利用壓力測(cè)試紙檢驗(yàn)足跡的形態(tài)學(xué)方法研究

張恩偉，朱珂祺

（遼寧警察學(xué)院 刑事科學(xué)技術(shù)系，遼寧 大連 116036）

隨著刑事科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，指紋、DNA、人像等技術(shù)都配備了基于人體生物特征的自動(dòng)身份識(shí)別信息系統(tǒng)，利用上述自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)開展案件偵查、嫌疑人追捕等工作都取得了顯著的效果。[1]不同人的足跡人體生物特征，同樣具有一定的規(guī)律性和相對(duì)的穩(wěn)定性，但沒有實(shí)現(xiàn)“同腳不同鞋”的自動(dòng)識(shí)別，僅實(shí)現(xiàn)了鞋印花紋的自動(dòng)識(shí)別。壓力測(cè)試紙能夠測(cè)試零件吻合壓力，將其應(yīng)用到足跡檢驗(yàn)鑒定中能夠直觀地將足跡壓力點(diǎn)、壓力面顯現(xiàn)出來。本文試圖探索科學(xué)有效的用壓力測(cè)試紙顯現(xiàn)足跡壓力點(diǎn)、壓力面的方法，并探究壓力和鞋底橡膠損耗、灰塵鞋印上濃淡區(qū)域之間的相關(guān)性，從而解決現(xiàn)場(chǎng)遺留足跡不會(huì)隨著換鞋而失去證據(jù)價(jià)值的難題，力爭(zhēng)在足跡檢驗(yàn)認(rèn)定人身方面拓寬檢驗(yàn)鑒定范圍。

一、足跡壓力檢測(cè)工具

常見的足跡壓力點(diǎn)、壓力面檢測(cè)工具有壓力測(cè)量墊、壓力平臺(tái)、壓力探針、電子足印儀等。壓力測(cè)量墊通常由感應(yīng)器陣列組成，可以測(cè)量足底在不同區(qū)域的壓力分布，包括F-Scan、Matscan和Pedar 等。壓力平臺(tái)是一種帶有感應(yīng)器的平板，測(cè)試者可以站立或行走在上面，測(cè)量足底的壓力分布，包括Emed、Rsscan 和Novel 等。壓力探針是一種小型傳感器，可以精確測(cè)量足底特定區(qū)域的壓力，壓力探針通常用于研究特定區(qū)域的足底壓力分布，如足弓區(qū)域或足趾區(qū)域。電子足印儀通過掃描足底的形狀和壓力分布來獲取足跡信息，可以提供足弓高度、足底壓力分布等參數(shù)。這些工具大多常用于醫(yī)學(xué)臨床實(shí)踐中下肢足部矯正和運(yùn)動(dòng)損傷檢測(cè)，應(yīng)用于足跡檢驗(yàn)鑒定的很少，主要原因是價(jià)格昂貴。

壓力測(cè)試紙，又叫感壓紙、感壓膜，是一種特殊的紙張，其涂層可以根據(jù)外部施加的壓力產(chǎn)生顏色變化或形成印記，這種紙張?jiān)谠S多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域，壓力測(cè)試紙被用于體溫、血壓和心率測(cè)量等醫(yī)療設(shè)備中，可以通過檢測(cè)和記錄施加在紙張上的壓力變化來獲得相關(guān)的生理參數(shù)；在工程和制造領(lǐng)域，壓力測(cè)試紙常用于測(cè)量和分析接觸壓力分布，例如在液壓系統(tǒng)中，使用壓力測(cè)試紙來測(cè)量密封性能和壓力分布；在藝術(shù)和設(shè)計(jì)領(lǐng)域，壓力測(cè)試紙被藝術(shù)家和設(shè)計(jì)師用于創(chuàng)作和表達(dá)，通過施加壓力可以在紙張上產(chǎn)生獨(dú)特的紋理、圖案和顏色變化；在教育和娛樂領(lǐng)域，壓力測(cè)試紙用于繪畫和書寫教學(xué)中，可以通過觸點(diǎn)壓力來教授正確的書寫姿勢(shì)和手勢(shì)；在安全和防偽領(lǐng)域，壓力測(cè)試紙被用于制造安全密封標(biāo)簽和防偽產(chǎn)品，通過施加壓力可以觸發(fā)特定的顏色變化或印記，以確保產(chǎn)品的真實(shí)性和安全性。

壓力測(cè)試紙的外形和結(jié)構(gòu)類似于膠片，由兩張構(gòu)成，透明紙用于染色，半透明紙用于承載。在承載紙基底上密密麻麻排列了很多看不見的微型膠囊，膠囊內(nèi)填充了色料，使用時(shí)將兩張紙粗糙面對(duì)疊后平置于地面進(jìn)行測(cè)試。壓力測(cè)試紙根據(jù)壓力值分為不同類型，配有色卡，0.3～1.3兆帕適用于足跡壓力測(cè)量。

使用壓力測(cè)試紙要考慮施壓時(shí)的溫度及濕度，根據(jù)溫濕度條件選擇相應(yīng)的壓力密度曲線來對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)色樣，識(shí)別顏色密度值，查找對(duì)應(yīng)的壓力值。壓力測(cè)試紙非常敏感，使用前不要按壓摩擦，里面的顯色物質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間接觸會(huì)引起皮膚過敏，建議戴手套操作，同時(shí)還要防止水、油等異物污染壓力測(cè)試紙。

二、實(shí)驗(yàn)樣本采集

隨機(jī)選取實(shí)驗(yàn)對(duì)象20 名，每人正常行走在壓力測(cè)試紙上，提取4 枚同腳赤足跡、4 枚同腳穿皮鞋足跡，足跡呈現(xiàn)洋紅色，將圖像用Canoscan 9000F MarkⅡ掃描儀錄入計(jì)算機(jī)，分辨率采用300 像素，掃描時(shí)放置比例尺和色卡。

在硬質(zhì)地面，壓力測(cè)試紙采集的赤足跡只顯示受壓區(qū)域圖像，足跡整體范圍縮小，弓區(qū)變淡，不像油墨捺印對(duì)于邊緣微小壓力區(qū)域也顯示。足跡后跟后緣出現(xiàn)磕痕，后跟區(qū)域從后向前出現(xiàn)條帶狀濃淡現(xiàn)象，反映出動(dòng)態(tài)落足時(shí)力的滾動(dòng)性，重壓部位依次出現(xiàn)在拇趾區(qū)、第一跖區(qū)、第四趾、小趾以及第二跖區(qū)，拇趾和第二趾前緣出現(xiàn)耠痕，如圖1 所示。

圖1 壓力測(cè)試紙采集的赤足跡

在硬質(zhì)地面，壓力測(cè)試紙采集的皮鞋足跡邊緣出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，整體范圍比油墨采集縮小，內(nèi)部花紋變淡，區(qū)域顏色深淺變化明顯，重壓區(qū)顯示明顯，這是壓力測(cè)試紙優(yōu)于油墨采集的關(guān)鍵所在，如圖2 所示。

圖2 壓力測(cè)試紙采集的皮鞋足跡

鞋底橡膠損耗分為擠壓損耗與摩擦損耗。擠壓對(duì)鞋底花紋造成垂直斷裂狀損耗，花紋變細(xì)，但是花紋線條還存在；摩擦對(duì)鞋底花紋造成橫向切斷狀損耗，花紋徹底消失，會(huì)使區(qū)域變光滑，如圖3 所示。

圖3 皮鞋橡膠底損耗照片

鞋底橡膠損耗區(qū)域判別分析主要尋找由垂直擠壓形成的區(qū)域，因?yàn)椴杉某嘧?、皮鞋壓力圖中力的方向主要來自于垂直擠壓?，F(xiàn)場(chǎng)平面灰塵鞋印的提取采用黑色膠貼粘取，拇趾區(qū)前緣清晰可見，如圖4 所示。

圖4 黑色膠貼粘取的平面灰塵鞋印

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

（一）原始圖像輪廓提取

Image J 軟件作為美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院研發(fā)的一款開源軟件，擁有多種圖像分析功能。用Image J 軟件打開每個(gè)人的4 枚同腳赤足跡壓力圖和4 枚同腳皮鞋足跡壓力圖，轉(zhuǎn)換為8 比特，進(jìn)行對(duì)齊操作。必須采用同一個(gè)圖像作為標(biāo)準(zhǔn)圖，例如A 同學(xué)的右赤足1 作為標(biāo)桿，整個(gè)實(shí)驗(yàn)中都要以它為標(biāo)桿，以確保數(shù)據(jù)的可比性。

對(duì)齊操作先將兩張圖像分別在拇趾趾尖至后跟邊緣最低點(diǎn)畫一條直線，在Image J 軟件的插件欄找到Registration 的Align image by line roi 按鈕，點(diǎn)擊OK 鍵后，第二張圖自動(dòng)生成以第一張圖為標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)齊縮放圖。皮鞋足跡與赤足足跡對(duì)齊時(shí)，在皮鞋足跡圖上找到拇趾趾尖壓力區(qū)頂端并作為起點(diǎn)，后跟后緣最低點(diǎn)適當(dāng)向內(nèi)縮進(jìn)0.5～0.8 厘米，將所有對(duì)齊的圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像存儲(chǔ)在一個(gè)新建文件夾內(nèi)。

將對(duì)齊后的圖像用ImageJ 軟件打開，用方框工具進(jìn)行裁剪，去掉比例尺、色卡，目的是減少干擾，打開Adjust 欄的Color threshold 按鈕，進(jìn)行顏色灰度閾值提取，手動(dòng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)條，點(diǎn)擊select 按鈕，對(duì)顏色區(qū)域進(jìn)行抓取。

分析欄點(diǎn)擊Analyze particles 按鈕進(jìn)行粒徑自動(dòng)計(jì)數(shù)分析，此處利用圖像與背景灰度值差，選取各部分合適的范圍來識(shí)別足跡壓力區(qū)域。

在分析前先將Size 設(shè)置為1000-Infinity,Ciroulanity 設(shè)置為0.00～1.00，在Show 中勾選Outlines，在Analyze particles 彈框中勾選Display results，Clear results，Summarize，Add to manager，Indude holes，Overlay，Composite rois，點(diǎn)擊OK 鍵，便能得到相應(yīng)的壓力形態(tài)輪廓圖，如圖5、6 所示。

圖5 赤足跡壓力輪廓圖

圖6 皮鞋足跡壓力輪廓圖

（二）輪廓圖坐標(biāo)采集

將所有輪廓圖做完后，在Tipdig 軟件中逐一打開進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)采集。Tipdig 軟件是一款將圖像輪廓坐標(biāo)化處理的軟件，在古生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

要保證采集區(qū)域、采集點(diǎn)數(shù)、采集方向、采集順序一致，我們采集的規(guī)則是拇趾8 個(gè)點(diǎn)、其他趾各2 個(gè)點(diǎn)、第一跖區(qū)8 個(gè)點(diǎn)、后跟區(qū)8 個(gè)點(diǎn)，每個(gè)區(qū)域的采集順序分別是上下左右、左上右上左下右下，皮鞋足跡壓力圖不好區(qū)分拇趾外腳趾位置時(shí)，以拇趾壓力圖為基準(zhǔn)進(jìn)行估計(jì)標(biāo)畫，只要位置不太偏移即可，不能采用坐標(biāo)自動(dòng)提取功能，否則實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無效。

四、形態(tài)學(xué)分析方法

按照以上操作，采集所有樣本重壓點(diǎn)面坐標(biāo)，這些坐標(biāo)就是形態(tài)學(xué)分析的基礎(chǔ)，在 Past軟件中打開并選擇數(shù)據(jù)。Past 軟件是面向古生物學(xué)的統(tǒng)計(jì)軟件，具有常規(guī)統(tǒng)計(jì)、多元統(tǒng)計(jì)、多樣性分析、形態(tài)學(xué)分析、地層學(xué)分析以及分支系統(tǒng)學(xué)分析等功能，[2]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理后，每一行數(shù)據(jù)代表了這枚足跡的特征值。

我們對(duì)樣本足跡進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析時(shí)，被采集者樣本越多，得到的結(jié)論越準(zhǔn)確。將在現(xiàn)場(chǎng)用黑色膠貼提取的平面灰塵鞋印用手動(dòng)標(biāo)畫的方法提取坐標(biāo)點(diǎn)加入到樣本數(shù)據(jù)中，在能夠很好地與樣本聚類或分區(qū)時(shí)，就可以輔助我們判斷檢材與樣本是否屬于同一個(gè)采集者。

聚類分析，又稱為群分析或簇分析，是對(duì)樣品或指標(biāo)進(jìn)行分類的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。該方法要求在沒有任何已有知識(shí)情況下合理地對(duì)大量樣品進(jìn)行分類。然而由于聚類分析的結(jié)果難以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)上的顯著性檢驗(yàn)，所以嚴(yán)格講它本質(zhì)上不是一種統(tǒng)計(jì)方法，而僅是一種對(duì)數(shù)據(jù)的解釋方法和定量技術(shù)。在聚類分析中，相似性測(cè)度的選取關(guān)系到聚類結(jié)果的可解釋性與可靠性，是該分析過程中最關(guān)鍵的步驟。[2]

隨機(jī)選取兩人的赤足跡輪廓圖坐標(biāo)數(shù)據(jù)和其中一人的皮鞋灰塵鞋印輪廓圖數(shù)據(jù)，用 Past軟件進(jìn)行聚類分析，1 到4 為甲的赤足數(shù)據(jù)，11到14 為乙的赤足數(shù)據(jù)，19 到20 為測(cè)試灰塵鞋印（甲的灰塵鞋?。?，從分析圖中可以看出，足跡數(shù)據(jù)被軟件分為兩大部分，甲的灰塵鞋印更靠近甲的赤足跡，同一人的足跡數(shù)據(jù)歸類為一群，樣本之間的距離代表相似度大小，如圖7 所示。

圖7 聚類分析結(jié)果

主成分分析是研究如何通過原來變量的少數(shù)幾個(gè)線性組合來解釋隨機(jī)向量的方差和協(xié)方差結(jié)構(gòu)，目的是化簡(jiǎn)數(shù)據(jù)和揭示變量間的關(guān)系。在實(shí)際問題中多指標(biāo)問題是經(jīng)常遇到的，然而在多數(shù)情況下，不同指標(biāo)之間有一定的相關(guān)性，勢(shì)必增加了分析問題的復(fù)雜性。主成分分析就是設(shè)法將原來指標(biāo)重新組合成一組新的相互無關(guān)的幾個(gè)綜合指標(biāo)來代替原來指標(biāo)，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要從中抽取幾個(gè)較少的綜合指標(biāo)盡可能多地反映原來指標(biāo)的信息。[2]實(shí)驗(yàn)所采用的原理就是把赤足跡、皮鞋足跡的動(dòng)力壓痕圖轉(zhuǎn)換成多點(diǎn)坐標(biāo)，再簡(jiǎn)化成幾個(gè)主成分，達(dá)到分區(qū)的目的。

將甲乙的赤足跡樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，軟件將數(shù)據(jù)分成兩個(gè)區(qū)域，再將測(cè)試數(shù)據(jù)19 和20（甲的灰塵鞋?。霕颖緮?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在甲的赤足跡數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，說明灰塵鞋印數(shù)據(jù)不屬于乙，做出否定結(jié)論，屬于甲的可能性較大，如圖8 所示。

圖8 主成分分析結(jié)果

由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在僅僅做了20 例數(shù)據(jù)，還不敢直接判定灰塵鞋印數(shù)據(jù)就屬于甲，這需要后期進(jìn)一步加大數(shù)據(jù)量進(jìn)行驗(yàn)證。需要注意的是，主成分分析要進(jìn)行多元組合嘗試，不一定排名在前的主成分就分區(qū)分的好。

實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，在采集平面灰塵鞋印壓力輪廓坐標(biāo)時(shí)不能用樣本采集的方法，即 Adjust欄的Color threshold 按鈕進(jìn)行輪廓提取，要采用手動(dòng)標(biāo)劃，因?yàn)檐浖?duì)灰塵濃淡區(qū)域的識(shí)別不像對(duì)壓力測(cè)試紙顯現(xiàn)圖那樣靈敏。

對(duì)于灰塵鞋印壓力范圍判斷：首先，觀察鞋印的形狀和模式，觀察鞋印是否完整，是否有明顯的壓力點(diǎn)或壓力面區(qū)域。其次，觀察鞋印的顏色深淺，推測(cè)出壓力面的位置和形狀。大部分情況下，壓力面通常是鞋印的邊緣區(qū)域，這些地方受到更多的壓力。然后，使用輔助工具如燈光、放大鏡或顯微鏡，幫助我們更清晰地觀察和識(shí)別鞋印上的壓力點(diǎn)和壓力面。[3]灰塵鞋印的壓力識(shí)別并不是一門精確科學(xué)，可能受到多種因素的影響，壓痕的界限劃定極難掌握，特別是大花紋類鞋底壓痕的界限劃定更不易掌握，只能根據(jù)灰塵鞋印的大概情況先做出初步推算，再根據(jù)壓痕的各類情況進(jìn)行綜合性判斷，如果現(xiàn)場(chǎng)遺留灰塵鞋印條件實(shí)在太差，切不可牽強(qiáng)標(biāo)劃范圍。

綜上所述，該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了應(yīng)用壓力測(cè)試紙顯現(xiàn)足底壓力分布分析足跡動(dòng)力形態(tài)特征研究的可行性，足跡壓力是可以通過特定的載體直觀顯現(xiàn)出來并進(jìn)行定量化分析的。痕跡特征可通過計(jì)算機(jī)或痕跡專家識(shí)別出來，每一個(gè)特征都由其特征向量(特征類型、方向、相對(duì)于附近特征的位置/形狀)來表示。將化學(xué)計(jì)量學(xué)應(yīng)用于痕跡物證鑒定，最具挑戰(zhàn)性的部分是在自然發(fā)生的變化量(即失真)與描述非匹配源的相關(guān)人群中可能預(yù)期的變化量的正確比對(duì),[4]并進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)。由于經(jīng)費(fèi)有限，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，僅對(duì)方法做了驗(yàn)證性總結(jié)，今后要加大樣本和檢材數(shù)量，特別是現(xiàn)場(chǎng)提取的平面灰塵鞋印，對(duì)其壓力區(qū)域判別方法更要進(jìn)行多數(shù)據(jù)驗(yàn)證。這種方法在公安一線為采集犯罪嫌疑人的足跡提供了新思路，為足跡檢驗(yàn)拓展了新方法，為提高足跡鑒定效率和準(zhǔn)確性進(jìn)行了初步嘗試。