足迹识别技术研究进展

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摘要：足迹鉴定技术在科技进步、技术革新的推动下，自动化程度、智能化水平不断提高。同时，犯罪形势及罪犯的反侦查能力给足迹鉴定提出了新问题、新挑战。鉴于此，梳理足迹识别技术的国内发展动态，分析其优缺点，指明研究方向，促进现代刑事科学技术的快速发展具有重要意义。

关键词：足迹识别；步态识别；身份认证

足迹是人自重和人体肌力通过足作用于地面等物质客体上形成的痕迹。在没有指纹及DNA等相关证据的现场，足迹极有可能是唯一的案件侦破突破口，其重要性不言而喻。足迹按照是否有深度或高度信息可分为立体足迹与平面足迹。立体足迹包含丰富的生理特征和行为特征，是足迹检验鉴定方面的重要研究对象。

一、国内研究进展

（一）人工足迹检验人工足迹检验以点、线、面几何信息的形象描述为主，辅以人工的加工测量手段获取足迹特征。一般人难于提取和识别这些特征，只有领域专家有这方面的能力，因此这些特征也被称为足迹“专家特征”。对于这些特征，由于领域专家的知识结构的差异，对于同一案件，专家结论可能出现对立的局面。因此，人工足迹检验结果不在法院直接采信的证据范畴内。1.形象特征检验形象特征检验是直接比对足迹形象特征的方法，包括但不仅限于大小、宽窄、脚底拓扑结构、花纹、磨损等形象特征。这种方法直观、容易掌握，对于同一环境、同一双鞋有着不错的比对效果。2.步法检验20世纪50年代马玉林等人提出并实践了步法检验，使用17种单脚步态特征和双脚步幅特征进行同一性认定。由于该方法对足迹数量和质量要求较高，对城镇等足迹成痕环境较差的场所，适应能力较弱。3.单足迹检验20世纪70年代，在步法检验的基础上，对单足迹的特征提取及检验方法进行了深入研究。这种测出单足迹的几何特征，估计人的生理和行为特征，并进行人身认定的方法被称为单足迹检验。该方法对于身高、年龄、性别、体态有较好的检验效果。但是，由于单足迹的重复率高，随机性大，直接进行认定比较困难。4.单足迹比对检验单足迹比对检验相对于单足迹检验增加了两枚足迹比较的环节，判定两枚足迹是否为同一人所为。该方法适应性较强，结论相对较可靠。但是，单足迹特征受成痕主体与成痕环境的影响大，提取与识别困难，只有少数领域专家掌握该方法与技术。5.磨损特征检验磨损特征检验是用由运动、生理结构、动力定型等因素综合作用形成的相对稳定的鞋底磨损特征对鞋及人进行同一性认定的方法。它可用于不同种类鞋子认定，是足迹检验技术的重大进步，但是，在实际检验应用中对磨损程度、磨损形态较难理解和掌握。

（二）定量化足迹检验20世纪80年代，痕迹检验技术的发展及技术革新需求促进了足迹特征定量化技术的发展。周口市公安局王清举与北方工业大学及公安部832厂等单位联合研制了“CZG-1立体足迹高程测量仪”及换代产品“JLH-A面阵式深度数据测量仪”，用力学、模糊数学量化成趟足迹中步长、步宽、步角等特征，便于足迹检验，降低检验门槛。河北省雄县刘树权在20世纪80年代中期将力平衡及轨迹参数化运用到足迹检验中，提出了足迹动力形态检验方法，与南开大学合作开发了“足迹计算机自动鉴定系统”。这两种方法在量化足迹特征基础上，研制了足迹鉴定系统，自动化程度高、学习使用起来更加方便，鉴定结果更加客观公正。但是，这两种方法依然是以步法检验为基础，对动力定型所形成的运步方式的参数化，足迹的提取、足迹特征的提取必须由人手工完成，自动化程度还不够高，没有摆脱足迹“专家特征”的约束。

（三）自动化足迹检验20世纪90年代以来，足迹检验受到了公安部的高度重视，重点攻关足迹分析和识别自动化技术。解放军信息工程大学平西建团队从1995年开始研究立体足迹的检验鉴别。用传统石膏制模方式采集立体足迹，在生物特征识别、三维数据分析、造型等方面的研究较深入。王淡用Bezier和B样条曲面进行足迹三维曲面重建。田越提出了基于曲线形状分析的三维表面识别方法。应用该技术，与河南省周口市公安局开发了“基于重压面形状分析的立体足迹造型与识别系统”，但是，该方法要求深度基准面一致。肖著提出了表面法向量分布曲线识别法解决深度基准面问题。该方法虽然能够应对基准面不一致的问题，但是分布曲线特征属于全局特征，忽略了局部特征，不适用识别复杂三维表面。丁益洪为了提高足迹采集分辨率，提出了立体足迹深度图像分割方法。在此基础上，考虑足部骨骼生理特征，提出了描述立体赤足迹三维表面形态特征的参数模型图，用形状特征参数化足迹模型。这种同一性鉴别实验的正确率为79%。苗良在建立的立体足迹图像坐标系内，将足迹的几何特征及其拓扑关系参数化，通过统计分析得到了足迹与身高、年龄、性别、体型之间的关系。平西建团队对立体足迹的研究深入且有代表性，尤其在三维数据分析、造型方面。不过，由于用石膏制模方式采集立体足迹，效率较低。大连海事大学裴伟开展了基于多尺度Gabor变换的平面足迹检索算法研究，在6000枚犯罪现场足迹库中，取128枚64组足迹互相检索，排在前20位的比例是85.2%，排在前100位的比例是100%。大连恒锐股份有限公司的“恒锐足迹自动识别系统”于2007年3月26日通过了公安部科技局组织的技术鉴定，鉴定结论为整体技术达到国际先进水平，于2008年被公安部科技局确定为2008年度科技成果重点推广项目。2010年9月“鞋样本数据库在线服务平台”正式开通，数据库保存了来自全国各地近千个品牌的男鞋鞋样10万余款，包含运动鞋、皮鞋、休闲鞋等款式，目前为25万余款。

二、国外研究进展

国外足迹检验的历史虽然没有国内那么悠久，但作为重要的痕检证据，领域专家学者也开展了形式多样的各种技术研究，促进了足迹检验技术的发展和完善。Kanchan研究了足迹与人体年龄、身高、性别的关系，并给出人的足迹具有唯一性的结论。Massey用成年双胞胎的足迹差异性进一步印证了该结论。Hemy用足和足迹的10条直线分布特征估计人的性别，在200个成年样本中，对男性识别较准，交叉校验使识别率从71%提高到91%。Periyasamy探讨了足底压力分布与性别的关系。Jasuja研究了人行走时步幅和身高的关系。Bertani研究了不同年龄、性别、脚支撑的老人的足弓类型对脚底压力分布的影响，发现足弓越高脚底峰值压力越大，非支撑脚比支撑脚的足弓高，随着年龄的增大，足弓变低，女性的更低，这可能与脚底肌肉僵硬有关。Bouridane等用相位相关滤波器（PhaseOnlyCorrelation,POC）和组合相关滤波器（AdvancedCorrelationFilters,ACFs）中的无约束最佳权衡综合鉴别函数（UnconstrainedOptimumTrade-offSyntheticDiscriminantFunction,UOTSDF）滤波器进行足迹检索，以峰值旁瓣比（Peak-to-SidelobeRatio,PSR）为指标，在5200枚的足迹库中的平均识别率为86.61%，不足在于POC对旋转敏感，ACFs对噪声敏感。Bouridane联合Harris、Hessian和SIFT为新的缩放、旋转不变算子，在300枚的足迹库中，多种情况（旋转、缩放、噪声、残缺及多种组合）的测试结果表明排在前10位的比例为68.5%—100%。由于联合了多个检测子，速度较慢；足迹库较小，也并非现场库。AmbethKumar用归一化平面赤足迹加权方向差与位置差进行识别，该研究使用的样本集较小。Massey使用960个墨拓足迹，提取96000个形状特征进行识别，确定二维赤足足迹可进行身份鉴别，但是该方法的特征提取自动化程度低，需人工干预。Zheng用行进中动态变化的足压力特征进行鉴别。TRADEMARKTM是由CSIEquipment公司在2006年开发的一套足迹标识分析识别系统。CSIEquipment公司声称系统是当时唯一一套利用类别、大小、损伤、磨损识别足迹，自动将足迹与嫌疑人数据库、犯罪现场数据库比对的检索系统。

“自动”是指比对和查询过程。事实上，该系统仍需用户根据分类或其它方式编码。与其它足迹系统不同的是，它需要用户指出查询足迹出现特征的位置。SICAR是由英国Foster&Freeman公司在2006年开发的商用足迹检索分类系统，已被英国警察部门及法医部门采用。最新版是SICAR?6，可以在嫌疑人和犯罪现场数据库检索足迹。该系统将花纹特征分为线形、波形、曲折形、圆形、菱形和块状等类别，同其它半自动系统一样，也需用户把足迹人工分类并对足迹特征进行编码。Chazal建立了一种全自动足迹分类系统，用多个旋转法向功率谱密度作为花纹特征。为了减少灰度变化率，高低频信息被剔除，只保留足迹信息。Chazal测试了1000枚足迹，同组相似足迹排在第一位的比例为67%。ZHANG建立了一种基于轮廓边缘特征信息的足迹识别系统，用边缘方向直方图检索足迹图像，检索实验在512枚足迹库中进行。他们用仿真的旋转、尺度变换、高斯噪声图片，评价该方法在不同情况下的鲁棒性，准确率为85.7%。Pavlou用SIFT描述MSER提取的特征，用光谱特征精匹配，在374枚足迹库中进行检索实验，排在第1位的比例为87%，排在前8的比例为92%，但系统对信噪比的要求十分高。Gao使用多尺度曲率分析方法将鞋底花纹分为凸凹两类，然后在多尺度空间用不断修改足迹轮廓模型的方式剔除三维特征中的异常数据，实现特征提取和分类。Tang使用线、圆、椭圆等基本形状特征和属性关系图检索图像。使用300枚真实场景的足迹图像及2660枚变换后的图像作为测试库，排在前10%的比例为73%。Gamage开发了非常有代表性的三维激光足迹采集仪，由两台激光器和一台摄像机构成，X、Y、Z的轴向精度分别为0.2369mm、0.0438mm、0.5mm，扫面速度为1.2138mm/s，实验中仅足迹扫面时间就为371.533秒，视频分辨率为1920×1088，大小为1.03GB。整体而言，国外在足迹检验方面的特点是，起步晚，以研究平面足迹检索检验为主，多是在小样本非犯罪现场足迹库中进行检索试验，水平和国内相当。

三、结论与展望

足迹鉴别技术在几千年的发展中，取得众多研究进步和技术突破，是经得起历史长河考验的生物特征鉴别技术，在历史舞台上延续着其特有光芒的同时，也向人类提出了更高的要求。成痕主体、成痕环境的变化对痕迹采集及鉴别技术提出了新的挑战。一方面，随着罪犯的受教育程度及学习能力的提高，罪犯的反侦查手段花样百出，现场能提取到的有效证据越来越少，很多情况下，足迹可能是唯一的现场遗留证据，足迹鉴别成了侦破案件的唯一希望。另一方面，足迹“专家特征”限制、采集自动化程度低、残缺破损足迹困扰、理论基础薄弱等问题严重影响了足迹鉴定的速度和精度，阻碍了案件的侦破。将更新、更优的技术引入实战，提高采集设备的自动化、小型化，“专家特征”的数学化、科学化，分析过程的智能化、网络化，理论支撑的全面化、深刻化，特殊情况的专业化、综合化是足迹识别技术的发展方向。（一）足迹高效采集将物联网技术、片上实验室技术应用到足迹采集设备上，适应复杂多变的成痕环境，克服常用足迹采集仪的笨重、昂贵、采集速度慢、精度低等缺点，快速准确非接触地获取犯罪现场的立体足迹数据，为锁定犯罪嫌疑人提供硬件保障。（二）步态与立体足迹互识别以生物控制论为指导，建立骨肌系统动力学模型及控制机制，揭示足造痕的本质，实现立体足迹、步态、人的三点一线，完善足迹检验鉴定理论体系。（三）平面足迹与立体足迹互识别以人体解剖学为基础，将增强现实技术与深度学习技术相结合，使自成体系的平面足迹特征与立体足迹特征能够在统一的框架下互联互查，实现跨平台的特征刻画与检验鉴定。（四）残缺破损足迹与完整足迹互识别将数据挖掘技术与脑认知技术相结合，透过现象抓住本质，将残缺破损足迹与完整足迹在特征空间配准，实现残缺破损足迹的检验鉴定。

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作者：杨琳，佟德鑫 单位：辽宁警察学院