孫亞軍 潘楠 劉益 侯占偉 吳林長

摘要： 針對目前圖像及3D掃描方法難以通過痕跡有效快速匹配剪切工具的弊端，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套警用線條痕跡激光檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、激光檢測子系統(tǒng)和顯微攝像子系統(tǒng)三部分組成。通過夾持線纜斷頭，首先控制單點(diǎn)激光位移傳感器拾取剪切類線性痕跡的表面特征信號(hào)，隨后利用痕跡特征相似重合度匹配算法，將痕跡激光檢測數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，最終實(shí)現(xiàn)對應(yīng)剪切工具的快速匹配。

Abstract： In view of the disadvantages that the current image and 3D scanning method is difficult to fast and effectively match the cutting tool through the traces， design and implement a set of police line traces laser detection system. The system is composed of three parts： the motion control subsystem， the laser detection subsystem and the micro imaging subsystem. By holding the cable breakage， firstly， control the surface characteristic signal of that single point laser displacement sensor picks up the linear shear traces， then using the similar coincidence degree matching algorithm of the traces characteristics， compare the trace laser detection data with the database， and finally realize the fast matching the corresponding cutting tool.

關(guān)鍵詞： 剪切工具；激光檢測；快速匹配

Key words： shear tool；laser detection；fast matching

中圖分類號(hào)：TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）03-0082-04

0 引言

目前，犯罪分子在割偷盜鐵路沿線通信電纜、貫通地線時(shí)多使用斷線鉗、線纜剪等大型剪切工具，剪切形成的線纜斷頭表面線性痕跡是案發(fā)現(xiàn)場中最為常出現(xiàn)的一種痕跡，其具有不易破壞、難以偽裝、出現(xiàn)率頻繁、鑒定價(jià)值高等特點(diǎn)，對于辦案人員認(rèn)定案件性質(zhì)，確定作案工具，進(jìn)而證實(shí)犯罪嫌疑人有著十分重要的意義[1-2]。

相較于傳統(tǒng)的顯微鏡觀察、人為比對方式，近年來興起的圖像識(shí)別以及3D顯微掃描技術(shù)，為剪切痕跡的數(shù)字化定量檢驗(yàn)提供了一些新的解決方案[3-4]。然而，受限于犯罪現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)痕跡復(fù)雜且隨機(jī)性較大、檢驗(yàn)設(shè)備操作復(fù)雜、圖片及3D文件體積過大造成計(jì)算復(fù)雜度增加、3D顯微掃描為拼接圖片，無法進(jìn)行鑒定等問題，使得此類方法缺乏大數(shù)據(jù)批量比對的應(yīng)用方法，不宜在辦案一線推廣，大大降低了其實(shí)用價(jià)值。

針對上述問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套警用線條痕跡激光檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、激光檢測子系統(tǒng)和顯微攝像子系統(tǒng)三部分組成。通過夾持線纜斷頭，首先控制單點(diǎn)激光位移傳感器拾取剪切類線性痕跡的表面特征信號(hào)，隨后利用痕跡特征相似重合度匹配算法，將痕跡激光檢測數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，最終實(shí)現(xiàn)對應(yīng)剪切工具的快速匹配。

1 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)主要由橫向電控角度位移臺(tái)和縱向電控角度位移臺(tái)重疊并相互垂直安裝組成，可以使相垂直的兩軸在±15°內(nèi)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)角度，實(shí)現(xiàn)電控角度位移臺(tái)上的一個(gè)平面在±15°內(nèi)任意方向傾斜角度調(diào)節(jié)。主要作用在于承載被檢測物體，并精準(zhǔn)調(diào)節(jié)檢測截面與高精度激光位移傳感器移動(dòng)平面保持平行。

1.2 激光檢測子系統(tǒng)

激光檢測子系統(tǒng)采用CD33-L50-422型號(hào)的高精度激光位移傳感器進(jìn)行痕跡特征檢測，其檢測距離為47.3mm，檢測范圍為±5mm，分辨率為2.5μm。高精度激光位移傳感器安裝于縱向電動(dòng)滑臺(tái)，使其可以在縱向上精確移動(dòng)，檢測截面上微小的痕跡，并將量化的數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)進(jìn)行分析。

1.3 顯微攝像子系統(tǒng)

顯微攝像子系統(tǒng)由鍍反光膜的透光鏡、顯微鏡移動(dòng)臺(tái)、顯微鏡和側(cè)光燈組成。鍍反光膜的透光鏡置于被測截面和高精度激光位移傳感器間，既要使測量激光能夠穿透到截面并返回，不影響測量結(jié)果，又要能反射截面的散光，使顯微鏡頭能捕捉到截面清晰的鏡像，經(jīng)過顯微鏡鏡筒后放大，在后端的電子目鏡攝像頭轉(zhuǎn)換成清晰的圖像，并傳輸?shù)接?jì)算中進(jìn)行顯示。其中顯微鏡由鏡筒和電子目鏡攝像頭組成，鏡筒上可以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，電子目鏡攝像頭采用的是CCD成像方式的攝像頭，計(jì)算機(jī)通過RS232接口即可進(jìn)控制和數(shù)據(jù)傳輸。其中顯微鏡移動(dòng)臺(tái)主要是調(diào)節(jié)鏡頭與截面鏡像的距離來調(diào)節(jié)焦距，使捕捉到最清晰的圖像[5]。

檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及原理圖分別如圖1、圖2所示。

2 檢測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

考慮到功耗及成本因素，選用ZIC-STC12C5A60S2單片機(jī)為處理核心ZIC-STC12C5A60S2構(gòu)成的最小系統(tǒng)。如圖3所示，其以ZIC-STC12C5A60S2為核心，包含晶振模塊和復(fù)位電路。系統(tǒng)晶振模塊選用 12MHz石英晶振，晶振并聯(lián)2個(gè)30pF電容， 起快速起振和穩(wěn)定頻率作用，該電路為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖。復(fù)位電路是用來讓單片機(jī) 處理器返回到初始狀態(tài)的輔助電路，由10μF電容、10kΩ電阻和直流電源構(gòu)成，系統(tǒng)可通過上電復(fù)位。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)或程序跑飛時(shí)，通過復(fù)位電路讓系統(tǒng)重新工作[2]。其中單片機(jī) ZIC-STC12C5A60S2的RXD、TXD2 、P1.0、P1.1端口為RS232數(shù)據(jù)傳輸接口電路預(yù)留。

2.2 RS232數(shù)據(jù)傳輸接口電路設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)通過RS232數(shù)據(jù)傳輸接口電路即可對檢測系統(tǒng)進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)傳輸，如圖4所示 RS232接口J1的10端和11端分別與單片機(jī)U1的P1.0、P1.1端口連接，電容C7的一端與RS232接口J1的5端、地GND端、電容C9的一端連接，電容C7的另一端與232芯片Uj1的V+連接，電容C9的另一端與232芯片V-連接，RS232接口J1的2端和3端分別與232芯片Uj1的DOUT2端和RIN2端連接，電容C5并聯(lián)在232芯片Uj1的C1+和C1-兩端，電容C8并聯(lián)在232芯片Uj1的C2+和C2-兩端，電容C6一端與直流電源VCC端和232芯片Uj1的VCC端連接，電容C6的另一端與地GND端連接，跳線帽接口P2的2端和4端分別與232芯片Uj1的ROUT2端和DIN2端連接，RXD端和TXD端分別與單片機(jī)U1的TXD端和RXD端連接。

3 相似重合度匹配算法

痕跡特征相似重合度匹配算法基本步驟如下：

①設(shè)輸入的數(shù)據(jù)分別為A和B，二者均是已經(jīng)符合上述要求的數(shù)據(jù)。

②設(shè)定一個(gè)匹配的最小長度L，即二者如果重合必須要滿足的最小重合長度，從A中選擇最長長度到最短長度的部分到B中進(jìn)行比對，相當(dāng)于選擇不同的位置進(jìn)行多次匹配。

③迭代執(zhí)行每個(gè)位置的對比，每次比對都比對二者對應(yīng)位置差異度（對應(yīng)位置的）的方差大小，如果最小就記錄當(dāng)前狀態(tài)。

④完成了③的功能后，交換A、B的角色，繼續(xù)完成一次②、③。

⑤計(jì)算方差最小的差異度，輸出匹配結(jié)果。

處理流程如圖5所示：

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

最后，通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證本系統(tǒng)對實(shí)際線條痕跡激光檢測數(shù)據(jù)匹配推斷的效果。實(shí)驗(yàn)所采用的匹配數(shù)據(jù)庫編碼規(guī)則為：R-X-T。

其中R為工具類型，X為工具規(guī)格，T為此種工具剪切產(chǎn)生的第T個(gè)樣本數(shù)據(jù)，用于區(qū)別不同的工具樣本組（如J_450-6中J代表線纜剪，450代表線纜剪規(guī)格為450mm，6代表450mm線纜剪剪切產(chǎn)生的第6個(gè)樣本數(shù)據(jù)；Q_600-6中Q代表斷線鉗，600代表斷線鉗規(guī)格為600mm，6代表600mm斷線鉗剪切產(chǎn)生的第6個(gè)樣本數(shù)據(jù)）。

選取2把剪切工具：1把斷線鉗、1把線纜剪。使用這些工具分別剪切相同的1cm直徑銅棒。每把工具剪切5個(gè)待匹配測試樣本。

實(shí)際測試現(xiàn)場圖及待匹配測試樣本分別如圖6、圖7所示。

痕跡激光掃描信號(hào)匹配結(jié)果頁面如圖8所示。

匹配數(shù)據(jù)庫中有10種剪切工具剪切1cm直徑銅棒形成的1000組樣本檢測信號(hào)，表1為匹配結(jié)果。

5 結(jié)論

本文針對犯罪現(xiàn)場剪切痕跡隨機(jī)性強(qiáng)、易受其他因素干擾等問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套警用線條痕跡激光檢測系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)。最后，通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證本系統(tǒng)對實(shí)際線條痕跡激光檢測數(shù)據(jù)匹配推斷的效果，該實(shí)驗(yàn)證明了本系統(tǒng)對剪切痕跡激光檢測數(shù)據(jù)匹配的準(zhǔn)確性和有效性，能夠應(yīng)用于實(shí)際犯罪案件偵破之中。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊敏，彭穎.基于專家知識(shí)的工具痕跡系統(tǒng)構(gòu)建研究[J].中國人民公安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，18（2）：1-5.

[2]楊敏，李冬云，王緯東.基于局部小波能量工具痕跡識(shí)別的研究[J].中國人民公安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，13（2）：73-75.

[3]Kassamakov I.， Barbeau C.， Lehto S. et.al. CSI Helsinki： Comparing three-dimensional imaging of diagonal cutter toolmarks using confocal microscopy and SWLI [C] . Three-Dimensional Imaging， Visualization， and Display 2010 and Display Technologies and Applications for Defense， Security， and Avionics IV， Orlando， FL， United States， April 6-8， 2010， 7690： 76900Y.

[4]Stephen Bunch， Gerhard Wevers， Significance of angle in the statistical comparison of forensic tool marks[C]. Technometrics， 2013， 55（4）：548-561.

[5]潘楠，劉益，宋衛(wèi)國，等.一種剪切類線性痕跡激光檢測系統(tǒng)：中國，CN 105300996 A[P].2016-02-03.