局部指纹内汗孔特征识别准确性研究

左琦，马龙飞，董毓恒

（1.河南警察学院刑事科学技术系，河南郑州 450046； 2.汤阴县公安局，河南安阳 456150）

司法实践中的检材指纹经常出现残缺、模糊、重叠等情况，且没有足够的细节特征用于同一认定，这时指纹中微观细节特征汗孔有可能为案件的检验提供帮助。 汗孔直径一般为50～250 μm，3～5 个汗孔/mm，一枚完整指纹有2000～4 000个汗孔[1]。汗孔是从乳突纹线内部构造的角度来描述指纹信息的微观特征，其高特征密度、高区分度的特点吸引着学者不断的探索，逐渐成为指纹学研究的热点之一[2]。 王有民等[3-4]对汗腺导管螺旋走行的形态学特征观察，并对表皮更替时间内汗孔位置的生物学变化规律进行研究。结果表明：表皮内汗腺导管螺旋走行有一定规律，其管径、螺长、螺径、圈数、螺距均在一定范围内变动，且在一定程度上影响着汗孔的位置与大小变化；表皮更替时间内，手指指腹乳突纹线上的汗孔在纵、横两个方向均有位置变化，其纵向位置位移值显著大于横向，男性指纹纵、横两个方向的位移值显著大于女性。梁娜等[5]在对手指指腹表皮新陈代谢研究过程中发现，汗孔大小因表皮更替而呈现动态变化，其中男性指纹汗孔普遍大于女性，男性指纹汗孔变化幅度普遍大于女性。 在较长时间周期内观察手指汗孔发现，汗孔的生理变化远没有捺印压力、捺印方式引起的变化大，以细节特征为参考定点考察汗孔特征时，汗孔位置在一定生理阶段内保持稳定[6]。在对单个汗孔个体特征进行观察时发现，汗孔的大小、形状、排列等均有所不同，由此可以观察汗孔间更细微的差异，进而区分不同的汗孔[7-8]。

通过实验发现承痕客体、刷显粉末种类和粒径大小、作用方式等对指纹微观细节特征的稳定性都存在不同程度的影响，使汗孔的形态、大小、出现率有所不同，但汗孔之间的相对位置及相互关系具有相对稳定性[9-10]。 在汗孔采集方面，油墨捺印法可以反映出汗孔[11]，但反映效果不够理想，汗孔、纹线形态等特征在不同压力下的稳定性较差[12]。 油画颜料法与石墨法可以采集到更清晰、完整的汗孔，为汗孔采集提供一种新思路[13]。 在汗孔提取研究中，SHI等[14]发现遗留在硝酸纤维素膜上的汗潜指纹和油潜指纹，浸泡在水溶性染料表面后，可以提取到清晰的汗孔特征。 WANG等[15]提出利用亲水的Fe3O4@SiO2-CdTe纳米颗粒、WEI等[16]提出利用钙钛矿磁性纳米颗粒来显现指纹，这两种方法均可以将指纹中的汗孔特征清晰地显现出来。

在司法鉴定中特征识别的数量和质量是应用的基础，其识别的准确性是应用的关键环节，而现有研究中还没有关于汗孔识别准确性的研究。 一枚完整指纹面积大、汗孔数量多，加之汗孔细微、反映性差的特点，使汗孔作为特征被全部识别是困难的，易出现错标和漏标等情况，而小面积局部指纹内汗孔数量有限，给汗孔特征识别提供了条件。 本文通过实验对局部指纹内汗孔进行显现、标注，统计识别的正确率、错误率、漏标率，分析影响识别准确性的因素，为汗孔特征的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与材料

EPSON V600 型扫描仪。

A4 白纸、搪瓷杯、玻璃板、不锈钢杯、纳米磁性粉[平均粒径20nm，主要成分为四氧化三铁（Fe3O4）]、金粉、银粉、刷子、多波段光源、橡胶手套、指纹胶带、马蹄镜、2B 铅笔、纸张快速显现系统（简称为TFD-2）、Photoshop 图像处理软件等。

1.2 样本制作

1.2.1 渗透性客体——A4 白纸上样本手印的制作

通过预实验发现，作用力对汗孔形成影响较大，在中等压力、垂直向下捺印条件下形成的汗孔反映较好，本次实验样本均采用此方法遗留样本手印。 随机挑选实验者（22 岁，男性），其右手拇指在A4 白纸上遗留汗潜手印数枚，将遗留手印的A4白纸置于TFD-2 系统载物台中，在红外输出强度90%，载物台流速1 500 mm/min 条件下显现手印，并在多波段光源（加橙色滤光镜）下观察拍照提取，选取一枚汗孔反映好的手印作为A4 白纸样本手印。

1.2.2 非渗透性客体——搪瓷杯、玻璃板、不锈钢杯上样本手印的制作

实验者右手拇指在搪瓷杯、玻璃板、不锈钢杯表面分别遗留汗潜手印数枚，选择纳米磁性粉末、金粉、银粉刷显，将显出的手印用胶带分别提取。 通过观察发现，纳米磁性粉末刷显出的手印汗孔效果优于金粉、银粉刷显效果，遂对纳米磁性粉刷显出的手印进行拍照提取。 在三种承痕客体上提取的手印中，分别选取一枚汗孔反映好的手印作为搪瓷杯样本手印、玻璃板样本手印、不锈钢杯样本手印。

1.2.3 参照样本手印制作

在前期的研究中发现，石墨法采集的指纹汗孔数量多、反映清晰完整。 本次实验采用该方法制作参照样本手印。 利用2B 铅笔在A4 白纸上均匀用力、反复摩擦制造光滑平面， 将实验者右手拇指在此平面均匀摩擦粘附石墨，用指纹胶带粘取摩擦后的手指数次，将胶带粘贴在A4 白纸上，采集手印数枚。 重复将A4 白纸置于EPSON V600 型扫描仪中，在600、1 200、2 400、3 600 dpi 不同分辨率下分别扫描，发现1 200 dpi分辨率的扫描质量高于600 dpi，但1 200 dpi分辨率的扫描质量与2400、3600dpi 相比，汗孔反映差别不明显。 因此，实验使用1200dpi 扫描参照样本，选取一枚汗孔反映好的指纹作为参照样本指纹。

1.3 方法

1.3.1 局部指纹的确定

观察发现在400 dpi×400 dpi 像素区域内，手印上有50～100 个汗孔，一枚手印中有5 个以上400dpi×400 dpi 像素区域，在此范围标注汗孔工作量适中，易于标注统计分析。 另外在此范围内一般有2～3 个细节特征，可用于特征的整体定位，故本次实验以400 dpi×400 dpi 像素区域作为考察识别汗孔的一个局部指纹。

1.3.2 局部指纹的选取

在A4 白纸样本手印上选取5 个局部指纹，每个局部指纹内至少有2 个细节特征，标记为样本1～5，在参照样本手印上选取5 个相同区域的局部指纹，标记为参照样本1～5。 按照相同的方法，分别在搪瓷杯样本手印上标记为样本6～10，参照样本6～10；在玻璃板样本手印上标记样本11～15，参照样本11～15；在不锈钢杯样本手印上标记样本16～20，参照样本16～20。

1.3.3 样本与参照样本汗孔特征标注

在标注局部指纹内汗孔特征时，先对样本1～20进行标注，再对参照样本1～20 进行标注。 开始标注时，首先找出该局部指纹内的细节特征，然后以细节特征为参考定点，顺着纹线依次标注汗孔。 由于需要利用参照样本对样本进行准确性验证，因此参考样本的标注尤为重要，需要反复比较确定参照样本汗孔的位置、距离、角度、排列等情况，尽量客观、真实、全面地反映局部指纹内的所有汗孔，这一步是准确验证的关键步骤。

1.3.4 汗孔特征标注方式

本次实验细节特征用25 像素×25 像素区域的红色实心圆标注，汗孔特征用15 像素×15 像素区域的红色空心圆标注。 样本与参照样本比较后正确标注的汗孔用红色空心圆表示，错误标注的汗孔用蓝色空心圆表示，遗漏标注的汗孔用黄色空心圆表示。

1.3.5 样本与参照样本汗孔特征的比较统计

将标注好的样本1～20 与参照样本1～20 分别进行比较，以细节特征为参考定点，以参照样本汗孔特征为标准，顺纹线依次比较样本与参照样本汗孔位置、距离等关系是否一致，统计20 个局部指纹汗孔标注的正确数、错误数、漏标数，并计算标注正确率、错误率、漏标率（以下简称“三率”）。

2 结果

2.1 样本汗孔特征标注与参照样本汗孔标注的比较

A4 白纸样本1～5 的选取及汗孔特征标注与参照样本的比较（图1）；搪瓷杯样本6～10 的选取及汗孔特征标注与参照样本的比较（图2）；玻璃板样本11～15 的选取及汗孔特征标注与参照样本的比较（图3）；不锈钢杯样本16～20 的选取及汗孔特征标注与参照样本的比较（图4）。

图1 A4 白纸样本1～5 的选取及汗孔特征标注与参照样本的比较

图2 搪瓷杯样本6～10 的选取及汗孔特征标注与参照样本的比较

图3 玻璃板样本11～15 的选取及汗孔特征标注与参照样本的比较

图4 不锈钢杯样本16～20 的选取及汗孔特征标注与参照样本的比较

2.2 汗孔特征识别三率数据总体结果

统计本次实验中四种承痕客体上提取的手印中，20个局部指纹内汗孔特征识别的三率统计结果见表1。其中：正确率等于正确数除以正确数与错误数之和；错误率等于错误数除以正确数与错误数之和；漏标率等于漏标数除以正确数与漏标数之和。从表1 中可以看出，样本1～20中，正确率最高为98.51%，最低为85.45%，平均正确率为92.30%；错误率最高为14.55%，最低为1.49%，平均错误率为7.70%；漏标率最高为22.73%，最低为1.18%，平均漏标率为7.39%。

表1 四种承痕客体20 个样本中汗孔识别三率统计总表

2.3 不同承痕客体汗孔识别三率统计结果

本次实验中A4白纸上汗孔标识平均正确率最高为94.67%，搪瓷杯上汗孔标识平均正确率最低为89.36%，两者相差5.31个百分点；搪瓷杯上汗孔平均标识错误率最高为10.64%，A4白纸上汗孔标识平均错误率最低为5.33%，两者相差5.31个百分点；不锈钢杯上汗孔平均漏标率最高为10.18%，玻璃板上汗孔漏标率最低为4.85%，两者相差5.33个百分点。 四种承痕客体汗孔识别三率差别不大，A4白纸上汗孔标识效果略优于其他承痕客体。

2.4 不同显现方法汗孔识别三率统计结果

本次实验渗透性客体——A4白纸上汗潜手印采用热致荧光法显现，汗孔识别正确率为94.67%，错误率为5.33%，漏标率为7.27%；非渗透性客体——玻璃板等承痕客体上手印采用纳米磁性粉显现，平均正确率为91.50%，错误率为8.50%，漏标率为7.42%。两种显现方法提取手印后的汗孔标注，正确率相差3.17个百分点，错误率相差3.17个百分点，漏标率相差0.15个百分点。总体来说，两种显现方法汗孔识别三率总体差别不大，热致荧光显现法效果略优于纳米磁性粉刷显法。

3 讨论

（1）一枚完整手印中汗孔数量大，分布密集，给识别带来困难，而本实验小面积局部指纹内，乳突纹线上汗孔数量有限，汗孔间距离近、变形小，易于有效识别。 统计标注的平均正确率为92.30%，平均错误率为7.70%，平均漏标率为7.39%，可以认为汗孔特征识别的准确性较高。 本次实验20 个样本中，没有完全标注正确的样本，均出现错误或漏标的情况，说明汗孔反映性差，不能像手印中的起点、终点等细节特征可以完全准确识别，汗孔特征需要审慎使用。

（2）本次实验中A4白纸、搪瓷杯、玻璃板、不锈钢杯承痕客体表面汗孔识别正确率较高，但并非承痕客体表面越光滑、渗透性越低，识别正确率越高。 从表1 可以看出，A4白纸上汗孔的识别的正确率略高于搪瓷杯、玻璃板、不锈钢杯上汗孔识别的正确率。分析认为承痕客体表面光滑、平整，乳突纹线遗留完整，易于准确识别汗孔，但承痕客体的光滑程度主要影响乳突纹线的连贯性，对汗孔的位置、数量、形态大小等影响小。 当手指汗液量略大，在非渗透性光滑客体遗留手印时，易滑动变形，影响手印的形成，使玻璃板等承痕客体的汗孔识别正确率略低于A4白纸。

（3）使用热致荧光法和纳米磁性粉末法显现手印后，汗孔识别均获得较好的效果，其中A4白纸上汗孔识别的正确率略高于玻璃板等客体汗孔识别的正确率。 分析认为，A4白纸上汗潜手印利用红外热成像方法处理，经长波紫外观察激发荧光显现手印，整个过程不接触遗留手印的A4白纸，乳突纹线反映较好，汗孔识别效果好。 玻璃板等承痕客体表面光滑，粉末刷显时，刷子与乳突纹线直接接触，可能导致汗孔轻微破坏，另外纳米粉末颗粒小于汗孔直径，粉末用量大、操作不当等会引起汗孔堵塞，或者纹线断裂等情况，给汗孔的标注带来困难，最终导致汗孔识别正确率有所降低。

（4）为了更好地标注汗孔特征，实验者对汗孔生理结构进行学习，对形成汗孔反映效果的复杂因素进行分析，对局部指纹内乳突纹线上汗孔数量、形态、大小等进行显微镜观察比较，最终获得较高的汗孔识别正确率。 但汗孔细微、反映性差，加之复杂现场环境，给现场手印汗孔识别带来一定困难，如指纹检验人员对汗孔特征认识不足，出现标注错误及漏标增加的情况，会放弃汗孔特征的寻找使用。人为因素对汗孔识别有一定的影响，但容易被忽视。

4 结论

通过对局部指纹内汗孔特征标注与验证的实验表明，汗孔特征在一定条件下可以准确识别。 但汗孔识别的准确性受手印遗留面积的大小、承痕客体性质、显现方法以及对汗孔认识程度等多方面因素影响。 人手乳突纹线中汗孔特征客观存在，不以人的意志为转移。 随着计算机纹理识别技术、深度学习方法等指纹图像识别技术的深入发展，有望使汗孔特征的价值逐步被接受，成为辅助手印鉴定的依据之一。