手印顯現(xiàn)選擇性的量化研究

于海峰， 沈敦璞， 鞠金晟， 王 猛,2*

(1. 中國刑事警察學(xué)院 痕跡檢驗(yàn)技術(shù)系， 遼寧 沈陽 110035； 2. 痕跡檢驗(yàn)鑒定技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽 110035)

手紋具有人各不同的特定性、終身不變的穩(wěn)定性、觸物留痕的反映性，為人身同一認(rèn)定提供了可靠的保障[1]。手紋遺留在客體表面的鏡像印痕被稱為手印。一直以來，手印被廣泛應(yīng)用于刑事偵查、刑事技術(shù)等領(lǐng)域，有著“證據(jù)之首”的美譽(yù)。在犯罪現(xiàn)場，遺留的手印類型通常為潛在手印，即不能被肉眼直接觀察到的手印[2]。而如何通過特定的顯現(xiàn)方法將潛在手印轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢娛钟?，則成為手印應(yīng)用的重點(diǎn)所在，手印顯現(xiàn)技術(shù)由此迅速發(fā)展[3]。手印顯現(xiàn)的基本原理是通過物理或化學(xué)等手段，在手印與客體之間形成肉眼可見或儀器可辨的對比反差[4]。

通常，被廣泛運(yùn)用于公安實(shí)踐的傳統(tǒng)手印顯現(xiàn)技術(shù)有粉末顯現(xiàn)法、502熏染顯現(xiàn)法、四甲基聯(lián)苯胺顯現(xiàn)法、氨基黑10B顯現(xiàn)法、DFO顯現(xiàn)法等。隨著科技的發(fā)展，新興的手印顯現(xiàn)技術(shù)也嶄露頭角，如納米顯現(xiàn)技術(shù)[5-7]、電化學(xué)顯現(xiàn)技術(shù)[8]、波譜成像技術(shù)[9]等。近年來，研究人員對手印顯現(xiàn)技術(shù)的研究主要集中在手印顯現(xiàn)新材料的開發(fā)和手印顯現(xiàn)新方法的建立，而對手印顯現(xiàn)效果的衡量與評價(jià)卻很少涉及[10-14]。目前，文獻(xiàn)中多采用主觀、片面、定性的表述來衡量手印顯現(xiàn)的效果，缺乏科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。2017年，本課題組Wang等[15]首次提出了用于衡量和評價(jià)手印顯現(xiàn)效果的三個(gè)指標(biāo),即對比度(contrast)、靈敏度(sensitivity)、選擇性(selectivity)，但并未對以上定性評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行具體量化。開展手印顯現(xiàn)效果的定量評價(jià)研究，對證據(jù)的評估與選擇等方面將會(huì)產(chǎn)生較為深遠(yuǎn)的意義。鑒于此，本研究在提出手印顯現(xiàn)評價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展手印顯現(xiàn)選擇性的量化方法研究。首先，提出手印顯現(xiàn)選擇性的計(jì)算方法；然后，分別以氨基黑10B顯現(xiàn)法、502熏染顯現(xiàn)法為例，驗(yàn)證計(jì)算方法的可行性；最后，以粉末顯現(xiàn)法為例，歸納總結(jié)影響手印顯現(xiàn)選擇性的主要因素。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試劑

紫外燈(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，沈陽)；Nikon D810型單反數(shù)碼相機(jī)(配Nikkor AF-S VR MICRO 105mm f/2.8G IF-ED型微距鏡頭，日本Nikon株式會(huì)社)。

青銅粉(金粉)、黑色磁性粉、綠色熒光粉、502粘合劑、氨基黑10B，以上顯現(xiàn)試劑購自于北京芬格爾安科技有限責(zé)任公司。

1.2 手印顯現(xiàn)與拍照

采用粉末刷顯法、磁性粉刷顯法、502濾紙貼附熏顯法、氨基黑10B染色法分別對潛在手印進(jìn)行顯現(xiàn)。對于綠色熒光粉顯現(xiàn)的手印，需在254 nm紫外光照射的暗場條件下進(jìn)行拍照，拍攝參數(shù)為：手動(dòng)模式，光圈值f/10，曝光時(shí)間2 s，感光度500；對于其他方法顯現(xiàn)的手印，可在自然光照射的明場條件下進(jìn)行拍照，拍攝參數(shù)為：光圈優(yōu)先模式，光圈值f/10，感光度500。

1.3 選擇性定量方法

1.3.1照片處理

將彩色圖像在軟件Adobe Photoshop中進(jìn)行黑白處理，得到黑白圖像。當(dāng)乳突紋線所對應(yīng)的灰度值低于小犁溝所對應(yīng)的灰度值時(shí)，如磁性粉顯現(xiàn)、金粉顯現(xiàn)、氨基黑10B顯現(xiàn)等情況，需進(jìn)一步將黑白圖像進(jìn)行反相處理。

1.3.2灰度分析

正置手印圖像，將手印圖像按照紋線的流向大致平均分為若干區(qū)域。將手印圖像導(dǎo)入軟件Image J中，使用Straight Line工具將直線穿越于單個(gè)區(qū)域內(nèi)的乳突紋線及小犁溝部位，穿越線方向盡量與紋線流向方向垂直，被穿越乳突紋線及小犁溝的數(shù)目需盡可能多于10條。需要指出的是，穿越線的數(shù)目越多、被穿越乳突紋線及小犁溝的數(shù)目越多，手印整體顯現(xiàn)選擇性的計(jì)算值就越準(zhǔn)確，在實(shí)際計(jì)算中可根據(jù)具體需求靈活掌握。再使用Analyze菜單下的Plot Profile工具得到被穿越的乳突紋線與小犁溝之間的灰度曲線，其中波峰對應(yīng)于乳突紋線，波谷對應(yīng)于小犁溝。

1.3.3軟件計(jì)算

將灰度曲線導(dǎo)入軟件Origin中，依據(jù)乳突紋線與小犁溝的圖像，并結(jié)合灰度曲線，對波峰和波谷進(jìn)行逐個(gè)劃分，再使用Integration工具分別對波峰和波谷進(jìn)行積分，得到對應(yīng)的面積。

1.3.4量化公式

手印局部顯現(xiàn)選擇性Local Selectivity的計(jì)算公式如下：

式中，SA為波峰的總面積、SAi為單個(gè)波峰的面積，SB為波谷的總面積、SBi為單個(gè)波谷的面積，n為局部乳突紋線(小犁溝)的數(shù)目。

手印整體顯現(xiàn)選擇性Total Selectivity的計(jì)算公式如下：

式中，m為穿越線的數(shù)目。

2 結(jié)果與討論

2.1 方法的建立

手印顯現(xiàn)的選擇性是指手印顯現(xiàn)試劑與手印遺留物質(zhì)之間的特異性結(jié)合程度。手印顯現(xiàn)在理論上應(yīng)表現(xiàn)為手印顯現(xiàn)試劑只與手印遺留物質(zhì)(乳突紋線)結(jié)合，而不與客體背景(小犁溝)結(jié)合。反映在灰度圖像上，波峰對應(yīng)于乳突紋線，波谷對應(yīng)于小犁溝。兩者灰度值之間的對比差異程度越大，手印顯現(xiàn)試劑與手印遺留物質(zhì)之間的特異性結(jié)合程度越高，手印顯現(xiàn)的選擇性就越高。因此，可對波峰及波谷進(jìn)行分別積分，通過兩者之間的面積比來定量評價(jià)手印顯現(xiàn)的選擇性。

2.2 方法的驗(yàn)證

本研究選取兩種典型的手印顯現(xiàn)方法——502熏染顯現(xiàn)法及氨基黑10B顯現(xiàn)法，分別驗(yàn)證手印顯現(xiàn)選擇性量化方法的可行性。前者是針對乳突紋線圖像灰度值高于小犁溝圖像灰度值的情況，后者是針對乳突紋線圖像灰度值低于小犁溝圖像灰度值的情況。

2.2.1通過502熏染顯現(xiàn)法驗(yàn)證

如圖1所示，經(jīng)502熏染顯現(xiàn)法處理黑色瓷磚表面的潛在手印，其乳突紋線為白色、小犁溝為黑色，乳突紋線的灰度值高于小犁溝的灰度值，因此可將黑白處理的手印圖像直接進(jìn)行灰度分析。從視覺角度定性分析，b區(qū)域?qū)?yīng)的選擇性最高，a、c區(qū)域次之，d區(qū)域最低，這是由于某些部位的乳突紋線并未被502膠熏染，導(dǎo)致手印顯現(xiàn)的選擇性降低。

如圖2所示，從灰度曲線定量分析，小犁溝部位并未沾染502膠，波谷基線位置比較平穩(wěn)且灰度值較低；某些部位的乳突紋線并未被502膠熏染(曲線d)，某些部位受乳突紋線細(xì)節(jié)特征及紋線寬度的影響(曲線a、c)，導(dǎo)致部分波峰的灰度值較低，進(jìn)而影響了手印顯現(xiàn)的選擇性。經(jīng)分析計(jì)算，區(qū)域a的選擇性為4.19、區(qū)域b的選擇性為6.26、區(qū)域c的選擇性為4.30、區(qū)域d的選擇性為3.04。因此經(jīng)502膠熏染顯現(xiàn)黑色瓷磚表面潛在手印的整體選擇性為4.45。綜上所述，視覺角度定性分析與灰度曲線定量分析的結(jié)果相一致。

2.2.2通過氨基黑10B顯現(xiàn)法驗(yàn)證

如圖3所示，經(jīng)氨基黑10B顯現(xiàn)法處理白色瓷磚表面的潛在手印，其乳突紋線為藍(lán)色、小犁溝為白色，小犁溝的灰度值高于乳突紋線的灰度值，因此需將黑白處理的手印圖像進(jìn)行反相處理后再進(jìn)行灰度分析。從視覺角度定性分析，4個(gè)區(qū)域的乳突紋線被氨基黑10B染色的程度基本相同，因此4個(gè)區(qū)域手印顯現(xiàn)的選擇性基本一致。

圖1 經(jīng)502熏染顯現(xiàn)黑色瓷磚表面潛在手印的圖像其中a～d為使用Straight Line工具選取的穿越線Image of fingerprint deposited on black ceramic and then developed by super glue fuming methodCrossing lines a-d are selected by Straight Line tool

圖2 經(jīng)502熏染顯現(xiàn)黑色瓷磚表面潛在手印的灰度分析其中a～d為使用Straight Line工具選取的穿越線Gray analysis of fingerprint deposited on black ceramic and then developed by super glue fuming methodCrossing lines a-d are selected by Straight Line tool

圖3 經(jīng)氨基黑10B顯現(xiàn)白色瓷磚表面潛在手印的圖像其中a～d為使用Straight Line工具選取的穿越線Image of fingerprint deposited on white ceramic and then developed by Amino Black 10B methodCrossing lines a-d are selected by Straight Line tool

如圖4所示，從灰度曲線定量分析，小犁溝部位均被氨基黑10B染色，波谷基線位置相對平穩(wěn)且灰度值較高；某些部位受乳突紋線細(xì)節(jié)特征及紋線寬度的影響，導(dǎo)致部分波峰的灰度值較低，進(jìn)而影響了手印顯現(xiàn)的選擇性。經(jīng)分析計(jì)算，區(qū)域a的選擇性為0.96、區(qū)域b的選擇性為1.59、區(qū)域c的選擇性為1.21、區(qū)域d的選擇性為0.97。因此經(jīng)氨基黑10B顯現(xiàn)白色瓷磚表面潛在手印的整體選擇性為1.18。綜上所述，視覺角度定性分析與灰度曲線定量分析的結(jié)果相一致。

圖4 經(jīng)氨基黑10B顯現(xiàn)白色瓷磚表面潛在手印的灰度分析其中a～d為使用Straight Line工具選取的穿越線Gray analysis of fingerprint deposited on white ceramic and then developed by Amino Black 10B methodCrossing lines a-d are selected by Straight Line tool

2.3 手印顯現(xiàn)選擇性的影響因素

上述研究表明，該手印顯現(xiàn)選擇性的定量評價(jià)方法是可行的，并且手印顯現(xiàn)選擇性受顯現(xiàn)試劑和客體性質(zhì)的共同影響。本研究以粉末顯現(xiàn)法為例，討論手印顯現(xiàn)選擇性的影響因素。

2.3.1顯現(xiàn)試劑的影響

本研究選取白色瓷磚為承痕客體，分別采用磁性粉、金粉、熒光粉吸附，手印顯現(xiàn)效果見圖5,熒光粉與小犁溝產(chǎn)生嚴(yán)重吸附。粉末吸附能力過強(qiáng)會(huì)引起粉末與小犁溝產(chǎn)生非特異性吸附，導(dǎo)致手印顯現(xiàn)選擇性的降低。由表1可知，采用磁性粉顯現(xiàn)手印的選擇性最高(1.79)，金粉顯現(xiàn)手印的選擇性次之(1.44)，熒光粉顯現(xiàn)手印的選擇性最低(1.38)。

2.3.2客體性質(zhì)的影響

本研究選取磁性粉為顯現(xiàn)試劑，分別對銅版紙、普通打印紙、濾紙表面的潛在手印進(jìn)行顯現(xiàn)，研究客體性質(zhì)對顯現(xiàn)選擇性的影響,手印顯現(xiàn)效果見圖6。銅版紙的表面較為光滑，不易與粉末吸附；普通打印紙的表面粗糙程度一般，能夠與粉末吸附；濾紙的表面較為粗糙，易與粉末吸附。從圖6可以看出，磁性粉均與乳突紋線產(chǎn)生了良好的吸附。磁性粉末與銅版紙基本不產(chǎn)生吸附(圖6A)，與普通打印紙產(chǎn)生部分吸附(圖6B)，與濾紙產(chǎn)生嚴(yán)重吸附(圖6C)?？腕w表面的粗糙程度過大會(huì)引起粉末與小犁溝產(chǎn)生非特異性吸附，導(dǎo)致手印顯現(xiàn)選擇性的降低。

圖5 經(jīng)磁性粉(A)、金粉(B)、熒光粉(C)顯現(xiàn)白色瓷磚表面潛在手印的圖像其中a～d為使用Straight Line工具選取的穿越線Image of fingerprint deposited on white ceramic and then developed by magnetic powders (A), bronze powders (B), and fluorescent powders (C) method, respectivelyCrossing lines a-d are selected by Straight Line tool

顯現(xiàn)方法區(qū)域選擇性abcd整體選擇性磁性粉顯現(xiàn)法1.692.461.611.411.79金粉顯現(xiàn)法1.271.871.311.311.44熒光粉顯現(xiàn)法1.011.601.441.611.38

圖6 經(jīng)磁性粉顯現(xiàn)銅版紙(A)、普通打印紙(B)、濾紙(C)表面潛在手印的圖像其中a～d為使用Straight Line工具選取的穿越線Image of fingerprint deposited on art print paper (A), common print paper (B), filter paper (C), and then developed by magnetic powders, respectivelyCrossing lines a-d are selected by Straight Line tool

由表2可以看出，銅版紙表面的手印顯現(xiàn)選擇性最高(2.59)，普通打印紙表面的手印顯現(xiàn)選擇性次之(2.04)，濾紙表面的手印顯現(xiàn)選擇性最低(2.02)。

3 結(jié)論

本研究在提出手印顯現(xiàn)選擇性概念的基礎(chǔ)上，開展了手印顯現(xiàn)選擇性的量化方法研究。建立了基于手印圖像的灰度曲線分析方法，確定了手印顯現(xiàn)選擇性的量化方法，即灰度曲線的波峰(對應(yīng)乳突紋線)與波谷(對應(yīng)小犁溝)積分的比值，并驗(yàn)證了該量化方法的可行性；研究了手印顯現(xiàn)選擇性的主要影響因素，即顯現(xiàn)試劑與客體性質(zhì)。該研究有望為證據(jù)的評估與選擇提供有益的參考。

表2 在不同客體表面的手印顯現(xiàn)選擇性定量分析