一種基于氣動壓痕原理指掌紋自動捺印裝置的設計與實現

黃子煜，黃 偉

(福建警察學院, 福建 福州 350007)

0 引言

指掌紋捺印包括十指平面捺印、三面捺印、掌紋捺印等，是刑事犯罪偵查活動中必不可少的一個環節，同時也是一項技術性要求很強的專業工作。指掌紋捺印的質量直接影響到指紋的分析、編碼、儲存、比對和鑒定的結果[1-2]。長期以來人身指掌紋采集通常由人工完成，這對捺印人員提出了較高的要求，需要掌握指紋學專業知識和捺印操作的專業訓練，這有賴于捺印人的經驗。如果沒有經過系統的學習培訓，對捺印指紋學知識一知半解，沒有正確掌握捺印操作中的方法和技巧，往往會導致所捺印的樣本不滿足檢驗鑒定要求[3]。潘自勤等研究表明，指紋的邊緣形態、寬窄、細點線受捺印壓力等形成條件的影響變化較大[4]。另外，辦案實踐中可能涉及的被捺印人員類型非常復雜，包含了各個行業的人員，其手指皮膚情況也很復雜, 為獲取高質量的捺印指紋，還需要工作人員具體情況具體對待，細心總結經驗不斷摸索，才能取得理想的效果[5]。

在公安實踐中，人工捺印方法的缺陷主要包括：受捺印人的技術經驗和操作細節的影響比較大，捺印效果很難控制[6]，常因捺印力度或速度不均勻，或被捺印人配合度不高、遇特殊捺印對象（如僵化的尸體）等情況，從而造成指掌紋模糊不清、捺印不完整、出現變形等情況[7]，從而嚴重影響了指掌紋證據采集的質量，使得很多指紋無法正常建人計算機指紋自動識別系統中，在比對案件時無法使用，給偵查工作帶來很大的困難[8]。

隨著時代的進步和科技的發展，指掌紋自動捺印技術走入我們的視線之中。而現有采用光學掃描法等的自動捺印設備存在體積較大不易攜帶、程序設置復雜、成本高等缺點，同時這種光學掃描方法所采集的指紋還存在丟失細節特征或增加偽特征等特征變異問題，直接影響指紋的采集質量及指紋檢索的精度[9]，使現場指掌紋的自動捺印技術的推廣應用受到了很大限制。

因此，研究指掌紋自動捺印的新方法和新裝置具有重要的現實意義。本文提出了一種基于氣動壓痕原理的指掌紋自動捺印方法，設計一款面向便攜、可控、低成本的現場指掌紋自動捺印裝置，以期為案件現場取證工作提供科學、高效的指掌紋樣本收集手段，提高采集的質量和效率。

1 裝置構建方法和設計思路

如前文所述，目前用于法庭證據和檢驗鑒定的指掌紋樣本仍采用油墨捺印的方式進行采集[9]，為更好與法庭證據形式相適應，我們在進行裝置設計時，采用油墨捺印法進行指掌紋信息轉移原理的基礎上，對捺印操作的實現過程和自動化裝置創新設計。

1.1 擬解決的主要技術問題

1.1.1 捺印操作和效果

由于人的手指有彈性, 在指掌紋捺印過程中（特別是三面捺印）用力不同，造成的變形也不同[8]。這不但對捺印人操作規范要求高，還常常由于被捺印人在捺印過程中的不適應或不配合等原因，造成的指掌紋樣本紋線出現扭曲變形、不清晰、不完整等情況；而對于尸體指紋的捺印，還存在客體僵化等情況，手指間不易分開，難以拉伸，捺印工作更加困難、合格率更低，且一人難以完成[1]，這些情況大大影響了傳統手印樣本采集的可靠性和準確性。

1.1.2 現場便攜捺印

針對光學掃描法等自動捺印設備體積大、成本高，無法適用于現場的指紋捺印需求的情況，設計一款在現場條件下使用的快速、可靠的指掌紋自動捺印裝置十分必要。

1.2 裝置設計思路

通過對指掌紋自動捺印方法進行了深入研究，提出了如下的指掌紋自動捺印裝置的設計方案：裝置基于氣動壓痕原理，先將轉印材料設置于氣動壓痕包裹帶上，通過微型氣泵對氣動包裹帶充氣，使蘸有油墨的待捺印手指/手掌與轉印材料進行充分接觸、均勻受力，壓力通過薄膜壓力傳感器實時反饋至控制系統，從對氣泵的充放氣進行精確控制，實現指掌紋的自動捺印。

裝置自動捺印流程設計示意圖、應用結構圖如圖1、圖2所示。

圖1 裝置自動捺印流程設計示意圖Fig.1 schematic diagram of the automatic printing process design of the device

圖2 自動捺印裝置應用結構圖Fig.2 structure drawing of automatic printing device for finger-palm marks

2 裝置控制系統功能的實現

裝置的控制系統硬件設計遵循模塊化設計思路，各個部分相對獨立，具有標準接口，主要分為：電源模塊、主板模塊、通訊模塊、顯示模塊等，功能結構見圖3所示，主要部件包括MCU、按鍵模塊、顯示電路模塊、存儲器、以及通訊接口等。

圖3 硬件功能結構Fig.3 structure of hardware function

2.1 系統電路設計

主板控制模塊（MCU）基于ARM芯片STM32實現，它可以作為一種連接紐帶，將執行模塊與控制模塊相連，實現智能化控制[10]。主板CPU采用STM32S103單片機，該單片機包含12 MHz的晶振、內嵌出廠前調校的8MHz RC振蕩電路、內部40 kHz的RC振蕩電路、用于CPU時鐘的PLL、POR、PDR和可編程的電壓探測器（PVD）[11]。

系統的電源為+5V，單片機為+3.3V供電，因此，對提供的電源電壓（+12V）要進行直流降壓設計，在電路中采用專用開關電源芯片TPS5430、LT1763穩壓芯片實現降壓電路模塊設計。

2.2 系統控制設計

基于實現指掌紋自動捺印的設計目標，即只需將要捺印的手指/手掌（蘸有油墨）放置在裝置氣動包裹帶所圍成的圓柱面內部，待捺印部位置于轉印材料對應位置上，接通電源，啟動微型氣泵對氣動包裹帶充氣；氣動包裹帶隨著充氣量的增加逐步鼓起，對指掌紋形成擠壓，同時通過設置于氣動包裹帶內側的薄膜壓力傳感器，實時監測轉印材料與指掌紋間的相互作用的壓力大小，并實時反饋至控制系統，達到預設的壓力值后穩定一定時間，使轉印材料與指掌紋乳突紋線上的油墨進行可控、精確的接觸加壓控制，實現指掌紋在轉印材料上形成清晰、均勻的紋線效果；之后釋放包裹帶氣體，解除壓力后啟動包裹帶收縮，并與手指/手掌分離，將手指/手掌取出即可完成自動捺印過程，轉印材料上即獲得被捺印客體的指掌紋。系統主程序流程如圖4所示。

圖4 系統主程序流程圖Fig.4 the flow chart of this system

其中，我們以PWM的方式實時調節微型氣泵電機運轉的速度[12]，從而實現對氣動壓痕包裹帶的充氣量和充氣速度的精確控制。

采用這種方法，整個指掌紋的捺印過程可自動完成，并實現捺印過程中壓力、時間等參數的可控、精準控制。

2.3 顯示模塊設計

顯示模塊采用DMG80480C043_02WN （DWIN Technologies）電阻觸摸屏進行開發。該顯示器串口屏的軟件設計主要在 DWIN DGUS開發軟件下完成。軟件界面功能主要包括氣動壓痕包裹帶預設壓力值的輸入、壓力數值顯示、壓力系數設置（包含斜率k和截距b，可將壓力傳感器電位信號的標定為壓力值）、氣泵電機轉速顯示等，軟件設計開放界面如圖5所示。

圖5 串口屏軟件設計界面Fig.5 design interface of software for serial screen

3 結論

本文所設計的基于氣動壓痕原理的指掌紋自動捺印裝置，在捺印原理和實現方法上進行了創新，并具有以下優點：（1）自動采集方式不需要捺印人與被捺印人進行肢體接觸，在避免被捺印人不配合的情況下也能讓其在心理上有較好的接受度，最重要的是這種捺印過程不會受到捺印雙方手指移動、情緒等主觀因素的影響，捺印的一致性、穩定性都得到較好的提升。（2）通過本裝置有望實現手指三面捺印、十指平面捺印和全手掌三種捺印方式，可以提取到被捺印人的指背紋路等更豐富的指掌紋生物特征信息。（3）相比較于光學掃描方法等其他自動指掌紋捺印儀器，本裝置構成簡單，體積較小，操作上較為簡易，方便快捷，同時與傳統的油墨捺印方法在中介物質的采用方面也是一致的，能夠較好適應現場指掌紋快速自動捺印的實踐需要。

當然，本裝置的設計和實現過程中，由于研究條件所限，裝置的控制精度和穩定性方面還有待提高，今后我們將逐步完善裝置的各個部分的設計細節，并通過捺印實驗進行驗證，進一步提高指掌紋自動捺印的性能和質量，以期為案件現場勘查和人身指掌紋生物樣本信息采集工作提供快速、可靠、便攜的指掌紋物證信息采集新技術和新手段。