基于3D光学测量技术的弹壳击针头痕迹分析

谭铁君， 卫 科， 祝春玲

(1.西南政法大学刑事侦查学院， 重庆 401120； 2.重庆高校刑事科学技术重点实验室， 重庆 401120)

0 引言

枪弹痕迹是指枪支发射时，在射击弹头、弹壳、枪械和射击客体上形成的痕迹。枪弹痕迹是在涉枪案件的犯罪现场中出现频率最高的痕迹，对于侦查活动的开展有着指引作用。侦查人员能够通过现场提取到的枪弹痕迹判定事件性质，可分析、判断枪击事件是刑事案件还是意外事件或者不幸事故，特别是对确定自杀或他杀性质时有着极其重要的作用；反映枪支射击情况，为重建现场提供依据；认定发射枪支，明确侦查的重点；对枪弹痕迹进行鉴定，为侦查并案、确定作案情节、认定行为人等提供证据，为侦查破案缩小范围。

击针头痕迹是枪支射击后，在弹壳底部表面形成的、反映枪械击针头外表结构特点的痕迹。这些痕迹绝大多数形成于射击过程中，痕迹深而明显，且不易被覆盖。目前，枪弹痕迹检验主要是运用显微镜或者图像处理软件，对痕迹形态进行观察比对，对鉴定研究人员的主观综合评判的依赖性较强，缺乏客观、量化的痕迹比对标准。随着3D显微技术的发展，可以尝试从三维立体视角入手，通过超景深三维立体显微镜的三维立体测量功能，对弹壳击针头痕迹的深度、体积和表面积等特征进行三维立体测量，为枪弹痕迹的检验鉴定提供量化的数据支持。

在鉴定中，以准确的数据说明需要鉴定的弹壳击针头痕迹间的相似度，减少对鉴定人主观经验的依赖性，不仅使枪弹痕迹鉴定更加科学可靠，也为检验鉴定提供了一种新方法。随着科学技术的发展，越来越多的高科技被运用到司法鉴定中来。在枪弹痕迹鉴定这一领域，对击针头痕迹的鉴定有望实现客观的数据化鉴定，以减少对鉴定人员主观综合评断的依赖，进而得出更加客观、可靠的鉴定意见。因此，本文从三维立体检验视角，通过特征数据量化弹壳上击针头痕迹。

1 实验

1.1 器材

选取54、77、64式3种手枪各一把，每支枪射击200发子弹，并随机抽取每支枪射击的弹壳样本各20枚，3支枪射击的弹壳样本总计60枚。将每一枚弹壳依次编号，贴上自粘性标签纸。其中1～20号是54式手枪发射的51式7.62 mm手枪弹弹壳，21～40号是77式手枪发射的64式7.62 mm手枪弹弹壳，41～60号是64式手枪发射的64式7.62 mm手枪弹弹壳。使用日本产超景深三维立体显微镜一台，生产厂家为Keyence，仪器型号为VHX-1000C，测量精度可达10-6m，如图1、2所示。

图1 Keyence三维立体光学显微镜

图2 部分弹壳编号

1.2 方法

实验时，将超景深三维立体显微镜放置在水平的桌面上(用水平仪测准)，以防止由于超景深三维立体显微镜放置不平带来的测量误差，粗略地调整超景深三维立体显微镜载物台的高度，随机取一枚弹壳放到载物台上，将超景深三维立体显微镜的清晰边缘调节到击针头痕迹的口径表面，按下控制板的“深度合成/3D”键，使用控制板上的对焦调整旋钮，直到在击针头痕迹凹陷最深处对焦为止。超景深三维立体显微镜就开始合成弹壳击针头痕迹的3D立体图像，当3D立体图像合成之后，即可观测数据，如图3所示。超景深三维立体显微镜的调试结束之后，要将观测系统固定下来，保证在相同的条件下观察测量每一枚弹壳。

在枪支击发过程中，由于做功机件多，作用力大，且弹壳在抛出枪外后和地面上的坚硬客体接触，会造成部分弹壳的弹壳口发生细微的变形。进而在测量弹壳的时候，不能将弹壳水平的倒立放置在超景深三维立体显微镜的载物台上，这样测量出来的数据会有误差。为了减少弹壳不能放置水平带来的测量误差，对每一枚弹壳都采取了多次测量取平均值的方法，以每一枚弹壳底部的标识符号为参考，分别将标识符号朝向东、西、南、北4个方向，每个方向分别测量一次数据(或者每测完一次数据就顺时针旋转90°直到360°)，即每一枚弹壳测量4次数据，得到数据之后再取平均值，该平均值就作为这枚弹壳的测量数据加以记录。3D立体图像合成后，用鼠标点击“标尺”-“高度/彩色”就可以得到带有三维坐标标尺的三维立体图像。再点击“测量”-“测量体积”就可以分别测量出弹壳击针头痕迹凹陷部分的体积和表面积。由于超景深三维立体显微镜不能自动选择区域进行测量，测量的深度和口径大小都是人工选择，会产生一定的误差。为了减少人工选择测量带来的误差，采取了以弹壳击针头痕迹凹陷最深处沿Z轴向上400 μm或200 μm处为高度，测量每一枚弹壳的击针头痕迹在此高度处的体积和表面积的平均值。

在具体的操作过程中，可以视情况来选取Z轴方向上的高度。预实验表明，最好取击针头痕迹凹陷深度的二分之一，因为靠近击针头痕迹凹陷底部，测量出来的体积和表面积的数据具有较好的稳定性。由于54式手枪发射的51式7.62 mm手枪弹的击针头痕迹较深，实验时击针头痕迹在Z轴上的高度取为400 μm；由于77式手枪发射的64式7.62 mm手枪弹的击针头痕迹较浅，实验时击针头痕迹在Z轴上的高度取为200 μm。为了进行数据比较分析，对64式手枪发射的64式7.62 mm手枪弹的击针头痕迹在Z轴上的高度分别取为200 μm和400 μm，如图3所示。

具体的测量操作为先点击“测量”-“测量体积”分别测量射击弹壳击针头痕迹凹陷部分的体积和表面积，此时要将测量的口径选取到最大，如图3中a所示；其次，再将射击弹壳击针头痕迹凹陷最深处的测量线沿Z轴向上拉至Z轴400 μm处，如图3中b所示；最后，点击“测量凹陷”，即可得出以射击弹壳击针头痕迹凹陷最深处沿Z轴向上400 μm处为高度的体积和表面积，如图3中c所示。再重复3次上述测量操作，取体积和表面积的平均值加以记录。

图3 击针头痕迹的体积、表面积和截面积的测量

对弹壳击针头痕迹凹陷深度进行测量时，首先，将超景深三维立体显微镜的清晰边缘调节到击针头痕迹的口径表面，使用控制板上的对焦调整旋钮，直到在击针头痕迹凹陷最深处对焦为止；其次，按一下小键盘上的“深度合成/3D”键，超景深三维立体显微镜就开始合成弹壳击针头痕迹的3D立体图像，这个3D立体图像测出来的高度就是击针头痕迹的口径表面到击针头痕迹凹陷最深处的深度；然后，用鼠标点击“标尺”-“高度/彩色”测量出弹壳击针头痕迹的深度。由于在击针头痕迹的口径表面不能够精确的选取测量位置，会导致测量结果有一定的偏差，在后面的数据分析中再分析具体的结果。对弹壳上击针头痕迹的纵切面进行测量时，在击针头痕迹的内壁边缘上选择两点，使其经过圆心，调解两点的高度，测出击针头痕迹凹陷底部的纵切面轮廓和两点间的宽度，如图3中d所示。

本实验记录测量数据使用了3种方式，第一种是利用超景深三维立体显微镜自带电脑系统的图像保存功能，既可以保存合成的3D立体图像，又可以将体积和表面积的测量数据保存下来；第二种是利用超景深三维立体显微镜自带电脑系统的数据列表功能，将体积和表面积的数据以列表的形式加以保存；第三种是人工记录，用签字笔和A4纸手动列表记录，再人工转化为电脑Excel表格形式，实验数据如表1～4所示。

2 实验数据的分析与讨论

2.1 击针头痕迹的体积、表面积识别参数分析

根据实验中测得的体积、表面积数据的平均值绘制散点图，X轴表示弹壳的编号，Y轴表示对应编号的弹壳击针头痕迹体积、表面积平均值，如图4、5所示。其中，系列1(54式手枪)、系列4(64式手枪)为深度取为400 μm时，测量出来的击针头痕迹体积和表面积平均值；系列2(77式手枪)、系列3(64式手枪)为深度取为200 μm时，测量的击针头痕迹体积和表面积平均值。比较图4、5中的每一个系列数据发现：在同一测量深度下，同一枪射击的不同弹壳上的击针头痕迹体积、表面积数值几乎在一条水平线上，虽有波动，但很小。而不同枪射击的击针头痕迹体积、表面积数值存在较大差异。

为了防止测量中震动、弹壳口沿变形等意外因素干扰，比较分析前应将每组误差较大的数据去除。在系列1中，去掉最小数461 772 075 μm3和最大数484 001 375 μm3，54式手枪射击弹壳的击针头痕迹体积数值分布区间为469 895 775～482 595 875 μm3。在系列2中，去掉最小数75 818 097.5 μm3和最大数79 513 222.5 μm3， 77式手枪射击弹壳的击针头痕迹体积数值分布区间为76 501 062.5～79 054 435 μm3； 在系列3中，去掉最小数109 991 925 μm3和最大数126 872 275 μm3， 64式手枪射击弹壳的击针头痕迹体积数值分布区间为118 321 625～125 048 000 μm3。在系列4中，去掉最小数407 790 975 μm3和最大数426 054 825 μm3，64式手枪射击弹壳的击针头痕迹体积数值分布区间为407 855 825～424 181 325 μm3，如表5所示。参照体积数据分析方法，去除最大数值和最小数值后，弹壳的击针头痕迹表面积数值分布区间如表6所示。

对上述数据进行比较分析发现：(1)同一枪射击的同一种型号的弹壳，其击针头痕迹在同一深度

表1 击针头痕迹体积部分数据 (单位：μm3)

表2 击针头痕迹表面积部分数据 (单位：μm2)

注：表1、表2中：①编号1是54式手枪发射的51式7.62 mm手枪弹，深度取为400 μm；②编号21是77式手枪发射的64式7.62 mm手枪弹，深度取为200 μm；③编号41是64式手枪发射的64式7.62 mm手枪弹，深度取为200 μm；④编号41＇-60＇是64式手枪发射的64式7.62 mm手枪弹，深度取为400 μm。

表3 击针头痕迹深度部分数据 (单位：μm)

表4 击针头痕迹纵切面宽度部分数据 (单位：μm)

注：表3、表4中：①编号1是54式手枪发射的51式7.62 mm手枪弹；②编号21是77式手枪发射的7.62 mm手枪弹；③编号41是64式手枪发射的7.62 mm手枪弹。

处的体积、表面积是近似相同的。(2)不同种枪支射击的同种弹壳，在击针头痕迹的同一深度处的体积、表面积的区别很大。如表5、6中77式手枪发射弹壳和64式手枪发射弹壳，这两种手枪配的是同一种型号的子弹，但在深度同为200 μm处的体积、表面积数值区间依然有很大不同。(3)不同种枪支射击的不同种弹壳，其击针头痕迹在同一深度处的体积、表面积更没有可比性，区别非常大。如表5、6中54式枪弹发射弹壳和64式手枪发射弹壳，在深度同为400 μm处的体积、表面积数值分布区间差异巨大。由此可知，如果两枚弹壳的击针头痕迹在同一深度处的体积、表面积不相同，区别很大，就可以确定这两枚弹壳不是同一枪射击的。如果事先能够获得某特定枪射击弹壳的击针头痕迹的体积、表面积区间值(在某一深度下的测量值)，当嫌疑弹壳的击针头痕迹的体积、表面积数值正好在该枪区间值范围内，则不能排除这枚弹壳是该枪射击的嫌疑。

2.2 击针头痕迹的深度、宽度识别参数分析

根据实验中测得的深度数据的平均值绘制散点图，X轴表示弹壳的编号，Y轴表示对应编号的弹壳击针头痕迹的平均深度值、宽度值(系列1、系列2、系列3分别对应54式手枪、77式手枪、64式手枪)，如图6、7所示。

从图6中可以清晰地看到，每个系列的深度平均值均不完全在一条水平线上，甚至出现了交叉的情况，数据波动较大，主要是因为弹壳击针头痕迹的口径边缘的测量位置不好统一，不同的位置测量出来的深度不一样。同时，超景深三维立体显微镜在定位击针头痕迹凹陷底部最深处时，有其自身的误差，所以在测量深度时误差较大。在理论上，同一枪射击的同一种型号的弹壳，深度值应该和体积值、表面积值一样，稳定在某一个区间范围内，但实验测量数据表明3种枪并非如此，其数值相互之间接近，无法区分。当然，如果能够解决以上测量误差，精确测量，可以进一步验证深度值是否可以作为弹壳击针头痕迹的识别参数。

图4 体积数据散点图

图5 表面积数据散点图

图6 深度

从图7中可以清晰地看到，同一枪发射的击针头痕迹的底部形态，在同一深度下测量出来的纵切面宽度几乎都在一条水平线上，其特点与体积、表面积分析结果一致。参照体积数据分析方法，去除最大数值和最小数值后，不同枪发射的击针头痕迹纵切面宽度数值区间见表7所示。

2.3 击针头痕迹底部形态分析

在测量数据的同时，可以观察到击针头痕迹的3D立体图像，在传统的二维视角中只能看到击针头痕迹凹陷那一面的形态特征，看不到翻转过来凸起那一面的形态特征。超景深三维立体显微镜可以做到这一点，在合成3D立体图像的基础上，将图像翻转过来，可以很清晰地看到弹壳击针头痕迹凹陷底部向外凸起的形态特征。击针头痕迹翻转过来凸起那一面就像一顶“帽子”，如图8所示。

从图8中，可以清晰地看到击针头痕迹翻转过来凸起“帽子”的顶部并不一样，也不是平整的，实验用54手枪击针头痕迹的顶部靠边缘处有一处凸起，四周都环绕着这个凸起成斜坡状逐渐展开，类似于一座小山包，其表面多处都表现为凹凸不平的形态。实验用77、64式手枪击针头痕迹顶部是非常平滑的，类似于圆底锅背面的形态，但二者具体形态有明显区别，77式手枪击针头痕迹顶部较尖，64式手枪弹击针头痕迹顶部较平。这些特点在纵切面曲线图里也有对应反映，54式手枪击针头痕迹曲线呈波浪形，高低不平，77式手枪击针头痕迹曲线平滑，顶部略尖，64式手枪弹击针头痕迹曲线平滑，顶部略平。对60枚弹壳上击针头痕迹底部形态进行综合比对分析，可以得出以下结论：(1)同一枪射击的弹壳击针头痕迹，翻过来凸起那一面的形态是非常相似的，都表现为同样的形状。如本实验中20枚54式手枪的击针头痕迹，翻过来凸起那一面都类似于一座凹凸不平小山包的形态；(2)不同种枪支射击的同种弹壳，击针头痕迹翻过来凸起那一面的形态也不一样。如本实验中，77和64式手枪配的是同一种型号的子弹，虽然二者击针头痕迹翻过来凸起那一面都类似于圆底锅背面的形态，但是两者的弧度大小、具体形态不同。可见，只有同一枪射击的同一种型号的弹壳，其击针头痕迹翻过来凸起那一面的形态才是近似相同的。从另一个方面来讲，如果两枚弹壳的击针头痕迹翻过来凸起那一面的形态不相同，区别很大，就可以确定这两枚弹壳不是同一枪射击的。如果二者形状相同，且如本实验中的54式手枪击针头痕迹一样，“帽子”的顶部形态极特殊，即可认定这枚弹壳为该枪支射击的。理论上即使是同一种型号的枪支，在生产、加工过程中，以及在使用和保管过程中，每只枪的击针头都会形成各自独特而稳定的特征，上述实验结果也间接证明了此理论。

图7 纵切面宽度

表5 不同枪支击针头痕迹体积数值分布区间

表6 不同枪支击针头痕迹表面积数值分布区间

表7 纵切面宽度的比对表

图8 54、77、64式手枪的击针头痕迹

3 结论

综合以上对击针头痕迹的体积、表面积、深度和纵切面宽度数据的分析，以及击针头痕迹底部形态的对比，发现以击针头痕迹的痕底为基准，取相同深度测量时，同一枪射击的不同弹壳上击针头痕迹的体积、表面积、纵切面宽度非常近似，都在某一个很小的区间范围内波动，数值变化小，很稳定。通过不同枪痕迹数据的对比分析发现：(1)当测量深度相同时，不同枪种射击同种枪弹的击针头痕迹的体积、表面积、纵切面宽度存在明显差异；(2)当测量深度相同时，不同枪射击不同种枪弹的击针头痕迹体积、表面积、纵切面宽度差异非常大。所以，基于3D光学测量技术对击针头痕迹的体积、表面积、纵切面宽度参数进行比较分析十分必要，击针头痕迹的体积、表面积、纵切面宽度参数具有较高的检验价值。由于弹壳上击针头痕迹的入口边缘不规则，高低不平，不同位置测量出来的深度不一样，使得击针头痕迹的深度参数检验价值降低。

同一枪射击的同一种型号的弹壳，其击针头痕迹翻过来凸起那一面的形态是近似相同的，都表现为某一种固定的形状。不同枪支射击的弹壳，不论是同一种型号的弹壳，还是不同型号的弹壳，其击针头痕迹翻过来凸起那一面的形态都是互不相同的。

传统的枪弹痕迹鉴定主要是运用二维的显微镜，对痕迹进行观察比对，比对的结果在很大程度上是依靠鉴定人员的主观综合评断，客观量化的数据标准较少。运用超景深三维立体显微镜，以击针头痕迹的体积、表面积、从切面宽度以及凹陷底部的形态特征为识别参数，可以对弹壳击针头痕迹进行三维立体比对测量，提供客观量化的鉴定依据。在具体的鉴定过程中要具体情况具体分析，不能生搬硬套，只要检验方法得当，利用3D光学测量技术进行鉴定是可行的，基于3D光学测量技术的弹壳上击针头痕迹检验十分精确。