三維立體足跡采集與分析系統應用

陳蕊麗, 周吉亮， 魏育新， 劉偉平

(1. 中國人民公安大學 刑事科學技術學院, 北京 100038； 2. 公安部物證鑒定中心, 北京 100038)

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三維立體足跡采集與分析系統應用

陳蕊麗1, 周吉亮1， 魏育新1， 劉偉平2

(1. 中國人民公安大學 刑事科學技術學院, 北京 100038； 2. 公安部物證鑒定中心, 北京 100038)

為探求光學無損采集及檢驗立體足跡的新方法，應用三維足跡采集與分析重建技術實現立體足跡數據的模擬實體顯示，通過軟件實現立體足跡特征的測量、分析及比對。該方法可以擺脫傳統足跡檢驗方法，使立體鞋印的檢驗走向數字化、標準化、自動化。三維立體足跡采集分析系統豐富和發展了足跡檢驗技術的理論與方法。

立體足跡； 足跡檢驗； 比對

0 引 言

立體足跡是犯罪現場較為常見的一類痕跡物證，其中蘊含著犯罪嫌疑人員的大量信息[1]。目前，對于立體足跡的提取主要是通過石膏灌注提取，對立體足跡的檢驗與分析基本上還處于專家經驗認知階段，只有少數經驗比較豐富的專家學者才能對立體足跡反映的特征進行較為準確的解讀與分析。傳統的足跡檢驗主要依據個人經驗，手工測量數據、標定特征、進行比對，檢驗結果誤差大、易受人為因素影響，檢驗方法的科學性有待進一步提高，檢驗手段需要改進和豐富[2]。雖然有相關單位研制和開發立體足跡自動比對系統，但具體到實踐中的應用效果還有進一步提升的空間，并沒有完全解決立體足跡檢驗的標準化、科學化應用的難題。三維立體足跡采集與分析系統創新應用光學掃描技術、三維重建技術、比對分析等技術，實現了對立體足跡的提取、分析、比對等檢驗的數據化、自動化、網絡化，檢驗結果更加客觀，且操作簡便。更為重要的是無損檢驗。

1 三維立體足跡采集與分析系統

三維立體足跡采集與分析系統分為立體足跡采集儀和足跡分析比對軟件兩部分。三維立體足跡采集儀可以快速、精確、多信息的對現場立體足跡數據進行采集，能夠通過計算機控制，也能脫離計算機獨立工作。采集儀采用高像素面陣CCD結合LED投影光源投射結構光進行三維測量與二維影像信息的同步采集[3]，不存在機械傳動等造成的系統誤差，能夠確保提取立體足跡誤差小于0.1 mm。在操作過程中，三維立體足跡能夠輕松應對各種地面條件，包括滲透性客體、沙土、粉塵、積雪、積水、龜裂，不受地面條件限制。另外，非接觸式掃描方式獲取立體足跡形態特征信息時，對立體足跡本身沒有損害，實現了無損提取信息[2]。

三維立體足跡分析比對軟件提供了形象、多維、豐富的顯示方式，以二維影像結合三維重建技術實現了立體足跡的現場還原；實現多角度實景觀察，將細微變化以直觀、形象的方式表現[4]。軟件擁有多種圖像處理功能，能夠改善圖像質量。通過軟件能夠可視化地標定鞋印上的痕跡特征，多方式測量立體足跡，并將數據反映的信息形象地用于比對檢驗中。同時，軟件開發了重壓比對、斷面比對兩種立體足跡比對分析方法，為足跡檢驗提供了更加全面、廣泛的參考。具體操作為采集圖像、數據處理、圖形標注、圖像處理、數據比對與分析。

2 三維立體足跡采集與分析系統在立體足跡檢驗中的應用

主要從三維顯示、平面分析、三維立體足跡比對3方面對三維立體足跡采集與分析系統軟件進行應用。三維顯示功能用來對立體足跡樣本數據進行多方式觀察，并完成對數據的基本處理。平面分析功能可以對檢材和樣本數據進行標注、測量，以及平面上的圖像處理。軟件的三維立體足跡比對與分析功能提供了重壓比對、斷面比對兩種立體足跡比對分析方法。

2.1 三維顯示

2.1.1 顯示效果

該功能主要包括壓力顯示、繪等高線、切換材質3部分，幫助檢驗人員直觀、多方式的觀察立體足跡。

壓力顯示是以灰度變化圖的形式顯示出足跡數據。受到壓力大的區域會深色顯示，壓力小的區域淺色顯示，如圖1，可以非常明顯的觀察到，顏色最深的地方顯示為橘紅色，分別位于前掌區的上方和后跟區的下方，這兩個位置是此枚穿鞋足跡的主要受重區域[5]。壓力顯示直觀的顯現了足跡的承壓情況，操作簡單、一目了然，省去了傳統的足跡檢驗中壓力檢測的繁瑣步驟。

繪等高線是通過閾值和高斯兩個參數的調整來改變圖像上顯示效果[6]，利用等高線標畫出足跡的中央位置及變化狀態，如圖2，等高線的插入，方便檢驗人員觀察立體足跡的高度變化、研究圖像中的不同位置關系以及確定中心位置和重點區域。

(a) 原始數據圖圖1 壓力顯示效果圖

(b) 壓力顯示圖

圖2 繪等高線效果圖

切換材質將足跡畫面顯示的材質進行更換，有四個材質參數可供選擇，分別為原始樣式、橡膠、金屬和泥地，如圖3，可以更加真實的還原現場足跡的形貌特征。通過觀察可以發現，不同材質背景下立體足跡數據的顯現質量有一定差異。足跡檢驗鑒定人員可以使用此功能對圖像顯示效果進行調整，以達到最佳的觀察效果。

原始樣式

橡膠

金屬

泥地

圖3 4種材質效果圖

2.1.2 數據處理

數據處理主要是實現對檢材和樣本數據的特殊處理，包括“顯示增強”和“重壓檢測”兩個主要功能。

顯示增強是用框選的方式突出足跡的細節顯示，如圖4，通過應用前后的效果對比可以發現，明顯提高了立體足跡鞋底花紋特征的顯示效果。在軟件的實際操作中，使用者可以對圖像進行任意框選，操作簡單，效果明顯，足跡檢驗人員更容易對足跡的細節特征進行比對分析，提高了足跡檢驗工作的效率。

重壓檢測是將足跡數據中的花紋過濾掉，直接顯示足跡的重壓圖像[7]，如圖5，直觀地顯示了立體足跡樣本的受壓情況，使立體足跡的觀察手段更加豐富。

2.2 平面分析

平面分析主要實現了對立體足跡檢材或樣本數據的平面標注、繪制、測量。同時，可以通過圖像處理技術，對足跡圖像進行二值圖方式顯示[8]。

2.2.1 標注、繪制、測量

標注、繪制、測量功能可以直接選取需要繪制的標注的類型，然后在需要的位置直接繪制。系統提供了多種標注類型，包括線段、十字、圓形、橢圓、矩形、三角形、曲線、波折形、任意點、文字等。同時可以對所做標注進行測量，測量內容包括：兩直線角度、測量長度、測量周長、測量面積、長度和斜率、寬度和高度、振幅和頻率。在操作中，可以任意角度旋轉圖片的角度，也能夠添加比例尺。圖6是使用系統軟件標注測量的足長、掌寬、弓寬、跟寬。

2.2.2 圖像處理

圖像處理主要通過動態繪制和整體均勻兩步驟完成對足跡圖像處理[9]。動態繪制功能是對足跡圖像進行二值圖方式顯示，如圖7。整體均勻功能是指對圖像進行噪點細化處理，使“動態繪制”后圖像質量更加均勻，如圖8。通過動態繪制和整體均勻這兩步圖像處理操作，得到了由黑白顏色組成的二值圖像[10]。

圖6 標注測量效果圖

圖8 整體均勻效果圖

圖像二值化作用是為了方便提取圖像中的信息，二值圖像在計算機識別時可以增加識別效率[11]。

2.3 比對分析

比對分析主要有“重壓比對”“斷面比對”兩種立體足跡比對分析方法，該方法操作簡單，可靠性高。

2.3.1 重壓比對分析

重壓比對分析是比較數據位置與基面(0 面)的相對位置變化關系[12]。系統對數據進行平滑處理，得到數據 z 坐標值的變化趨勢，對變化趨勢進行比對，并通過軟件運算自動分析兩個足跡樣本的相似度。具體操作：① 打開兩個需要比對的樣本；② 手動將兩個足跡樣本圖片重疊放置；③ 點擊工具欄中的“重壓比對”按鈕；④ 點擊“確定”按鈕，系統將所選區域生成高差圖，并得出相似程度。操作過程流程如圖9所示。

圖9 重壓比對流程圖

足重壓面與人體的身高、體態、性別、年齡以及運動姿態密切相關，其形狀、位置、方向等特征反映人體的個體差異，是描述足跡差異的穩定和基本的識別特征[2]。系統利用足跡檢驗技術中這一理論基礎，開發了立體足跡重壓面的比對分析，分析不同足跡樣本數據重壓面的相似程度。圖9中高差圖是通過比對兩枚同一人的穿鞋足跡得出的，系統計算出的相似程度為96.37%，比對結果較為可靠，可以為足跡檢驗的同一認定提供參考。

2.3.2 斷面比對分析

斷面比對分析是對兩個待比對的樣本圖截取斷面，系統自動對這一斷面進行比對，并繪制出“紅、綠、藍”斷面圖，得出斷面相似程度。具體操作為：① 打開兩個需要比對的足跡樣本；② 把兩個足跡重疊放置，通過鼠標劃取要進行對比的線段；③ 點擊工具欄上的“斷面比對”按鈕，系統將彈出斷面圖，斷面圖分別以不同倍數的比例顯示出兩個斷面的對比情況。斷面圖中紅色曲線代表先加載的數據；綠色曲線代表后加載的數據；藍色曲線代表二者的差值。操作過程流程如圖10所示。

圖10 斷面比對流程圖

3 三維立體足跡采集與分析系統在立體足跡檢驗中的技術優勢

通過對三維立體足跡采集與分析系統的功能和使用的研究，與主要依靠檢驗人員經驗，手工對立體足跡石膏模型進行描、測、比較的傳統方法相比較，具有以下優勢：

(1) 提取方法先進。三維立體足跡采集不僅可以無損采集被測物體三維信息，還可同時拍攝二維彩色照片，在提取三維信息時，不需要考慮配光角度，不需要提前放置比例尺，就可以完成三維、等大的信息提取。同時，結合3D打印技術，可以對案件實現實時異地串并，并且無損化提取在物證檢驗鑒定領域占有重要地位[14]。

(2) 觀察手段多樣。傳統方法在立體鞋印檢驗時，直接觀察實物，對一些帶深度的特征、微小特征不易觀察。三維立體足跡采集與分析系統借助實物三維模型可視化技術，檢驗人員可以選擇單視窗或雙視窗，多視角、任意縮放比例地觀察多種表面紋理等不同形式圖像。

(3) 測量手段更加多樣?？勺詣訙y量三維模型上任意兩點長度、深度、某一區域半徑等數據；也可以對平面圖像進行線段、十字、圓形、橢圓、矩形、三角形、曲線、波折形、任意點、文字標注，并可測量兩直線的角度、長度、周長、面積以及斜率、高度等信息。

④ 比對方法更加客觀、科學、穩定。系統借助三維模型可以完成包括深度在內的各種復雜幾何測量。借助多種測量、比較工具可以更加客觀地標識磨損特征、鞋底花紋特征，減少人為影響。

4 結 語

在打擊刑事犯罪的新形勢下，足跡鑒定技術將會發生越來越重要的作用。隨著科技的進步，把高新技術成果應用到刑事技術領域是刻不容緩的工作，也是全體刑事技術人員的夢想。隨著三維立體足跡采集于分析系統的研發，這一快捷、準確、方便的足跡采集分析技術設備實現了計算機輔助識別立體鞋印形態特征；完成了鞋印特征的計算機輔助提??；為立體鞋印的比對檢驗提供了更為客觀、科學的方法；提高了物證提取效率、質量；提高了立體鞋印檢驗的科學性；更好地為破案提供線索、為訴訟提供證據，為打擊犯罪提供了有力的技術支撐。因此，有必要對這一系統進行更加細致研究，熟悉系統性能，提高工作效率，推廣到全國的公安工作當中，進而及時、高效、準確的為公安工作提供技術支持，促進社會和諧穩定。

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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

公安部科技強警基礎工作專項(2015GABJC19)

陳蕊麗(1968-),女，吉林長春人，副教授,碩士生導師,長期從事刑事科學技術方向的教學與科研工作。

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

D 918.91

A

1006-7167(2016)08-0131-04