探析高分辨率指纹特定条件下三级特征的稳定性

郭少波，王 芫，王 炎，付雪峰

（1.中国人民公安大学，北京 100038；2.中国人民公安大学 刑事科学技术系，北京 100038）

目前，我国指纹比对主要依赖于二级特征的数量和质量，而指纹等传统物证遭受了各种非议，甚至被指认不能作为证据使用。另外，在实践中提取的现场指纹往往是局部的、残缺的、变形的，从而达不到同一认定的目的，这样看来无论从理论上还是实践上都急需用新的理论、技术来充实、修补、甚至改变指纹理论。而在比对过程中，这些三级特征的利用往往会使指纹的成功匹配变得相对容易[1]。三级特征，特别是对低质量指纹、残缺指纹等二级特征数量少的指纹而言，指纹识别具有重要作用。本文试图从汗孔、纹线边缘、细点线、疤痕等三级特征入手，探索其在不同变量条件下的稳定性，以期能对上述指纹困境有所改变。

现在公安系统主要借助油墨捺印的方法来获取指纹样本以进行特征比对。而高分辨率（1000ppi）指纹图像中的三级特征具有高区分度、高特征密度，可以有效地提高查准率，是指纹识别技术的研究前沿，所以本次试验研究，通过利用高分辨率扫描仪扫描不同压力下油墨捺印指纹，尽量减少细节特征的损失，达到清晰显出指纹三级特征的目的，研究三级特征显现的稳定性，确定其鉴定价值，更好地为侦查破案服务。

1 指纹三级特征概述

1.1 指纹特征的分类

1912年，洛卡德[2]研究汗孔在指纹鉴定中的作用，他的研究表明20～40个汗孔足以确定人的身份。从那以后，指纹的鉴定特征通常分为三级。而现代指纹理论中的指纹特征基本遵循D.R.Ashbaugh提出的三级分类法：一级特征有：纹线流向流（见图1）、中心花纹和三角区（见图2）、纹线类型分类（弓形纹、箕型纹、斗型纹和混杂型纹）（见图3）。二级特征有：乳突纹线局部的细小结构，纹线路径（连续或打开脊、特征点/脊线关系、脊线曲率、特征关系图4）、断点区域或山脊（见图5）、大的细节特征点（形状和大小）；三级特征有：汗孔、脊线边缘形态、细点线、皱纹、疣、伤疤等（见图6），需要放大更高的倍数才能被观察到。

图1 纹线流向流

图2 中心花纹和三角区

图3 纹线类型分类

图4 纹线路径分类

图5 断点区域或山脊

图6 三级特征

1.2 指纹三级特征研究成果概述

1.2.1 国内研究概述

姜友云[3]重点研究了细点线的位置及出现率，得出其具有较强的稳定性，可作为鉴定的依据。刘微等[4]对汗孔细节特征的形成机理进行了初步研究，并验证了使用暗视场显现光滑平面玻璃上指印汗孔细节特征的现实可行性。但是，要将汗孔细节特征应用到实际的鉴定中，还需要做大量工作。中科院自动化所的罗希平等[5]利用了脊线上的四个采样点来表示细节点对应的脊线特征，提高了匹配的可靠性。清华大学周杰等人在匹配阶段融合了方向场匹配和细节点匹配结果，增强了系统对低质量图像匹配的可能性，但是针对高分辨率指纹图像及其三级特征自动识别的研究还未见系统的报道。

1.2.2 域外研究概述

Patrice Morier[6]于2004年提出假设并证实：三级特征的使用可能增加高分辨率图像所允许的水平下的三级特征的提取，特别是在对案件片段指纹的识别比对中。隶属于美国国家标准化组织（ANSI）和美国国家标准与技术研究所（NIST）的指纹分析、研究与技术科学工作组（SWGFAST）于2005年明确提出：指纹图像分辨率最少要达到 1000ppi，联邦调查局（FBI）AFIS标准中应该加入三级指纹特征，并于2007年发布了“用于指纹、面部和其它生物统计学信息交换的数据格式”标准，制定了各级特征的标准[7]。目前，美国的部分AFIS指纹库已经处于500ppi和1000ppi共存的状态，并逐渐向1000ppi过渡。近几年密歇根州立大学的 A.K.Jain[8]致力于研究指纹三级特征，他构建了利用1000ppi分辨率指纹图像中一级、二级、三级特征的AFIS系统，进行分级识别，低质量和小面积指纹在融合三级特征后匹配准确率有很大改进，并提出了一种纹线边缘的表示和提取方法[9-10]。瑞士联邦技术研究所的K.Kryszczuk等[11-12]研究了细节点和汗孔在残缺指纹匹配中的应用，表明当细节点不足时，汗孔等三级特征点作用会增加，并且在分辨率足够时，一小块残缺指纹上的三级特征信息会比完整指纹上的细节点特征更多；美国汉茨维尔大学的M.Ray[13]、英国华威大学的 N.R.Parsons[14]、香港科技大学的赵启军等[15]都提出了基于各向同性或者各向异性的汗孔灰度模型和滤波提取方法，较为有效地提取了高分辨率指纹中的汗孔点。针对三级特征的应用，赵启军提出了一种汗孔直接匹配算法，实现二级特征与三级特征的解耦，进而实现匹配结果融合，增强了融合效果；M.Vatsa直接将局部结构中的细节点、汗孔信息融合成一个特征描述符，构建特征超矢量，并以此为基础进行指纹识别时，指纹图像旋转或平移都具有不变性。

2 研究理论准备及预试验

2.1 油墨捺印指纹的变形失真现象

经过总结，油墨捺印指纹变形失真的现象有以下情况：

2.1.1 纹形上的变形

2.1.2 纹形的变形

2.1.3 细节特征的变形

2.1.4 三角的变形

2.1.5 距离、位置的变形

由于纹形、纹线、特征、三角等多方面的变化，因而带来距离、角度上的差异，位置上的不一，由此也会产生在同等距离中线条出现多和少的特征。

2.2 试验中影响指纹三级特征稳定性的因素

经过分析总结，造成上述变形的人为可控因素有：捺印前清洗与否，手上带有污垢而堵塞小眼、填满的汗孔，导致犁沟等反映不出来，甚至起点、分歧、结合、终点等结构特征发生变形；油墨厚薄的影响，捺印时油墨过厚，容易引起局部堵塞，而改变特征的形态，严重的会填塞犁沟，纹线不清或出现假特征，而捺印油墨过薄，指纹的特征反映不清，或使相连的纹线分离；另外由于不同的捺印方式产生不同的作用力，也会使指纹特征产生一定的变形失真。

在试验中影响指纹三级特征的反映性的主要因素包括：压力的大小，捺印前手指清洁与否，捺印时的油墨量，捺印方式的不同，捺印的客体的选择。

2.3 预试验及变量的确定

为了固定好其它变量，而只考察在不同压力下指纹三级特征的稳定性，本试验事先进行了预试验，考察捺印油墨量、捺印方式、捺印客体对三级特征的影响。

2.3.1 油墨捺印指纹时三种压力的选择范围

试验选取了在校生男女各20名，按照其各自所理解的“轻压、中压、重压”在电子称上捺印食指油墨指纹5次，经过统计、分析、筛选与总结可以看出轻压、中压、重压的压力范围分别为 20～80N、80～320N、320N以上，故而本试验所述的轻压、中压、重压均是上述压力范围。

2.3.2 不同捺印方式对指纹三级特征反映性的影响

油墨捺印分三面捺印和平面捺印，在预试验中仍是选取在校生男女各20名，分别采用两种方式捺印食指指纹5次，比较发现：大部分的同一指纹的两种捺印方式差别不大，但有10%左右的指纹三面捺印时纹线分离的地方在平面捺印里是连接的，三面捺印里纹线起始处呈三角状而平面捺印时呈蝌蚪状，三面捺印里小点较粗且长而平面捺印里小点较细且短。与活体扫描图片相比，三面捺印的效果更接近真实情况，故实际中常采用三面捺印（见图7）。

图7 不同捺印方式的对比

2.3.3 不同捺印客体对指纹三级特征反映性的影响

本试验中分别以十指指纹卡片，相底卡片和打印纸作为客体进行捺印，分选男女各20名捺印食指指纹5次。发现：十指指纹卡片和打印纸的材质比较接近，对指纹三级特征的反映性相当，打印纸略次一些，在十指指纹卡片和相底上的纹线分理处，在打印纸上是连接的，打印纸对细点线的反映性较十指指纹卡片差。相底卡片表面较光滑，渗透性较低，对指纹汗孔的反映性最好，纹线形态、细点线及皱纹的反映性也较前两种纸质好，纹线起始处在相底上也最清晰。但是相底较光滑，捺印时易滑动，捺印完需要固定，此程序较麻烦，实际工作中很少用到（见图8）。

图8 不同捺印客体的对比

2.3.4 不同油墨量对指纹三级特征反映性的影响

油墨量的多少在捺印时很重要，在预试验中选取在校生男女各20名，分别采用两种方式捺印食指指纹5次，从所得结果中可以看出：捺印时油墨过厚，容易引起局部堵塞，而改变特征的形态，严重的会填塞犁沟，纹线不清或出现假特征。捺印油墨过薄，指纹的特征反映不清，或使相连的纹线分离，形成断点（见图9）。

图9 不同油墨量的对比

经过以上预试验，为了达到最好的试验效果，在接下来的试验中采取了一下条件：捺印前捺印人需将手上的汗渍、水渍、污渍擦净，保持手指干燥清洁，在十指指纹卡片上用适量油墨采取三面捺印的方法进行试验。

3 试验部分

3.1 试验仪器：爱普生Perfection 4870 Photo扫描仪、家用厨房电子称

3.2 试验材料：十指指纹采集卡、ZNY-V型掌纹捺印盒

3.3 试验步骤

（1）找20名在校生在十指指纹采集卡上分三种压力（轻压，中压和重压）进行油墨捺印指纹，均采用三面捺印方法。共采集样本600份。

（2）扫描捺印样本，分辨率设置为1200ppi，图片格式设置为TIFF格式。

（3）直接扫描手指（操作时，将手轻轻放在扫描仪上，以免产生变形），分辨率设置为1200ppi，图片格式设置为TIFF格式，作为比对的标的。

（4）利用Photoshop软件分别对每人三种压力下各个指头上三级特征与标的进行比对，观察并记录其反映性和稳定性。

（5）综合评判比较试验结果，得出结论。

4 试验结果与分析

4.1 对指纹汗孔反映性及稳定性的分析

汗孔是汗腺排泄汗液的出口，在纹线中汗孔位于乳突纹线上，它们呈不规则分布。汗孔随着皮肤的产生而形成，并随着年龄的增大成比例放大，直至成人，相互关系稳定，所以人的乳突纹线一经形成，汗孔的稳定性就相对不变。汗孔的直径一般为50～250μm，每毫米的乳突纹线上有3～5个汗孔，汗孔的排列、形状、大小、位置都有其特殊性[16]。

汗孔可以是打开［见图 10（a）］或关闭［见图 10（b）］，一个完全封闭的封闭孔是在一个脊上，而一个开放的孔躺在山谷两脊间。

图10 汗孔形态

按捺压力因素对汗孔细节特征的形成也起到了至关重要的作用。试验发现，在轻压的200个样本中，只有54个样本对汗孔反映性较好，汗孔较明显且大，中压时减少到26个，此时汗孔变小，一些轻压时的开孔变成了闭孔状，重压时仅有5个样本有汗孔显现出来，且汗孔几乎不可见。由于汗孔是孔洞结构，所以受挤压时四周向中心受力，致使汗孔产生收缩变形，纹线物质部分遗留在汗孔位置，造成显现出来的汗孔较小，甚至没有；相反，按捺压力小的指印显现出来的汗孔就较大。此特征很不稳定（见图11）。

图11 汗孔的反映形态比较

4.2 对指纹纹线形态反映性及稳定性的分析

纹线的边沿形态细节特征，是指每条乳突纹线的边沿显示的凹凸起伏的形态。它反映了乳突纹线边沿的皮肤形状，这种边沿形态包括乳突纹线的起点边沿、终点边沿、线的中段边沿形态。纹线的边沿形态反映的是乳突纹线两侧（起点处和终点处是三侧）的具体形态，由于乳突纹线的宽度在0.2～0.5mm之间，因此它的形状是一种微观结构，需要在显微镜下才能观察其具体形状。这种边沿形状往往由于形成条件复杂、显现技术的针对性不强而产生变形或反映不清。

按捺压力因素对纹线细节特征的形成也起到了至关重要的作用，按捺压力越大，指印纹线变形越严重。从试验中可以看出：轻压时，纹线形态清晰且较细，纹线交叉处空隙较大，起始处呈柱状；中压时，纹线交叉处空隙减小，起始处呈蝌蚪状；重压时，纹线交叉处基本连接，起始处呈三角状，且此时纹线最粗且模糊不清。活体扫描对纹线的反映性不是很好（见图12）。

图12 纹线形态反映性比较

4.3 对指纹细点线反映性和稳定性的分析

乳突细点线也称乳突细点线、沟底细线，它是出现于乳突纹线之间小犁沟中的连续分布的细线，间断分布的细点状的组织结构。乳突细点线的结构比较简单，呈细线状和细点状。但由于它是散在无规律的分布，以及其具体形态、大小的多样性，可以构成自身特殊的本质。

乳突细点线是夹在乳突纹线中间的一种细小纹线和点，并非人人都有，在手印中也不一定完全能反映出来。多数人是随着年龄的增长而逐渐出现的，乳突细点线的出现与否，往往同年岁增长等生理变化有着密切的关系。很多人在青少年时，手指的乳突纹线饱满而高，小犁沟深，留下手印时，小犁沟底部不易接触客体。成年后，乳突纹线和小犁沟的宽度基本相等，留下手印时，局部小犁沟宽的部位开始出现细点线，以后逐年增多、变粗。

按捺压力因素对细点线细节特征的形成也起到了至关重要的作用，按捺压力大，指印细点线变形较严重。由试验可以看出：轻压时细点线呈细条状，而中压时细点线较轻压时变粗变短了，重压时由于油墨不均匀以及指纹挤压变形而使纹线模糊，而影响原始指纹的质量，细点线形态未能反映出来（见图13）。可见，轻压时效果较好。

4.4 指纹皱纹的反映性和稳定性的研究

皱纹是指由于皮肤的张弛、堆积活动所形成的细小沟纹。皱纹有的在胎儿期就出现了，有的在出生后会消失，有的随着年龄增长又会产生并逐步变多变长，它分布在整个手掌表面，皱纹的方向多与乳突纹线的方向不一致，有着一定的角度，有并行状态和网络状态等，其位置也不确定。皱纹印痕的形状与屈肌褶纹相近，多呈窄而断的空白线条，流向多与乳突纹线交叉，但在短时间内不会发生较大的变化。

按捺压力因素对指纹皱纹的形成影响很大：按捺压力大，指印皱纹变形较严重。从试验来看，轻压时皱纹有原始形状，长短和粗细，形态反映很清晰；中压时，由于挤压变形，皱纹形态较轻压时短而细；重压时，挤压变形最为严重，皱纹失去了原来的形态，如果皱纹本身较细小时，重压力下会消失（见图14）。

图13 细点线的反映性比较

图14 皱纹的稳定性比较

5 结论

通过此次试验发现，油墨捺印指纹对三级特征的反映性不够理想，汗孔、纹线形态特征、细点线特征及皱纹在不同压力下的稳定性较差。其中，各个三级特征在轻压下的反映性及稳定性较为接近实际，捺印的压力越大则三级特征变形越大，甚至完全变形成为另外一种特征。只要控制好变量因素（适当的轻压、均匀的油墨量及三面捺印），指纹的三级特征还是有很高鉴定比对价值的。

在域外的指印鉴定工作中，虽然已经有利用汗孔细节特征对指印进行同一认定，但在我国实际案件中，由于现场所留的指纹都远远达不到上述的轻压等要求，同时对现场汗孔细节特征的发现和提取较为困难，对汗孔的分类、命名、标示等又存在一些没有解决的问题，目前在我国刑事技术领域还没有得到应用，所以如果将此法应用于指纹比对时，仍需进一步的研究与改进。

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