三维立体足迹采集与分析系统应用

陈蕊丽, 周吉亮， 魏育新， 刘伟平

(1. 中国人民公安大学 刑事科学技术学院, 北京 100038； 2. 公安部物证鉴定中心, 北京 100038)



三维立体足迹采集与分析系统应用

陈蕊丽1, 周吉亮1， 魏育新1， 刘伟平2

(1. 中国人民公安大学 刑事科学技术学院, 北京 100038； 2. 公安部物证鉴定中心, 北京 100038)

为探求光学无损采集及检验立体足迹的新方法，应用三维足迹采集与分析重建技术实现立体足迹数据的模拟实体显示，通过软件实现立体足迹特征的测量、分析及比对。该方法可以摆脱传统足迹检验方法，使立体鞋印的检验走向数字化、标准化、自动化。三维立体足迹采集分析系统丰富和发展了足迹检验技术的理论与方法。

立体足迹； 足迹检验； 比对

0 引 言

立体足迹是犯罪现场较为常见的一类痕迹物证，其中蕴含着犯罪嫌疑人员的大量信息[1]。目前，对于立体足迹的提取主要是通过石膏灌注提取，对立体足迹的检验与分析基本上还处于专家经验认知阶段，只有少数经验比较丰富的专家学者才能对立体足迹反映的特征进行较为准确的解读与分析。传统的足迹检验主要依据个人经验，手工测量数据、标定特征、进行比对，检验结果误差大、易受人为因素影响，检验方法的科学性有待进一步提高，检验手段需要改进和丰富[2]。虽然有相关单位研制和开发立体足迹自动比对系统，但具体到实践中的应用效果还有进一步提升的空间，并没有完全解决立体足迹检验的标准化、科学化应用的难题。三维立体足迹采集与分析系统创新应用光学扫描技术、三维重建技术、比对分析等技术，实现了对立体足迹的提取、分析、比对等检验的数据化、自动化、网络化，检验结果更加客观，且操作简便。更为重要的是无损检验。

1 三维立体足迹采集与分析系统

三维立体足迹采集与分析系统分为立体足迹采集仪和足迹分析比对软件两部分。三维立体足迹采集仪可以快速、精确、多信息的对现场立体足迹数据进行采集，能够通过计算机控制，也能脱离计算机独立工作。采集仪采用高像素面阵CCD结合LED投影光源投射结构光进行三维测量与二维影像信息的同步采集[3]，不存在机械传动等造成的系统误差，能够确保提取立体足迹误差小于0.1 mm。在操作过程中，三维立体足迹能够轻松应对各种地面条件，包括渗透性客体、沙土、粉尘、积雪、积水、龟裂，不受地面条件限制。另外，非接触式扫描方式获取立体足迹形态特征信息时，对立体足迹本身没有损害，实现了无损提取信息[2]。

三维立体足迹分析比对软件提供了形象、多维、丰富的显示方式，以二维影像结合三维重建技术实现了立体足迹的现场还原；实现多角度实景观察，将细微变化以直观、形象的方式表现[4]。软件拥有多种图像处理功能，能够改善图像质量。通过软件能够可视化地标定鞋印上的痕迹特征，多方式测量立体足迹，并将数据反映的信息形象地用于比对检验中。同时，软件开发了重压比对、断面比对两种立体足迹比对分析方法，为足迹检验提供了更加全面、广泛的参考。具体操作为采集图像、数据处理、图形标注、图像处理、数据比对与分析。

2 三维立体足迹采集与分析系统在立体足迹检验中的应用

主要从三维显示、平面分析、三维立体足迹比对3方面对三维立体足迹采集与分析系统软件进行应用。三维显示功能用来对立体足迹样本数据进行多方式观察，并完成对数据的基本处理。平面分析功能可以对检材和样本数据进行标注、测量，以及平面上的图像处理。软件的三维立体足迹比对与分析功能提供了重压比对、断面比对两种立体足迹比对分析方法。

2.1 三维显示

2.1.1 显示效果

该功能主要包括压力显示、绘等高线、切换材质3部分，帮助检验人员直观、多方式的观察立体足迹。

压力显示是以灰度变化图的形式显示出足迹数据。受到压力大的区域会深色显示，压力小的区域浅色显示，如图1，可以非常明显的观察到，颜色最深的地方显示为橘红色，分别位于前掌区的上方和后跟区的下方，这两个位置是此枚穿鞋足迹的主要受重区域[5]。压力显示直观的显现了足迹的承压情况，操作简单、一目了然，省去了传统的足迹检验中压力检测的繁琐步骤。

绘等高线是通过阈值和高斯两个参数的调整来改变图像上显示效果[6]，利用等高线标画出足迹的中央位置及变化状态，如图2，等高线的插入，方便检验人员观察立体足迹的高度变化、研究图像中的不同位置关系以及确定中心位置和重点区域。

(a) 原始数据图图1 压力显示效果图

(b) 压力显示图

图2 绘等高线效果图

切换材质将足迹画面显示的材质进行更换，有四个材质参数可供选择，分别为原始样式、橡胶、金属和泥地，如图3，可以更加真实的还原现场足迹的形貌特征。通过观察可以发现，不同材质背景下立体足迹数据的显现质量有一定差异。足迹检验鉴定人员可以使用此功能对图像显示效果进行调整，以达到最佳的观察效果。

原始样式

橡胶

金属

泥地

图3 4种材质效果图

2.1.2 数据处理

数据处理主要是实现对检材和样本数据的特殊处理，包括“显示增强”和“重压检测”两个主要功能。

显示增强是用框选的方式突出足迹的细节显示，如图4，通过应用前后的效果对比可以发现，明显提高了立体足迹鞋底花纹特征的显示效果。在软件的实际操作中，使用者可以对图像进行任意框选，操作简单，效果明显，足迹检验人员更容易对足迹的细节特征进行比对分析，提高了足迹检验工作的效率。

重压检测是将足迹数据中的花纹过滤掉，直接显示足迹的重压图像[7]，如图5，直观地显示了立体足迹样本的受压情况，使立体足迹的观察手段更加丰富。

2.2 平面分析

平面分析主要实现了对立体足迹检材或样本数据的平面标注、绘制、测量。同时，可以通过图像处理技术，对足迹图像进行二值图方式显示[8]。

2.2.1 标注、绘制、测量

标注、绘制、测量功能可以直接选取需要绘制的标注的类型，然后在需要的位置直接绘制。系统提供了多种标注类型，包括线段、十字、圆形、椭圆、矩形、三角形、曲线、波折形、任意点、文字等。同时可以对所做标注进行测量，测量内容包括：两直线角度、测量长度、测量周长、测量面积、长度和斜率、宽度和高度、振幅和频率。在操作中，可以任意角度旋转图片的角度，也能够添加比例尺。图6是使用系统软件标注测量的足长、掌宽、弓宽、跟宽。

2.2.2 图像处理

图像处理主要通过动态绘制和整体均匀两步骤完成对足迹图像处理[9]。动态绘制功能是对足迹图像进行二值图方式显示，如图7。整体均匀功能是指对图像进行噪点细化处理，使“动态绘制”后图像质量更加均匀，如图8。通过动态绘制和整体均匀这两步图像处理操作，得到了由黑白颜色组成的二值图像[10]。

图6 标注测量效果图

图8 整体均匀效果图

图像二值化作用是为了方便提取图像中的信息，二值图像在计算机识别时可以增加识别效率[11]。

2.3 比对分析

比对分析主要有“重压比对”“断面比对”两种立体足迹比对分析方法，该方法操作简单，可靠性高。

2.3.1 重压比对分析

重压比对分析是比较数据位置与基面(0 面)的相对位置变化关系[12]。系统对数据进行平滑处理，得到数据 z 坐标值的变化趋势，对变化趋势进行比对，并通过软件运算自动分析两个足迹样本的相似度。具体操作：① 打开两个需要比对的样本；② 手动将两个足迹样本图片重叠放置；③ 点击工具栏中的“重压比对”按钮；④ 点击“确定”按钮，系统将所选区域生成高差图，并得出相似程度。操作过程流程如图9所示。

图9 重压比对流程图

足重压面与人体的身高、体态、性别、年龄以及运动姿态密切相关，其形状、位置、方向等特征反映人体的个体差异，是描述足迹差异的稳定和基本的识别特征[2]。系统利用足迹检验技术中这一理论基础，开发了立体足迹重压面的比对分析，分析不同足迹样本数据重压面的相似程度。图9中高差图是通过比对两枚同一人的穿鞋足迹得出的，系统计算出的相似程度为96.37%，比对结果较为可靠，可以为足迹检验的同一认定提供参考。

2.3.2 断面比对分析

断面比对分析是对两个待比对的样本图截取断面，系统自动对这一断面进行比对，并绘制出“红、绿、蓝”断面图，得出断面相似程度。具体操作为：① 打开两个需要比对的足迹样本；② 把两个足迹重叠放置，通过鼠标划取要进行对比的线段；③ 点击工具栏上的“断面比对”按钮，系统将弹出断面图，断面图分别以不同倍数的比例显示出两个断面的对比情况。断面图中红色曲线代表先加载的数据；绿色曲线代表后加载的数据；蓝色曲线代表二者的差值。操作过程流程如图10所示。

图10 断面比对流程图

3 三维立体足迹采集与分析系统在立体足迹检验中的技术优势

通过对三维立体足迹采集与分析系统的功能和使用的研究，与主要依靠检验人员经验，手工对立体足迹石膏模型进行描、测、比较的传统方法相比较，具有以下优势：

(1) 提取方法先进。三维立体足迹采集不仅可以无损采集被测物体三维信息，还可同时拍摄二维彩色照片，在提取三维信息时，不需要考虑配光角度，不需要提前放置比例尺，就可以完成三维、等大的信息提取。同时，结合3D打印技术，可以对案件实现实时异地串并，并且无损化提取在物证检验鉴定领域占有重要地位[14]。

(2) 观察手段多样。传统方法在立体鞋印检验时，直接观察实物，对一些带深度的特征、微小特征不易观察。三维立体足迹采集与分析系统借助实物三维模型可视化技术，检验人员可以选择单视窗或双视窗，多视角、任意缩放比例地观察多种表面纹理等不同形式图像。

(3) 测量手段更加多样。可自动测量三维模型上任意两点长度、深度、某一区域半径等数据；也可以对平面图像进行线段、十字、圆形、椭圆、矩形、三角形、曲线、波折形、任意点、文字标注，并可测量两直线的角度、长度、周长、面积以及斜率、高度等信息。

④ 比对方法更加客观、科学、稳定。系统借助三维模型可以完成包括深度在内的各种复杂几何测量。借助多种测量、比较工具可以更加客观地标识磨损特征、鞋底花纹特征，减少人为影响。

4 结 语

在打击刑事犯罪的新形势下，足迹鉴定技术将会发生越来越重要的作用。随着科技的进步，把高新技术成果应用到刑事技术领域是刻不容缓的工作，也是全体刑事技术人员的梦想。随着三维立体足迹采集于分析系统的研发，这一快捷、准确、方便的足迹采集分析技术设备实现了计算机辅助识别立体鞋印形态特征；完成了鞋印特征的计算机辅助提取；为立体鞋印的比对检验提供了更为客观、科学的方法；提高了物证提取效率、质量；提高了立体鞋印检验的科学性；更好地为破案提供线索、为诉讼提供证据，为打击犯罪提供了有力的技术支撑。因此，有必要对这一系统进行更加细致研究，熟悉系统性能，提高工作效率，推广到全国的公安工作当中，进而及时、高效、准确的为公安工作提供技术支持，促进社会和谐稳定。

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3-dimensional Footprint Acquisition and Analysis System

CHENRui-li1,ZHOUJi-liang1,WEIYu-xin1,LIUWei-ping2

(1. School of Forensic Science, People's Public Security University of China, Beijing 100038, China；2. Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China)

In order to present a new method to explore acquisition and testing of optical non-destructive three-dimensional footprint. The paper uses 3-dimensional reconstruction techniques to achieve stereoscopic display data of footprint, measures the three-dimensional footprint software features, and completes the data analysis and comparison. The 3-dimensional footprint acquisition and analysis system can get rid of the traditional testing methods, and makes the shoeprint inspection to realize digitization, standardization, automation with 3-dimensional structure. The 3-dimensional footprint acquisition and analysis system enriches and develops the theory and technology footprint test method, the future direction of development test site footprint.

stereoscopic footprint; shoeprint inspection; comparison

2015-12-17

公安部科技强警基础工作专项(2015GABJC19)

陈蕊丽(1968-),女，吉林长春人，副教授,硕士生导师,长期从事刑事科学技术方向的教学与科研工作。

Tel.:13301131560; E-mail:568806842@qq.com

D 918.91

A

1006-7167(2016)08-0131-04