足跡識別技術(shù)研究進展

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摘要：足跡鑒定技術(shù)在科技進步、技術(shù)革新的推動下，自動化程度、智能化水平不斷提高。同時，犯罪形勢及罪犯的反偵查能力給足跡鑒定提出了新問題、新挑戰(zhàn)。鑒于此，梳理足跡識別技術(shù)的國內(nèi)發(fā)展動態(tài)，分析其優(yōu)缺點，指明研究方向，促進現(xiàn)代刑事科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：足跡識別；步態(tài)識別；身份認(rèn)證

足跡是人自重和人體肌力通過足作用于地面等物質(zhì)客體上形成的痕跡。在沒有指紋及DNA等相關(guān)證據(jù)的現(xiàn)場，足跡極有可能是唯一的案件偵破突破口，其重要性不言而喻。足跡按照是否有深度或高度信息可分為立體足跡與平面足跡。立體足跡包含豐富的生理特征和行為特征，是足跡檢驗鑒定方面的重要研究對象。

一、國內(nèi)研究進展

（一）人工足跡檢驗人工足跡檢驗以點、線、面幾何信息的形象描述為主，輔以人工的加工測量手段獲取足跡特征。一般人難于提取和識別這些特征，只有領(lǐng)域?qū)＜矣羞@方面的能力，因此這些特征也被稱為足跡“專家特征”。對于這些特征，由于領(lǐng)域?qū)＜业闹R結(jié)構(gòu)的差異，對于同一案件，專家結(jié)論可能出現(xiàn)對立的局面。因此，人工足跡檢驗結(jié)果不在法院直接采信的證據(jù)范疇內(nèi)。1.形象特征檢驗形象特征檢驗是直接比對足跡形象特征的方法，包括但不僅限于大小、寬窄、腳底拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、花紋、磨損等形象特征。這種方法直觀、容易掌握，對于同一環(huán)境、同一雙鞋有著不錯的比對效果。2.步法檢驗20世紀(jì)50年代馬玉林等人提出并實踐了步法檢驗，使用17種單腳步態(tài)特征和雙腳步幅特征進行同一性認(rèn)定。由于該方法對足跡數(shù)量和質(zhì)量要求較高，對城鎮(zhèn)等足跡成痕環(huán)境較差的場所，適應(yīng)能力較弱。3.單足跡檢驗20世紀(jì)70年代，在步法檢驗的基礎(chǔ)上，對單足跡的特征提取及檢驗方法進行了深入研究。這種測出單足跡的幾何特征，估計人的生理和行為特征，并進行人身認(rèn)定的方法被稱為單足跡檢驗。該方法對于身高、年齡、性別、體態(tài)有較好的檢驗效果。但是，由于單足跡的重復(fù)率高，隨機性大，直接進行認(rèn)定比較困難。4.單足跡比對檢驗單足跡比對檢驗相對于單足跡檢驗增加了兩枚足跡比較的環(huán)節(jié)，判定兩枚足跡是否為同一人所為。該方法適應(yīng)性較強，結(jié)論相對較可靠。但是，單足跡特征受成痕主體與成痕環(huán)境的影響大，提取與識別困難，只有少數(shù)領(lǐng)域?qū)＜艺莆赵摲椒ㄅc技術(shù)。5.磨損特征檢驗?zāi)p特征檢驗是用由運動、生理結(jié)構(gòu)、動力定型等因素綜合作用形成的相對穩(wěn)定的鞋底磨損特征對鞋及人進行同一性認(rèn)定的方法。它可用于不同種類鞋子認(rèn)定，是足跡檢驗技術(shù)的重大進步，但是，在實際檢驗應(yīng)用中對磨損程度、磨損形態(tài)較難理解和掌握。

（二）定量化足跡檢驗20世紀(jì)80年代，痕跡檢驗技術(shù)的發(fā)展及技術(shù)革新需求促進了足跡特征定量化技術(shù)的發(fā)展。周口市公安局王清舉與北方工業(yè)大學(xué)及公安部832廠等單位聯(lián)合研制了“CZG-1立體足跡高程測量儀”及換代產(chǎn)品“JLH-A面陣式深度數(shù)據(jù)測量儀”，用力學(xué)、模糊數(shù)學(xué)量化成趟足跡中步長、步寬、步角等特征，便于足跡檢驗，降低檢驗門檻。河北省雄縣劉樹權(quán)在20世紀(jì)80年代中期將力平衡及軌跡參數(shù)化運用到足跡檢驗中，提出了足跡動力形態(tài)檢驗方法，與南開大學(xué)合作開發(fā)了“足跡計算機自動鑒定系統(tǒng)”。這兩種方法在量化足跡特征基礎(chǔ)上，研制了足跡鑒定系統(tǒng)，自動化程度高、學(xué)習(xí)使用起來更加方便，鑒定結(jié)果更加客觀公正。但是，這兩種方法依然是以步法檢驗為基礎(chǔ)，對動力定型所形成的運步方式的參數(shù)化，足跡的提取、足跡特征的提取必須由人手工完成，自動化程度還不夠高，沒有擺脫足跡“專家特征”的約束。

（三）自動化足跡檢驗20世紀(jì)90年代以來，足跡檢驗受到了公安部的高度重視，重點攻關(guān)足跡分析和識別自動化技術(shù)。解放軍信息工程大學(xué)平西建團隊從1995年開始研究立體足跡的檢驗鑒別。用傳統(tǒng)石膏制模方式采集立體足跡，在生物特征識別、三維數(shù)據(jù)分析、造型等方面的研究較深入。王淡用Bezier和B樣條曲面進行足跡三維曲面重建。田越提出了基于曲線形狀分析的三維表面識別方法。應(yīng)用該技術(shù)，與河南省周口市公安局開發(fā)了“基于重壓面形狀分析的立體足跡造型與識別系統(tǒng)”，但是，該方法要求深度基準(zhǔn)面一致。肖著提出了表面法向量分布曲線識別法解決深度基準(zhǔn)面問題。該方法雖然能夠應(yīng)對基準(zhǔn)面不一致的問題，但是分布曲線特征屬于全局特征，忽略了局部特征，不適用識別復(fù)雜三維表面。丁益洪為了提高足跡采集分辨率，提出了立體足跡深度圖像分割方法。在此基礎(chǔ)上，考慮足部骨骼生理特征，提出了描述立體赤足跡三維表面形態(tài)特征的參數(shù)模型圖，用形狀特征參數(shù)化足跡模型。這種同一性鑒別實驗的正確率為79%。苗良在建立的立體足跡圖像坐標(biāo)系內(nèi)，將足跡的幾何特征及其拓?fù)潢P(guān)系參數(shù)化，通過統(tǒng)計分析得到了足跡與身高、年齡、性別、體型之間的關(guān)系。平西建團隊對立體足跡的研究深入且有代表性，尤其在三維數(shù)據(jù)分析、造型方面。不過，由于用石膏制模方式采集立體足跡，效率較低。大連海事大學(xué)裴偉開展了基于多尺度Gabor變換的平面足跡檢索算法研究，在6000枚犯罪現(xiàn)場足跡庫中，取128枚64組足跡互相檢索，排在前20位的比例是85.2%，排在前100位的比例是100%。大連恒銳股份有限公司的“恒銳足跡自動識別系統(tǒng)”于2007年3月26日通過了公安部科技局組織的技術(shù)鑒定，鑒定結(jié)論為整體技術(shù)達(dá)到國際先進水平，于2008年被公安部科技局確定為2008年度科技成果重點推廣項目。2010年9月“鞋樣本數(shù)據(jù)庫在線服務(wù)平臺”正式開通，數(shù)據(jù)庫保存了來自全國各地近千個品牌的男鞋鞋樣10萬余款，包含運動鞋、皮鞋、休閑鞋等款式，目前為25萬余款。

二、國外研究進展

國外足跡檢驗的歷史雖然沒有國內(nèi)那么悠久，但作為重要的痕檢證據(jù)，領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者也開展了形式多樣的各種技術(shù)研究，促進了足跡檢驗技術(shù)的發(fā)展和完善。Kanchan研究了足跡與人體年齡、身高、性別的關(guān)系，并給出人的足跡具有唯一性的結(jié)論。Massey用成年雙胞胎的足跡差異性進一步印證了該結(jié)論。Hemy用足和足跡的10條直線分布特征估計人的性別，在200個成年樣本中，對男性識別較準(zhǔn)，交叉校驗使識別率從71%提高到91%。Periyasamy探討了足底壓力分布與性別的關(guān)系。Jasuja研究了人行走時步幅和身高的關(guān)系。Bertani研究了不同年齡、性別、腳支撐的老人的足弓類型對腳底壓力分布的影響，發(fā)現(xiàn)足弓越高腳底峰值壓力越大，非支撐腳比支撐腳的足弓高，隨著年齡的增大，足弓變低，女性的更低，這可能與腳底肌肉僵硬有關(guān)。Bouridane等用相位相關(guān)濾波器（PhaseOnlyCorrelation,POC）和組合相關(guān)濾波器（AdvancedCorrelationFilters,ACFs）中的無約束最佳權(quán)衡綜合鑒別函數(shù)（UnconstrainedOptimumTrade-offSyntheticDiscriminantFunction,UOTSDF）濾波器進行足跡檢索，以峰值旁瓣比（Peak-to-SidelobeRatio,PSR）為指標(biāo)，在5200枚的足跡庫中的平均識別率為86.61%，不足在于POC對旋轉(zhuǎn)敏感，ACFs對噪聲敏感。Bouridane聯(lián)合Harris、Hessian和SIFT為新的縮放、旋轉(zhuǎn)不變算子，在300枚的足跡庫中，多種情況（旋轉(zhuǎn)、縮放、噪聲、殘缺及多種組合）的測試結(jié)果表明排在前10位的比例為68.5%—100%。由于聯(lián)合了多個檢測子，速度較慢；足跡庫較小，也并非現(xiàn)場庫。AmbethKumar用歸一化平面赤足跡加權(quán)方向差與位置差進行識別，該研究使用的樣本集較小。Massey使用960個墨拓足跡，提取96000個形狀特征進行識別，確定二維赤足足跡可進行身份鑒別，但是該方法的特征提取自動化程度低，需人工干預(yù)。Zheng用行進中動態(tài)變化的足壓力特征進行鑒別。TRADEMARKTM是由CSIEquipment公司在2006年開發(fā)的一套足跡標(biāo)識分析識別系統(tǒng)。CSIEquipment公司聲稱系統(tǒng)是當(dāng)時唯一一套利用類別、大小、損傷、磨損識別足跡，自動將足跡與嫌疑人數(shù)據(jù)庫、犯罪現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫比對的檢索系統(tǒng)。

“自動”是指比對和查詢過程。事實上，該系統(tǒng)仍需用戶根據(jù)分類或其它方式編碼。與其它足跡系統(tǒng)不同的是，它需要用戶指出查詢足跡出現(xiàn)特征的位置。SICAR是由英國Foster&Freeman公司在2006年開發(fā)的商用足跡檢索分類系統(tǒng)，已被英國警察部門及法醫(yī)部門采用。最新版是SICAR?6，可以在嫌疑人和犯罪現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫檢索足跡。該系統(tǒng)將花紋特征分為線形、波形、曲折形、圓形、菱形和塊狀等類別，同其它半自動系統(tǒng)一樣，也需用戶把足跡人工分類并對足跡特征進行編碼。Chazal建立了一種全自動足跡分類系統(tǒng)，用多個旋轉(zhuǎn)法向功率譜密度作為花紋特征。為了減少灰度變化率，高低頻信息被剔除，只保留足跡信息。Chazal測試了1000枚足跡，同組相似足跡排在第一位的比例為67%。ZHANG建立了一種基于輪廓邊緣特征信息的足跡識別系統(tǒng)，用邊緣方向直方圖檢索足跡圖像，檢索實驗在512枚足跡庫中進行。他們用仿真的旋轉(zhuǎn)、尺度變換、高斯噪聲圖片，評價該方法在不同情況下的魯棒性，準(zhǔn)確率為85.7%。Pavlou用SIFT描述MSER提取的特征，用光譜特征精匹配，在374枚足跡庫中進行檢索實驗，排在第1位的比例為87%，排在前8的比例為92%，但系統(tǒng)對信噪比的要求十分高。Gao使用多尺度曲率分析方法將鞋底花紋分為凸凹兩類，然后在多尺度空間用不斷修改足跡輪廓模型的方式剔除三維特征中的異常數(shù)據(jù)，實現(xiàn)特征提取和分類。Tang使用線、圓、橢圓等基本形狀特征和屬性關(guān)系圖檢索圖像。使用300枚真實場景的足跡圖像及2660枚變換后的圖像作為測試庫，排在前10%的比例為73%。Gamage開發(fā)了非常有代表性的三維激光足跡采集儀，由兩臺激光器和一臺攝像機構(gòu)成，X、Y、Z的軸向精度分別為0.2369mm、0.0438mm、0.5mm，掃面速度為1.2138mm/s，實驗中僅足跡掃面時間就為371.533秒，視頻分辨率為1920×1088，大小為1.03GB。整體而言，國外在足跡檢驗方面的特點是，起步晚，以研究平面足跡檢索檢驗為主，多是在小樣本非犯罪現(xiàn)場足跡庫中進行檢索試驗，水平和國內(nèi)相當(dāng)。

三、結(jié)論與展望

足跡鑒別技術(shù)在幾千年的發(fā)展中，取得眾多研究進步和技術(shù)突破，是經(jīng)得起歷史長河考驗的生物特征鑒別技術(shù)，在歷史舞臺上延續(xù)著其特有光芒的同時，也向人類提出了更高的要求。成痕主體、成痕環(huán)境的變化對痕跡采集及鑒別技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。一方面，隨著罪犯的受教育程度及學(xué)習(xí)能力的提高，罪犯的反偵查手段花樣百出，現(xiàn)場能提取到的有效證據(jù)越來越少，很多情況下，足跡可能是唯一的現(xiàn)場遺留證據(jù)，足跡鑒別成了偵破案件的唯一希望。另一方面，足跡“專家特征”限制、采集自動化程度低、殘缺破損足跡困擾、理論基礎(chǔ)薄弱等問題嚴(yán)重影響了足跡鑒定的速度和精度，阻礙了案件的偵破。將更新、更優(yōu)的技術(shù)引入實戰(zhàn)，提高采集設(shè)備的自動化、小型化，“專家特征”的數(shù)學(xué)化、科學(xué)化，分析過程的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，理論支撐的全面化、深刻化，特殊情況的專業(yè)化、綜合化是足跡識別技術(shù)的發(fā)展方向。（一）足跡高效采集將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、片上實驗室技術(shù)應(yīng)用到足跡采集設(shè)備上，適應(yīng)復(fù)雜多變的成痕環(huán)境，克服常用足跡采集儀的笨重、昂貴、采集速度慢、精度低等缺點，快速準(zhǔn)確非接觸地獲取犯罪現(xiàn)場的立體足跡數(shù)據(jù)，為鎖定犯罪嫌疑人提供硬件保障。（二）步態(tài)與立體足跡互識別以生物控制論為指導(dǎo)，建立骨肌系統(tǒng)動力學(xué)模型及控制機制，揭示足造痕的本質(zhì)，實現(xiàn)立體足跡、步態(tài)、人的三點一線，完善足跡檢驗鑒定理論體系。（三）平面足跡與立體足跡互識別以人體解剖學(xué)為基礎(chǔ)，將增強現(xiàn)實技術(shù)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，使自成體系的平面足跡特征與立體足跡特征能夠在統(tǒng)一的框架下互聯(lián)互查，實現(xiàn)跨平臺的特征刻畫與檢驗鑒定。（四）殘缺破損足跡與完整足跡互識別將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與腦認(rèn)知技術(shù)相結(jié)合，透過現(xiàn)象抓住本質(zhì)，將殘缺破損足跡與完整足跡在特征空間配準(zhǔn)，實現(xiàn)殘缺破損足跡的檢驗鑒定。

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作者：楊琳，佟德鑫 單位：遼寧警察學(xué)院