邢文博， 趙文宣

(南京森林警察學(xué)院, 江蘇南京 210046)

0 引言

自動指紋識別系統(tǒng)在公安工作中是通過建立檔案指印庫和現(xiàn)場指印庫，來實現(xiàn)指印的正查、倒查、串查、查重。指印的查詢比對是通過自動指紋識別系統(tǒng)提取的指印特征點坐標(biāo)、方向信息，利用特征點的坐標(biāo)和方向計算兩枚指印的相似值來確定匹配分值，并按照匹配分值對候選匹配檔案指印排序，最后通過人工檢視候選隊列中的檔案指印確認(rèn)相互匹配同一的指印。但由于手指頭非剛體，每次遺留指印都會發(fā)生形變，建立檔案指印庫與現(xiàn)場指印庫時，采集設(shè)備也會引起指印特征點位置、方向變化，所以每次進(jìn)行指印查詢匹配的分值都會發(fā)生變化。在偵查工作中由于現(xiàn)場指印多為殘缺指印，指印相互匹配特征點非常有限。為了提高指印查詢比對的效率，分析指印特征點編輯引起指印匹配分值變化的趨勢，正確認(rèn)識指紋自動識別系統(tǒng)查詢比對后給出的候選匹配隊列，增強指紋檢驗教學(xué)工作的針對性，對指紋自動識別系統(tǒng)查詢比對進(jìn)行實驗研究。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗設(shè)備

北京市刑事科學(xué)技術(shù)研究所與北京文創(chuàng)思宇科技發(fā)展有限公司聯(lián)合開發(fā)的指掌紋綜合信息管理系統(tǒng)1.0、CanoScan4400F掃描儀、捺印指印標(biāo)準(zhǔn)卡上捺印的指印。

1.2 實驗過程

對同一個指印捺印標(biāo)準(zhǔn)卡上的指印進(jìn)行4次掃描采集，生成檔案1、檔案2、檔案3、檔案4等4個檔案指印。再用捺印標(biāo)準(zhǔn)卡上的右手拇指指印作為現(xiàn)場收集的指印掃描輸入進(jìn)行實驗。

(1)在對現(xiàn)場指印自動處理的特征點編輯時選取指印中心區(qū)域的10個特征點進(jìn)行查詢比對。觀察與4個檔案指印的匹配結(jié)果。

(2)在現(xiàn)場指印自動處理的特征點中選擇一個端點和一個分叉點，改變特征點方向、位置，觀察現(xiàn)場指印與4個檔案指印匹配分值的變化趨勢。

(3)在指印匹配過程中會摻雜有匹配點與非匹配點，為了認(rèn)清匹配點與非匹配點對匹配分值的影響，在現(xiàn)場指印自動處理的特征點中選中與4個檔案指印都相互匹配的7個特征點，形成現(xiàn)場指印與檔案指印匹配的基礎(chǔ)匹配分值，觀察增加匹配特征點或增加非匹配特征點對指印匹配分值的影響。

(4)在現(xiàn)場指印的不同局部區(qū)域選擇7個與4個檔案指印都相互匹配的特征點，觀察不同局部區(qū)域的特征點生成的匹配分值。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)場指印特征點與檔案指印的匹配結(jié)果

圖1是以捺印指印標(biāo)準(zhǔn)卡上的指印作為現(xiàn)場采集指印，掃描輸入自動處理后選取中心區(qū)域的10個特征點。1、2、3、6、7是指印紋線的特征點，4是指印紋線一個端點，5是指印紋線的一個分叉點。表1是指印中心區(qū)域的10個特征點與檔案庫指印查詢比對的結(jié)果。圖2是指印中心區(qū)域的10個特征點中與檔案指印未匹配的特征點?，F(xiàn)場指印與檔案指印1中有9個匹配點，1個非匹配點，匹配分值為1 099。與指印檔案2中有7個匹配點，3個非匹配點，匹配分值為874。與檔案指印3中有9個匹配點，1個非匹配點，匹配分值為1 124。與檔案指印4中有7個匹配點，3個非匹配點，匹配分值為719?，F(xiàn)場指印提取的特征點與檔案指印未匹配的特征點是可疑特征點。對這些特征點要借助于人工編輯，增加現(xiàn)場指印與檔案指印的匹配特征點。從圖2的查詢比對結(jié)果看，現(xiàn)場指印中心區(qū)域的特征點1與4個檔案指印中心區(qū)域的特征點都沒有相互匹配上?，F(xiàn)場指印中提取到的2、3兩個特征點，在檔案指印2，檔案指印4中沒有相應(yīng)的匹配特征點，對匹配分值產(chǎn)生顯著的影響。所以同樣的指印掃描采集設(shè)備在不同時間對指印掃描采集時，提取到的指印特征點存在明顯差異，影響指印的匹配分值。對沒有比中的現(xiàn)場指印要多次掃描采集處理，使掃描采集的現(xiàn)場指印特征點與檔案指印特征點相互匹配，提高匹配指印的匹配分值。

圖1 現(xiàn)場指印自動處理后選取中心區(qū)域10個特征點

表1 10個特征點與不同份檔案指印匹配結(jié)果

圖2 中心區(qū)域10個特征點與檔案指印未匹配特征點

2.2 現(xiàn)場指印特征點方向、位置改變引起匹配分值的變化

在圖1指印中心區(qū)域選取的10個特征點中，與4個檔案指印都相互匹配的特征點有7個，在采集的現(xiàn)場指印中心區(qū)域選取與4個檔案指印特征點都能匹配的7個特征點，對其中的特征點4為端點，特征點5為分叉點，分別改變特征點的方向、坐標(biāo)，觀察引起匹配分值的變化，直到不能匹配或匹配中出現(xiàn)錯誤匹配點為止。

表2～7是查詢比對的生成匹配分值數(shù)據(jù)，圖3～8是查詢比對的匹配分值的變化趨勢。方向和位置偏離自動標(biāo)注的方向和位置，都會導(dǎo)致匹配分值的改變。指印的匹配特征點是在一定位置范圍內(nèi)和一定方向范圍內(nèi)的匹配，特征點相互匹配后再計算匹配特征點的相似性以及指印的匹配分值。分叉點方向應(yīng)與主線方向一致。但是由于指印圖像處理時可能受到其他因素的干擾，指印分叉點的方向可能發(fā)生變化?，F(xiàn)場指印與檔案指印4匹配分值偏低的原因是檔案指印4中與現(xiàn)場指印特征點6、7匹配的特征點方向被處理在了另一條紋線上，特征點方向發(fā)生明顯改變，導(dǎo)致檔案4的匹配分值明顯偏低。如果將現(xiàn)場指印特征點6、7的方向編輯為與檔案指印4中對應(yīng)的特征點方向一致，則現(xiàn)場指印與檔案指印4的匹配分值會明顯高于與其他檔案指印的匹配分值。

表2 端點方向改變生成的匹配分值

表3 端點位置x改變生成的匹配分值

圖3 端點方向改變對匹配分值的影響

表4 端點位置y改變生成的匹配分值

圖4 端點位置x改變對匹配分值的影響

表5 分叉點方向改變生成的匹配分值

圖5 端點位置y改變對匹配分值的影響

圖6 分叉點方向改變對匹配分值的影響

2.3 匹配特征點增減對匹配分值的影響

表6 分叉點位置x改變生成的匹配分值

圖7 分叉點位置x改變對匹配分值的影響

在圖1中刪除特征點1、2、3，剩余的7個特征點是與4個檔案指印特征點都相互匹配的特征點，形成現(xiàn)場指印與檔案指印匹配點對的基本分值。通過增加非匹配點和匹配點，觀察非匹配點的增加和匹配點增加對匹配分值的影響。表8是非匹配點增加生成的匹配分值，圖9是非匹配點增加對匹配分值的變化趨勢。表9是匹配點增加生成的匹配分值，圖10是匹配點增加對匹配分值的變化趨勢。每增加1個非匹配點，匹配分值減少45左右，每增加1個匹配點匹配分值增加60左右。在現(xiàn)場指印編輯中有效增加匹配指印的匹配特征點和有效減少匹配指印的非匹配特征點，可以提高匹配指印的匹配分值。

表7 分叉點位置y改變生成的匹配分值

圖8 分叉點位置y改變對匹配分值的影響

表8 非匹配特征點增加生成的匹配分值

圖9 非匹配點增加對匹配分值的影響

2.4 局部匹配特征點對匹配分值的影響

表9 匹配點增加生成的匹配分值

圖10 匹配點增加對匹配分值的影響

在犯罪現(xiàn)場采集的指印大多是指頭中的局部印痕即殘缺指印或局部模糊指印以及局部變形指印。為了了解不同局部印痕對指印比對結(jié)果的影響，在現(xiàn)場指印的不同部位選取局部7個與4個檔案指印都有匹配點的局部區(qū)域特征點，比較與檔案指印生成的匹配分值。不同的局部區(qū)域特征點與不同的檔案指印匹配分值具有大致相同的趨勢。圖11是選取局部特征點的區(qū)域，表10是局部指印7個特征點生成的匹配分值，圖12是局部指印特征點匹配檔案指印匹配分值變化趨勢。但是并不是任意局部7個特征點都能與檔案指印匹配，因為在存儲檔案指印特征點時，并不是每一個局部特征點都會被存儲，如圖1中的特征點2、3在檔案指印2、檔案指印4中就不存在。所以，現(xiàn)場指印中任意位置的7個特征點不能與檔案指印存儲的特征點匹配時，將不能查詢比對出檔案指印。檔案指印大多是錄入1次，所以要對現(xiàn)場指印進(jìn)行多次掃描查詢比對，期望得到與檔案指印特征點相互匹配的現(xiàn)場指印特征點。

圖11 局部區(qū)域特征點所在位置

表10 不同局部區(qū)域生成的匹配分值

圖12 不同局部區(qū)域特征點對匹配分值的影響

3 結(jié)論

捺印指印卡在掃描采集時，可能使提取指印的特征點數(shù)量以及特征點位置、方向發(fā)生變化，導(dǎo)致現(xiàn)場指印與檔案指印匹配分值發(fā)生變化。匹配點數(shù)量的增加，引起匹配分值的增大，非匹配點數(shù)量的增加導(dǎo)致匹配分值的減小，局部特征點位置的不同，也會引起指印匹配分值的改變。現(xiàn)場指印與檔案指印位置和方向差異越小，匹配分值越高。在利用指紋識別系統(tǒng)查詢比對指印時，因指紋自動識別系統(tǒng)在掃描錄入檔案指印與掃描錄入現(xiàn)場指印時，兩次掃描會導(dǎo)致提取的局部指印特征點產(chǎn)生差異。而在案件現(xiàn)場采集的指印，由于遺留指印環(huán)境差異，導(dǎo)致指印發(fā)生形變。指印匹配是指印特征點的位置與方向在一定范圍內(nèi)匹配。在殘缺指印、局部模糊指印以及局部變形指印查詢比對中，有必要進(jìn)行多次掃描、查詢比對，并針對現(xiàn)場指印特征點與檔案指印可疑匹配特征點進(jìn)行增刪編輯，增加現(xiàn)場指印特征點與檔案指印的匹配特征點，減少現(xiàn)場指印特征點與檔案指印的非匹配特征點，從而有效提高現(xiàn)場指印與檔案指印的查詢比對分值。