言，指紋圖像質(zhì)量有明顯提高。

（三）結(jié)論

經(jīng)過以上幾組實驗，對比發(fā)現(xiàn)RTI技術(shù)在提取客體表面的指紋時有以下優(yōu)點：

1.RTI技術(shù)利用的是穹頂光源，對客體多個角度照射，拍攝不同角度光照下的客體。這一過程不會對被攝物體（對光線敏感的物質(zhì)除外）造成損壞，這樣在從物體上獲取指紋時可以使物體保存完好，物體上的指紋不被破壞，可重復多次取證，提高物證的利用率。

2.通過實驗的對比可以看出，從反光能力較差的客體上，RTI技術(shù)獲得的指紋圖像比普通照相法獲得的指紋更加完整清晰。RTI技術(shù)能夠綜合處理不同角度拍攝的照片，創(chuàng)建出更加直觀的三維圖像，獲得的指紋圖像更有立體感，蘊含了更多信息。

3.利用RTI不同的模式，可以處理不同類型的客體上的指紋，獲得效果更好的指紋圖像。對于金屬表面，普通拍攝需要通過配光減少反光干擾，然而往往不能保證完全消除反光干擾。而RTI技術(shù)的一大優(yōu)勢就在于，RTI影像為數(shù)字合成影像，能夠完全消除反光干擾。

4.由于承載指紋的客體表面往往會有擦痕、劃痕之類的干擾，用普通拍攝很難消除這些干擾，甚至因為配光角度的問題，有時候會加深這些痕跡的影響，使用RTI技術(shù)，能很大程度上消除和減輕這些干擾。

四、結(jié)語

通過以上實驗，對比傳統(tǒng)攝影技術(shù)與RTI技術(shù)在拍攝指紋方面的效果來看，RTI技術(shù)使得指紋成像效果更加清晰，層次更加明顯，立體感更加強烈?？梢圆皇芑蚪档椭讣y附著客體表面劃痕、反光對指紋的影響。實驗研究證明RTI技術(shù)確實在指紋提取方面有絕對的優(yōu)勢，此外RTI技術(shù)的配套設備攜帶方便，軟件操作簡單，便于偵察人員學習使用。

然而，反射變換成像技術(shù)也有其局限性，其對客觀的條件要求較高，目前只能用于物體表面的拍攝觀察，對于那些立體物體的表面痕跡，只能將其固定在某一位置進行拍攝，實驗條件苛刻，并且軟件操作和電腦安裝環(huán)境要求較高，需要進一步的改進和發(fā)展，但RTI技術(shù)無疑在痕跡檢驗方面有重要應用。

參考文獻：

[1] http：//www.hpl.hp.com/research/ptm.

[2] http：//en.wikipedia.org/wiki/Polynomial_texture_mapping.

[3] MalzbenderT， WilburnB， GelbD， AmbriscoB. Surface Enhancement Using Real-time Photometric Stereo and Reflectance Transformation. In： Proceedings of the European Symposium on Rending， 2006：245250.

[4]劉寧. 運用反射變換成像技術(shù)顯現(xiàn)黑色簽名字跡書寫筆壓[J].警察技術(shù)，2015（5）：32-34.