淺談鉗工錘凹陷痕跡三維圖像處理方法

隋文浩，王載方

（中國刑事警察學院，遼寧 沈陽 110854）

隨著三維共聚焦顯微、白光干涉掃描、超景深三維立體顯微技術等三維微觀形貌采集技術的發展，三維圖像的獲取變得越來越容易。目前工具痕跡鑒定領域已有大量痕跡識別與鑒定工作在三維圖像的基礎上展開，可記錄痕跡上各點空間位置信息的三維圖像與工具痕跡主要研究對象的立體性特征不謀而合，使用三維形貌采集技術采集工具痕跡的三維圖像基本實現了痕跡特征的數字化保存。

凹陷痕跡的二維圖像存在分辨率較差、過于依賴合適的打光角度等問題，而三維圖像直接提取了凹陷痕跡各點的深度信息，經過處理的三維圖像可用于找到更多的鑒定可用特征，也可直接用于檢材與樣本痕跡的機器比對，相比二維圖像具有更廣闊的應用前景。

1 凹陷痕跡點云數據獲取

1.1 凹陷痕跡制備

為獲得具有重復性、標準的凹陷痕跡，設計制作了打擊裝置如圖1，以兩個長直導軌限制中間滑塊水平自由度，滑塊中間可固定錘具，底部使用可調平臺承載承痕體以控制打擊方向。裝置最快落錘速度為3.5m/s，中間滑塊總重1.5kg。

圖1 標準打擊裝置

以99.994%純度鉛50×50×15mm為承痕體，使用德國Optronis公司CP70-2-M/C-1000型號高速相機，拍攝了人使用鉗工錘打擊鉛塊的過程，逐幀計算出打擊速度為8.5m/s，并讀取打擊角度14.9°。同時使用該裝置在3.5m/s打擊速度下，在相同打擊角度15°下，制備獲得凹陷痕跡。

1.2 三維圖像數據采集

使用奧地利alicona公司IFM G4自動變焦三維表面測量儀，在相同條件下對以上兩個樣本進行形貌采集。為降低圖像處理階段的計算量，采集中盡可能人工調整承痕客體在拍攝云臺上的相同位置，進而使用相同拍攝路徑對兩個凹陷痕跡進行采集。并導出相應痕跡的三維形貌坐標數據文本文件，拍攝參數設置見表1。

表1 拍攝參數設置

對不同打擊方式測得的三維形貌坐標數據作圖如圖2。

圖2 原始空間坐標圖像

2 三維圖像處理

采用本實驗室三維形貌測量儀采集到的圖像其深度信息具有單值的特點，即每個采樣點在空間坐標系中，不同（x,y）值對應了唯一的深度數值。使用matlab編寫程序對深度圖像進行處理時可僅對圖像中的深度信息進行。

2.1 點云的補全與數學化表達

使用三維形貌測量儀采集到鉗工錘打擊痕跡的一組3×n形式的原始點云數據：

該三維形貌測量儀采集圖像可能存在的缺陷：傾斜角超過80°的表面無法采集；光照強度過低或過高導致的缺失點；系統性采集缺失點。因此，在生成目標深度矩陣的同時可采用遍歷算法將缺失點一并補全。最終獲得深度矩陣如B：

圖3 遍歷補全圖像算法流程圖

2.2 濾波平滑圖像

經補全后的圖像中包含采集時系統噪聲、采用最近臨點賦值空缺點所引入的人工噪聲以及凹陷痕跡中承痕客體自身粗糙度引入的噪聲，故采用中值濾波對圖像進行平滑處理，以去除干擾觀察或機器比對的影響因素。

最終獲得圖像如圖4。

圖4 處理后圖像

2.3 點云位姿配準

為更好地使用本研究中所采集的凹陷痕跡三維圖像，需要對相同打擊條件下的三維圖像進行剛性平、轉動配準。

將導出的深度坐標點數據轉化為點云，使用相干點漂移（CPD）算法實現點云配準，得到配準變換矩陣。在輸出變換矩陣的同時，返回與不動點云配準后的轉換后的點云，對配準后兩點云作圖如圖5。此時，兩組點云空間距離相近，已具備利用互相關測度計算相似度的條件。將配準后點云深度坐標重新返回矩陣B。

圖5 配準后點云

3 互相關測度痕跡相似度

在計算三維數據間相似度時，多采用互相關測度，互相關測度能夠很直觀地反映兩組間的相似程度。設人工手動打擊的深度矩陣B1（x,y）與使用標準痕跡打擊所形成的深度矩陣B2(x,y)，對二者進行互相關測度計算，則互相關測度值可用公式（1）計算得出：

最終計算出兩組數據相似度為0.648。

4 結語

（1）使用本文中的方法可有效處理凹陷類痕跡的三維圖像，并進行簡單的機器比對。

（2）本文使用高速相機拍攝下人使用鉗工錘等錘具時的過程，得到相應凹陷痕跡三維數據，并與標準打擊痕跡生成裝置所生成的條件相似的凹陷痕跡三維數據進行了互相關測度計算。最終得到相似度較低，其原因分析為人手在進行錘具的打擊時接觸后瞬時速度較大，裝置打擊的瞬時速度較小，該問題是目前裝置所難以實現的，但本文給出了該種比對方式的可行流程，在裝置加入其他動力的情況下，應當可以按照本論文流程給出較高相似測度。