探析高分辨率指紋特定條件下三級特征的穩定性

郭少波，王 芫，王 炎，付雪峰

（1.中國人民公安大學，北京 100038；2.中國人民公安大學 刑事科學技術系，北京 100038）

目前，我國指紋比對主要依賴于二級特征的數量和質量，而指紋等傳統物證遭受了各種非議，甚至被指認不能作為證據使用。另外，在實踐中提取的現場指紋往往是局部的、殘缺的、變形的，從而達不到同一認定的目的，這樣看來無論從理論上還是實踐上都急需用新的理論、技術來充實、修補、甚至改變指紋理論。而在比對過程中，這些三級特征的利用往往會使指紋的成功匹配變得相對容易[1]。三級特征，特別是對低質量指紋、殘缺指紋等二級特征數量少的指紋而言，指紋識別具有重要作用。本文試圖從汗孔、紋線邊緣、細點線、疤痕等三級特征入手，探索其在不同變量條件下的穩定性，以期能對上述指紋困境有所改變。

現在公安系統主要借助油墨捺印的方法來獲取指紋樣本以進行特征比對。而高分辨率（1000ppi）指紋圖像中的三級特征具有高區分度、高特征密度，可以有效地提高查準率，是指紋識別技術的研究前沿，所以本次試驗研究，通過利用高分辨率掃描儀掃描不同壓力下油墨捺印指紋，盡量減少細節特征的損失，達到清晰顯出指紋三級特征的目的，研究三級特征顯現的穩定性，確定其鑒定價值，更好地為偵查破案服務。

1 指紋三級特征概述

1.1 指紋特征的分類

1912年，洛卡德[2]研究汗孔在指紋鑒定中的作用，他的研究表明20～40個汗孔足以確定人的身份。從那以后，指紋的鑒定特征通常分為三級。而現代指紋理論中的指紋特征基本遵循D.R.Ashbaugh提出的三級分類法：一級特征有：紋線流向流（見圖1）、中心花紋和三角區（見圖2）、紋線類型分類（弓形紋、箕型紋、斗型紋和混雜型紋）（見圖3）。二級特征有：乳突紋線局部的細小結構，紋線路徑（連續或打開脊、特征點/脊線關系、脊線曲率、特征關系圖4）、斷點區域或山脊（見圖5）、大的細節特征點（形狀和大小）；三級特征有：汗孔、脊線邊緣形態、細點線、皺紋、疣、傷疤等（見圖6），需要放大更高的倍數才能被觀察到。

圖1 紋線流向流

圖2 中心花紋和三角區

圖3 紋線類型分類

圖4 紋線路徑分類

圖5 斷點區域或山脊

圖6 三級特征

1.2 指紋三級特征研究成果概述

1.2.1 國內研究概述

姜友云[3]重點研究了細點線的位置及出現率，得出其具有較強的穩定性，可作為鑒定的依據。劉微等[4]對汗孔細節特征的形成機理進行了初步研究，并驗證了使用暗視場顯現光滑平面玻璃上指印汗孔細節特征的現實可行性。但是，要將汗孔細節特征應用到實際的鑒定中，還需要做大量工作。中科院自動化所的羅希平等[5]利用了脊線上的四個采樣點來表示細節點對應的脊線特征，提高了匹配的可靠性。清華大學周杰等人在匹配階段融合了方向場匹配和細節點匹配結果，增強了系統對低質量圖像匹配的可能性，但是針對高分辨率指紋圖像及其三級特征自動識別的研究還未見系統的報道。

1.2.2 域外研究概述

Patrice Morier[6]于2004年提出假設并證實：三級特征的使用可能增加高分辨率圖像所允許的水平下的三級特征的提取，特別是在對案件片段指紋的識別比對中。隸屬于美國國家標準化組織（ANSI）和美國國家標準與技術研究所（NIST）的指紋分析、研究與技術科學工作組（SWGFAST）于2005年明確提出：指紋圖像分辨率最少要達到 1000ppi，聯邦調查局（FBI）AFIS標準中應該加入三級指紋特征，并于2007年發布了“用于指紋、面部和其它生物統計學信息交換的數據格式”標準，制定了各級特征的標準[7]。目前，美國的部分AFIS指紋庫已經處于500ppi和1000ppi共存的狀態，并逐漸向1000ppi過渡。近幾年密歇根州立大學的 A.K.Jain[8]致力于研究指紋三級特征，他構建了利用1000ppi分辨率指紋圖像中一級、二級、三級特征的AFIS系統，進行分級識別，低質量和小面積指紋在融合三級特征后匹配準確率有很大改進，并提出了一種紋線邊緣的表示和提取方法[9-10]。瑞士聯邦技術研究所的K.Kryszczuk等[11-12]研究了細節點和汗孔在殘缺指紋匹配中的應用，表明當細節點不足時，汗孔等三級特征點作用會增加，并且在分辨率足夠時，一小塊殘缺指紋上的三級特征信息會比完整指紋上的細節點特征更多；美國漢茨維爾大學的M.Ray[13]、英國華威大學的 N.R.Parsons[14]、香港科技大學的趙啟軍等[15]都提出了基于各向同性或者各向異性的汗孔灰度模型和濾波提取方法，較為有效地提取了高分辨率指紋中的汗孔點。針對三級特征的應用，趙啟軍提出了一種汗孔直接匹配算法，實現二級特征與三級特征的解耦，進而實現匹配結果融合，增強了融合效果；M.Vatsa直接將局部結構中的細節點、汗孔信息融合成一個特征描述符，構建特征超矢量，并以此為基礎進行指紋識別時，指紋圖像旋轉或平移都具有不變性。

2 研究理論準備及預試驗

2.1 油墨捺印指紋的變形失真現象

經過總結，油墨捺印指紋變形失真的現象有以下情況：

2.1.1 紋形上的變形

2.1.2 紋形的變形

2.1.3 細節特征的變形

2.1.4 三角的變形

2.1.5 距離、位置的變形

由于紋形、紋線、特征、三角等多方面的變化，因而帶來距離、角度上的差異，位置上的不一，由此也會產生在同等距離中線條出現多和少的特征。

2.2 試驗中影響指紋三級特征穩定性的因素

經過分析總結，造成上述變形的人為可控因素有：捺印前清洗與否，手上帶有污垢而堵塞小眼、填滿的汗孔，導致犁溝等反映不出來，甚至起點、分歧、結合、終點等結構特征發生變形；油墨厚薄的影響，捺印時油墨過厚，容易引起局部堵塞，而改變特征的形態，嚴重的會填塞犁溝，紋線不清或出現假特征，而捺印油墨過薄，指紋的特征反映不清，或使相連的紋線分離；另外由于不同的捺印方式產生不同的作用力，也會使指紋特征產生一定的變形失真。

在試驗中影響指紋三級特征的反映性的主要因素包括：壓力的大小，捺印前手指清潔與否，捺印時的油墨量，捺印方式的不同，捺印的客體的選擇。

2.3 預試驗及變量的確定

為了固定好其它變量，而只考察在不同壓力下指紋三級特征的穩定性，本試驗事先進行了預試驗，考察捺印油墨量、捺印方式、捺印客體對三級特征的影響。

2.3.1 油墨捺印指紋時三種壓力的選擇范圍

試驗選取了在校生男女各20名，按照其各自所理解的“輕壓、中壓、重壓”在電子稱上捺印食指油墨指紋5次，經過統計、分析、篩選與總結可以看出輕壓、中壓、重壓的壓力范圍分別為 20～80N、80～320N、320N以上，故而本試驗所述的輕壓、中壓、重壓均是上述壓力范圍。

2.3.2 不同捺印方式對指紋三級特征反映性的影響

油墨捺印分三面捺印和平面捺印，在預試驗中仍是選取在校生男女各20名，分別采用兩種方式捺印食指指紋5次，比較發現：大部分的同一指紋的兩種捺印方式差別不大，但有10%左右的指紋三面捺印時紋線分離的地方在平面捺印里是連接的，三面捺印里紋線起始處呈三角狀而平面捺印時呈蝌蚪狀，三面捺印里小點較粗且長而平面捺印里小點較細且短。與活體掃描圖片相比，三面捺印的效果更接近真實情況，故實際中常采用三面捺印（見圖7）。

圖7 不同捺印方式的對比

2.3.3 不同捺印客體對指紋三級特征反映性的影響

本試驗中分別以十指指紋卡片，相底卡片和打印紙作為客體進行捺印，分選男女各20名捺印食指指紋5次。發現：十指指紋卡片和打印紙的材質比較接近，對指紋三級特征的反映性相當，打印紙略次一些，在十指指紋卡片和相底上的紋線分理處，在打印紙上是連接的，打印紙對細點線的反映性較十指指紋卡片差。相底卡片表面較光滑，滲透性較低，對指紋汗孔的反映性最好，紋線形態、細點線及皺紋的反映性也較前兩種紙質好，紋線起始處在相底上也最清晰。但是相底較光滑，捺印時易滑動，捺印完需要固定，此程序較麻煩，實際工作中很少用到（見圖8）。

圖8 不同捺印客體的對比

2.3.4 不同油墨量對指紋三級特征反映性的影響

油墨量的多少在捺印時很重要，在預試驗中選取在校生男女各20名，分別采用兩種方式捺印食指指紋5次，從所得結果中可以看出：捺印時油墨過厚，容易引起局部堵塞，而改變特征的形態，嚴重的會填塞犁溝，紋線不清或出現假特征。捺印油墨過薄，指紋的特征反映不清，或使相連的紋線分離，形成斷點（見圖9）。

圖9 不同油墨量的對比

經過以上預試驗，為了達到最好的試驗效果，在接下來的試驗中采取了一下條件：捺印前捺印人需將手上的汗漬、水漬、污漬擦凈，保持手指干燥清潔，在十指指紋卡片上用適量油墨采取三面捺印的方法進行試驗。

3 試驗部分

3.1 試驗儀器：愛普生Perfection 4870 Photo掃描儀、家用廚房電子稱

3.2 試驗材料：十指指紋采集卡、ZNY-V型掌紋捺印盒

3.3 試驗步驟

（1）找20名在校生在十指指紋采集卡上分三種壓力（輕壓，中壓和重壓）進行油墨捺印指紋，均采用三面捺印方法。共采集樣本600份。

（2）掃描捺印樣本，分辨率設置為1200ppi，圖片格式設置為TIFF格式。

（3）直接掃描手指（操作時，將手輕輕放在掃描儀上，以免產生變形），分辨率設置為1200ppi，圖片格式設置為TIFF格式，作為比對的標的。

（4）利用Photoshop軟件分別對每人三種壓力下各個指頭上三級特征與標的進行比對，觀察并記錄其反映性和穩定性。

（5）綜合評判比較試驗結果，得出結論。

4 試驗結果與分析

4.1 對指紋汗孔反映性及穩定性的分析

汗孔是汗腺排泄汗液的出口，在紋線中汗孔位于乳突紋線上，它們呈不規則分布。汗孔隨著皮膚的產生而形成，并隨著年齡的增大成比例放大，直至成人，相互關系穩定，所以人的乳突紋線一經形成，汗孔的穩定性就相對不變。汗孔的直徑一般為50～250μm，每毫米的乳突紋線上有3～5個汗孔，汗孔的排列、形狀、大小、位置都有其特殊性[16]。

汗孔可以是打開［見圖 10（a）］或關閉［見圖 10（b）］，一個完全封閉的封閉孔是在一個脊上，而一個開放的孔躺在山谷兩脊間。

圖10 汗孔形態

按捺壓力因素對汗孔細節特征的形成也起到了至關重要的作用。試驗發現，在輕壓的200個樣本中，只有54個樣本對汗孔反映性較好，汗孔較明顯且大，中壓時減少到26個，此時汗孔變小，一些輕壓時的開孔變成了閉孔狀，重壓時僅有5個樣本有汗孔顯現出來，且汗孔幾乎不可見。由于汗孔是孔洞結構，所以受擠壓時四周向中心受力，致使汗孔產生收縮變形，紋線物質部分遺留在汗孔位置，造成顯現出來的汗孔較小，甚至沒有；相反，按捺壓力小的指印顯現出來的汗孔就較大。此特征很不穩定（見圖11）。

圖11 汗孔的反映形態比較

4.2 對指紋紋線形態反映性及穩定性的分析

紋線的邊沿形態細節特征，是指每條乳突紋線的邊沿顯示的凹凸起伏的形態。它反映了乳突紋線邊沿的皮膚形狀，這種邊沿形態包括乳突紋線的起點邊沿、終點邊沿、線的中段邊沿形態。紋線的邊沿形態反映的是乳突紋線兩側（起點處和終點處是三側）的具體形態，由于乳突紋線的寬度在0.2～0.5mm之間，因此它的形狀是一種微觀結構，需要在顯微鏡下才能觀察其具體形狀。這種邊沿形狀往往由于形成條件復雜、顯現技術的針對性不強而產生變形或反映不清。

按捺壓力因素對紋線細節特征的形成也起到了至關重要的作用，按捺壓力越大，指印紋線變形越嚴重。從試驗中可以看出：輕壓時，紋線形態清晰且較細，紋線交叉處空隙較大，起始處呈柱狀；中壓時，紋線交叉處空隙減小，起始處呈蝌蚪狀；重壓時，紋線交叉處基本連接，起始處呈三角狀，且此時紋線最粗且模糊不清。活體掃描對紋線的反映性不是很好（見圖12）。

圖12 紋線形態反映性比較

4.3 對指紋細點線反映性和穩定性的分析

乳突細點線也稱乳突細點線、溝底細線，它是出現于乳突紋線之間小犁溝中的連續分布的細線，間斷分布的細點狀的組織結構。乳突細點線的結構比較簡單，呈細線狀和細點狀。但由于它是散在無規律的分布，以及其具體形態、大小的多樣性，可以構成自身特殊的本質。

乳突細點線是夾在乳突紋線中間的一種細小紋線和點，并非人人都有，在手印中也不一定完全能反映出來。多數人是隨著年齡的增長而逐漸出現的，乳突細點線的出現與否，往往同年歲增長等生理變化有著密切的關系。很多人在青少年時，手指的乳突紋線飽滿而高，小犁溝深，留下手印時，小犁溝底部不易接觸客體。成年后，乳突紋線和小犁溝的寬度基本相等，留下手印時，局部小犁溝寬的部位開始出現細點線，以后逐年增多、變粗。

按捺壓力因素對細點線細節特征的形成也起到了至關重要的作用，按捺壓力大，指印細點線變形較嚴重。由試驗可以看出：輕壓時細點線呈細條狀，而中壓時細點線較輕壓時變粗變短了，重壓時由于油墨不均勻以及指紋擠壓變形而使紋線模糊，而影響原始指紋的質量，細點線形態未能反映出來（見圖13）。可見，輕壓時效果較好。

4.4 指紋皺紋的反映性和穩定性的研究

皺紋是指由于皮膚的張弛、堆積活動所形成的細小溝紋。皺紋有的在胎兒期就出現了，有的在出生后會消失，有的隨著年齡增長又會產生并逐步變多變長，它分布在整個手掌表面，皺紋的方向多與乳突紋線的方向不一致，有著一定的角度，有并行狀態和網絡狀態等，其位置也不確定。皺紋印痕的形狀與屈肌褶紋相近，多呈窄而斷的空白線條，流向多與乳突紋線交叉，但在短時間內不會發生較大的變化。

按捺壓力因素對指紋皺紋的形成影響很大：按捺壓力大，指印皺紋變形較嚴重。從試驗來看，輕壓時皺紋有原始形狀，長短和粗細，形態反映很清晰；中壓時，由于擠壓變形，皺紋形態較輕壓時短而細；重壓時，擠壓變形最為嚴重，皺紋失去了原來的形態，如果皺紋本身較細小時，重壓力下會消失（見圖14）。

圖13 細點線的反映性比較

圖14 皺紋的穩定性比較

5 結論

通過此次試驗發現，油墨捺印指紋對三級特征的反映性不夠理想，汗孔、紋線形態特征、細點線特征及皺紋在不同壓力下的穩定性較差。其中，各個三級特征在輕壓下的反映性及穩定性較為接近實際，捺印的壓力越大則三級特征變形越大，甚至完全變形成為另外一種特征。只要控制好變量因素（適當的輕壓、均勻的油墨量及三面捺印），指紋的三級特征還是有很高鑒定比對價值的。

在域外的指印鑒定工作中，雖然已經有利用汗孔細節特征對指印進行同一認定，但在我國實際案件中，由于現場所留的指紋都遠遠達不到上述的輕壓等要求，同時對現場汗孔細節特征的發現和提取較為困難，對汗孔的分類、命名、標示等又存在一些沒有解決的問題，目前在我國刑事技術領域還沒有得到應用，所以如果將此法應用于指紋比對時，仍需進一步的研究與改進。

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