利用穿鞋足迹鞋底花纹特征分析足底部位的研究

涂海波 陈 青 叶泸键 黄 尧 周 波

(重庆市公安局，重庆 400039)

一、引言

足迹是犯罪现场中经常遇到的一种痕迹物证，足迹检验在确定侦查重点和缩小侦查范围方面起着重要的作用。但由于受现场环境复杂多变和嫌疑人心理状态及行为的影响，遗留的多为残缺、变形的足迹，导致足迹的利用率普遍偏低。因此，为提高足迹的利用率，找到一种便捷、准确的确定残缺足迹的留痕部位以及分析足别的方法，成为摆在刑侦技术人员面前的课题之一。

本文通过搜集大量的各类鞋种，统计鞋底不同区域花纹特点，分析足底受力与花纹位置的相关性。直接利用鞋底花纹本身的特征进行足底部位的分析研究，计算鞋底各部位花纹与足底相关部位的比例和差值。为准确利用鞋底花纹确定残缺足迹的对应部位以及分析足别提供了理论依据，同时也将鞋底花纹特征更好地运用在足迹分析中，拓宽了足迹检验的方法，更便于基层技术人员在实际工作中运用。

二、鞋底花纹相关研究

（一）鞋底花纹的设计

鞋底花纹设计综合了多种设计因素，主要包括美学设计与工学设计两个方面。如今消费者对鞋类性能的要求更侧重于功能性与舒适性，因此鞋底花纹设计的侧重面，也逐渐转变为美观性与功能性的相协调设计，其中最重要的就是鞋底花纹设计的图案与所处鞋底的位置的运用。

鞋，特别是运动鞋，质量评价体系中较重要的一个指标是鞋底的防滑性和耐磨性，而鞋底花纹设计直接影响以上两个性能。鞋主要分为皮鞋、运动鞋、旅游鞋、休闲鞋和布鞋等，花纹最复杂的运动鞋按照不同的运动方式可以分为慢跑鞋、篮球鞋、足球鞋、登山鞋等诸多种类。由于足底压力分布不同，开展各种运动的场地或环境不同，以及生产鞋的公司品牌不同，所以造成了鞋底花纹的图案，出现特殊花纹部位，商标等显示的部位均有所不同，以此来适应各自的需求，而这些为我们利用花纹来进行足迹检验和分析足底部位提供了可能。

（二）鞋底花纹的种类和分类方法

鞋底花纹式样可归纳为两大类：普通花纹和特殊花纹。普通花纹可分为规则花纹和自由花纹两类。规则花纹大多数都是由规则的几何图形组成，有二方连续和四方连续之分。二方连续花纹是以一个或几个装饰元素组成一个单位纹样，以特定曲线为骨骼，按照一定的空间、距离、方向进行连续排列，形成规则的纹样。运动鞋鞋底花纹设计中，多数骨骼曲线通常以鞋底的轮廓线为骨骼曲线。二方连续花纹有连续、递进、回旋的特点。由单位纹样之间的衔接、穿插和呼应形成完整的统一体。四方连续图案是运用一个或几个装饰元素组成基本单位，在一定空间内，按照一定骨骼结构反复排列，并可无限扩展、延续的纹样。骨骼结构有重叠式、散点式、连缀式。自由花纹是一种不规则花纹，通常是仿照自然界中的一些纹理，如树皮、碎石、皮革等，其不拘泥于一定的骨骼规律，显得自然、轻便。

特殊花纹一般用于专业体育运动用鞋如登山 (攀岩)鞋、球鞋等，适用于高低不平的路面、崎岖的山路、草地、雪地、泥地等恶劣地面。大底花纹式样很独特，出现花纹凹槽较深、结构较大、甚至出现钉状环纹，主要目的是适用于其特定的使用环境。

三、鞋底各区域划分和压力分布

（一）鞋底各区域划分

鞋底各区域部位划分与命名如图1所示

图1 鞋底划分与命名图

针对以上分区方法，用医学统计软件进行分析，对90位受试对象足底各区压力数值进行统计发现，第二、三、四跖区压力的变化区间较大，可信度不高，统计意义不大。究其原因是受人体行走行为自身的变化及鞋种因素影响较大，而足弓区由于其拱形结构，所受压力，特别是弓区内侧可直接通过足迹加以区分，而2-4趾所受压力也较小，在足迹中也比较便于区分。因此对于穿鞋足迹足底分区不宜过于详细，我们结合传统足迹学理论，将足底区域重新划分为：拇趾区、第一跖区、第二三四跖区 （跖中区）、第五跖区、跟区，共五个分区。使用这种分区方法的理由为：既在理论上吻合了传统足迹学，又在实践中为足迹分析，特别是穿鞋足迹部位的确定和分析找到了一种更简易、可观察性更强的方法。

（二）鞋底各区域压力分布

鞋底花纹的设计的一条重要原则就是鞋底的耐磨性，而鞋底的磨损情况与足底压力有较大关系。因此，在设计鞋底花纹时，会根据人体足底的压力的大小分布规律来设计花纹和相关标识。所以，对于鞋底各区域压力分布的研究对于利用鞋底花纹来分析足底部位具有重要意义。

本实验随机抽取受测对象，通过多次行走后的足底不同区域最大峰值压强分布情况、压强峰值曲线及足底压力分布图来进行说明。下表为受测者足底最大峰值压强分布情况。

实验对象足底最大峰值压强分布

取上表中一组数据，足底区域压力分布曲线表示为，跟区最大压强为21.0N/cm2，第一跖区最大压强为23.8N/cm2，跖中区最大压强为34.2N/cm2，第五跖区最大压强为5.2N/cm2，拇趾区最大压强为2.6N/cm2。如图2所示。

图2 足底各区压力分布曲线图

图3 足底部位压力图

从上至下各曲线分别代表：1.拇指区；2.第五跖区；3.第一跖区；4.跖中区；5.跟区。

针对受试对象，以上结果说明，从足底最大峰值压强均值的大小上看，足底压力分布主要集中在跖中区、跟区和第一跖区，大小以跖中区最大，而跟区与跖中区最大峰值压力具有较高的稳定性。故从鞋底磨损情况来看，可能导致鞋底第一跖区、第二跖区，即鞋底的内侧区及鞋跟区往往为重磨损区域，在鞋底花纹设计时，出现特殊花纹图案的概率相对较高。而其他区域往往设计为自然花纹或商标标识所在位置。足底各区域压力分布如图3所示。

四、鞋底各部位花纹特征分析

基于以上的理论研究，我们知道，由于足底各部位的压力分布和大小不同，因此，在设计鞋底花纹时需充分考虑人体足底结构和受力情况，在足底部位压力较大的区域设计较为复杂或耐磨的鞋底花纹，如足跟、第一和第五跖骨头对应的足底部位，在拇趾、小趾、第一跖趾、第五跖趾及跟区，往往设计一些类圆环型的耐磨花纹，其中第一跖趾区域出现的概率较高，在跟区还会设计马蹄型、椭圆形等的耐磨性、防滑性花纹。而在压力较小的区域，如:弓区设计较简单的鞋底花纹甚至是空白花纹或是商标标识。在鞋底花纹的阴纹设计中，往往按照足的解剖结构用阴阳凸凹的花纹人为地将足底部位进行分区。因此，鞋底花纹与足底部位之间是有对应关系的。下面通过实验并利用测量法、比例计算法、差值法、统计法等数学方法对鞋底花纹出现的足底部位进行详细分析。

实验对象选取学院本科生、研究生和干训生赤足足迹和其鞋底花纹作为研究对象，正常行走遗留其赤足和穿鞋油墨足迹样本，并拍照记录。

实验发现常见鞋的90%以上是塑料底和橡胶底鞋。大底花纹和各部位花纹深度根据大底的使用要求，按不同的部位进行设计，使各个部位的花纹均能起到应有的作用。

（一）足跟部位对应鞋底花纹特点

此部位为鞋大底承担较大的压力的后跟部位。这个部位足跟的中心区域由于承受压力较大，但非落脚边缘，故花纹表现为从深到浅的过渡，有的鞋底足跟中心部位花纹较为稀疏，可表现为圆环型、椭圆型、马蹄型。甚至在不影响穿用寿命的前提下，会设计出一些中心花纹空穴，以达到防滑、减轻鞋跟重量和节省原料的目的，如图4所示。而足跟的后边缘，由于该部位落脚阶段磨损较大且是非弯曲的部位，所以后跟边缘花纹表现为浅细，而非太粗太深，通过测量，平均花纹深度以占底厚度10%左右，以具有耐磨性能并和整个鞋跟构图协调。如图5所示。

图4 鞋跟区中心花纹特点

图5 鞋跟边缘花纹特点

（二）弓区部位对应鞋底花纹特点

由于弓区的拱形结构，此部位足底受力较小，所以，鞋底弓区是不易受磨损和弯曲的部位，也是大底最薄的一段，花纹一般应较细浅或无花纹。而正是由于此部位受磨损较小，往往会出现商标、鞋号、厂号等标识性花纹。如图6所示。

图6 鞋弓区部位花纹特点

（三）掌区部位对应鞋底花纹特点

鞋底弓区和掌区的过渡部位即鞋底的掌后侧往往对应足底的跖后缘部位，也是非主要着力部位。因此，该段鞋底也是从薄到厚的过渡，并且从鞋底来看往往为花纹的有无分界区，或是出现掌弓区交界部位的封边粗大斜线封边花纹。而鞋掌中段对应足底跖区的主要着力部位，并且是承担最大磨损与弯曲的部位。因此，往往设计出一些复杂的花纹图案，特别是掌区内侧区并第一跖趾关节部位，花纹表现为粗大，边缘花纹锐利，图案复杂，不同于掌区其他部位花纹。由于此部位起脚阶段弯曲长度较大，为适应良好的耐曲挠性能，花纹的基本流向与大底纵向约成30度到45度角。同时，为增加该区域鞋底花纹美观，也会按照该区域足底骨骼解剖结构细化分区，用纵向直线或曲线作为掌内侧区和外侧区的分界线并贯通弓区及跟区。如图7所示。

图7 掌区部位对应花纹特点

（四）趾区部位对应鞋底花纹特点

此区域花纹往往会继续沿用掌区花纹特点，但有时也会出现趾区和掌区过渡段的条形花纹分界线，并表现为与掌区花纹相同或相异，在鞋尖前段出现弧形或曲线、折线花纹的概率较高。由于趾区部位也作为起脚蹬地受力区，故会在受力加大的趾，比如说拇指等位置做出复杂、特殊的花纹图案，如圆形或椭圆形。如图8所示。

图8 趾区部位对应花纹特点

五、不同鞋底花纹对应的足底部位各区域大小进行比较研究

从300份样本中随机挑选出鞋号为25号的30份，26号的70份，27号的40份制作不同鞋底花纹的穿鞋足迹样本及其赤足足迹样本，分别测量对应趾区、掌区、弓区和跟区鞋底花纹上下边缘到鞋尖的长度，用比值法得出它们对应鞋底花纹到鞋尖长度占鞋长的比例，再利用统计法统计出140份样本的波动范围，从而得出鞋底各个部位对应花纹前后缘占鞋印全长比例数据均值。结果如下表。

鞋底各部位对应花纹前后缘占鞋印全长比例数据均值范围

对实验进行可行性分析，利用差值法，按照上述比值计算出鞋底花纹对于足底部位的平均长度值，然后与其赤足部位的平均长度值进行比较，得出两者的差异范围。结果如下表。

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由结果可以看出，虽然鞋底花纹对于足底部位的平均长度值与其赤足部位的平均长度值存在差异，但是差异都在±1cm之内，因此，在分析误差允许范围之内，利用穿鞋足迹鞋底花纹推测足底部位是具有可行性的。

六、实验结论与讨论

根据实验数据及分析，可以得出以下实验结论：

对于穿鞋足迹鞋底以鞋尖为起点 （以下同），占鞋长为5.5%-26%范围内并结合典型花纹特点可分析为趾区对应部位，且对应上述拇趾区域典型花纹，拇趾前缘在5.5%-7.5%比例范围内浮动，后缘在17%-19.5%比例范围内浮动，趾区外侧依据鞋底花纹流向并结合典型花纹特点，可在鞋尖前缘在17.5%-19.5%范围内视为小趾前缘范围，而在24%-26%范围内视为小趾后缘部位范围。

鞋底在鞋长为21%-44%范围内，分析为足底跖区对应部位。且对应第一跖区前缘在21%-23%范围内浮动，后缘在41.5%-44%范围内浮动，第五跖趾区区域前缘在28.5%-30.5%范围内，后缘在41.5%-44%范围内，并可结合上述典型花纹进一步分析判断。

对于弓区，对应的鞋底花纹占鞋长为41.5%-71%范围内，且对应弓区花纹前端在41.5%-44%范围内波动变化，花纹后端在69%-71%范围内波动变化。往往会出现商标、鞋号、厂号等标识性花纹。或表现为一空白区域。若出现典型花纹，也往往在鞋外侧边缘出现花纹的截止或与外侧边缘平齐的变化。

对于跟区，对应的鞋底花纹应为以鞋尖为顶点，占鞋长为69%-96%范围内，且对应跟区花纹前端在69%-71%范围内波动，花纹后端在94%-6%范围内波动，并可结合出现典型的大面积耐磨花纹进行分析判断。

我们在对实验数据进行统计时，由于个别鞋种或其他的原因，发现有些样本数据会出现异常，影响统计结果，所以进行了适当的剔除。同时，我们选取的样本男鞋居多，且年龄集中在20岁至40岁之间，所以样本范围还有待进一步扩大。在研究过程中，只对样本数量相对较多的25号、26号、27号的鞋进行测量分析，因此具有一定的局限性，还需要在以后的相关研究中进一步加强。

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