指印特征點(diǎn)編輯差異對(duì)檔案指印匹配分值影響的實(shí)驗(yàn)研究

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(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)在公安工作中是通過(guò)建立檔案指印庫(kù)和現(xiàn)場(chǎng)指印庫(kù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)指印的正查、倒查、串查、查重。指印的查詢(xún)比對(duì)是通過(guò)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)提取的指印特征點(diǎn)坐標(biāo)、方向信息，利用特征點(diǎn)的坐標(biāo)和方向計(jì)算兩枚指印的相似值來(lái)確定匹配分值，并按照匹配分值對(duì)候選匹配檔案指印排序，最后通過(guò)人工檢視候選隊(duì)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(huì)發(fā)生形變，建立檔案指印庫(kù)與現(xiàn)場(chǎng)指印庫(kù)時(shí)，采集設(shè)備也會(huì)引起指印特征點(diǎn)位置、方向變化，所以每次進(jìn)行指印查詢(xún)匹配的分值都會(huì)發(fā)生變化。在偵查工作中由于現(xiàn)場(chǎng)指印多為殘缺指印，指印相互匹配特征點(diǎn)非常有限。為了提高指印查詢(xún)比對(duì)的效率，分析指印特征點(diǎn)編輯引起指印匹配分值變化的趨勢(shì)，正確認(rèn)識(shí)指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)查詢(xún)比對(duì)后給出的候選匹配隊(duì)列，增強(qiáng)指紋檢驗(yàn)教學(xué)工作的針對(duì)性，對(duì)指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)查詢(xún)比對(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)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(kāi)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(shí)驗(yàn)過(guò)程

對(duì)同一個(gè)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(gè)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(chǎng)收集的指印掃描輸入進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(1)在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)指印自動(dòng)處理的特征點(diǎn)編輯時(shí)選取指印中心區(qū)域的10個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行查詢(xún)比對(duì)。觀察與4個(gè)檔案指印的匹配結(jié)果。

(2)在現(xiàn)場(chǎng)指印自動(dòng)處理的特征點(diǎn)中選擇一個(gè)端點(diǎn)和一個(gè)分叉點(diǎn)，改變特征點(diǎn)方向、位置，觀察現(xiàn)場(chǎng)指印與4個(gè)檔案指印匹配分值的變化趨勢(shì)。

(3)在指印匹配過(guò)程中會(huì)摻雜有匹配點(diǎn)與非匹配點(diǎn)，為了認(rèn)清匹配點(diǎn)與非匹配點(diǎn)對(duì)匹配分值的影響，在現(xiàn)場(chǎng)指印自動(dòng)處理的特征點(diǎn)中選中與4個(gè)檔案指印都相互匹配的7個(gè)特征點(diǎn)，形成現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)或增加非匹配特征點(diǎn)對(duì)指印匹配分值的影響。

(4)在現(xiàn)場(chǎng)指印的不同局部區(qū)域選擇7個(gè)與4個(gè)檔案指印都相互匹配的特征點(diǎn)，觀察不同局部區(qū)域的特征點(diǎn)生成的匹配分值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)指印特征點(diǎn)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(chǎng)采集指印，掃描輸入自動(dòng)處理后選取中心區(qū)域的10個(gè)特征點(diǎn)。1、2、3、6、7是指印紋線的特征點(diǎn)，4是指印紋線一個(gè)端點(diǎn)，5是指印紋線的一個(gè)分叉點(diǎn)。表1是指印中心區(qū)域的10個(gè)特征點(diǎn)與檔案庫(kù)指印查詢(xún)比對(duì)的結(jié)果。圖2是指印中心區(qū)域的10個(gè)特征點(diǎn)中與檔案指印未匹配的特征點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)指印與檔案指印1中有9個(gè)匹配點(diǎn)，1個(gè)非匹配點(diǎn)，匹配分值為1 099。與指印檔案2中有7個(gè)匹配點(diǎn)，3個(gè)非匹配點(diǎn)，匹配分值為874。與檔案指印3中有9個(gè)匹配點(diǎn)，1個(gè)非匹配點(diǎn)，匹配分值為1 124。與檔案指印4中有7個(gè)匹配點(diǎn)，3個(gè)非匹配點(diǎn)，匹配分值為719?，F(xiàn)場(chǎng)指印提取的特征點(diǎn)與檔案指印未匹配的特征點(diǎn)是可疑特征點(diǎn)。對(duì)這些特征點(diǎn)要借助于人工編輯，增加現(xiàn)場(chǎng)指印與檔案指印的匹配特征點(diǎn)。從圖2的查詢(xún)比對(duì)結(jié)果看，現(xiàn)場(chǎng)指印中心區(qū)域的特征點(diǎn)1與4個(gè)檔案指印中心區(qū)域的特征點(diǎn)都沒(méi)有相互匹配上。現(xiàn)場(chǎng)指印中提取到的2、3兩個(gè)特征點(diǎn)，在檔案指印2，檔案指印4中沒(méi)有相應(yīng)的匹配特征點(diǎn)，對(duì)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(shí)間對(duì)指印掃描采集時(shí)，提取到的指印特征點(diǎn)存在明顯差異，影響指印的匹配分值。對(duì)沒(méi)有比中的現(xiàn)場(chǎng)指印要多次掃描采集處理，使掃描采集的現(xiàn)場(chǎng)指印特征點(diǎn)與檔案指印特征點(diǎn)相互匹配，提高匹配指印的匹配分值。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)指印自動(dòng)處理后選取中心區(qū)域10個(gè)特征點(diǎn)

表1 10個(gè)特征點(diǎn)與不同份檔案指印匹配結(jié)果

圖2 中心區(qū)域10個(gè)特征點(diǎn)與檔案指印未匹配特征點(diǎn)

2.2 現(xiàn)場(chǎng)指印特征點(diǎn)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(gè)特征點(diǎn)中，與4個(gè)檔案指印都相互匹配的特征點(diǎn)有7個(gè)，在采集的現(xiàn)場(chǎng)指印中心區(qū)域選取與4個(gè)檔案指印特征點(diǎn)都能匹配的7個(gè)特征點(diǎn)，對(duì)其中的特征點(diǎn)4為端點(diǎn)，特征點(diǎn)5為分叉點(diǎn)，分別改變特征點(diǎn)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(cuò)誤匹配點(diǎn)為止。

表2～7是查詢(xún)比對(duì)的生成匹配分值數(shù)據(jù)，圖3～8是查詢(xún)比對(duì)的匹配分值的變化趨勢(shì)。方向和位置偏離自動(dòng)標(biāo)注的方向和位置，都會(huì)導(dǎo)致匹配分值的改變。指印的匹配特征點(diǎn)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(diǎn)相互匹配后再計(jì)算匹配特征點(diǎn)的相似性以及指印的匹配分值。分叉點(diǎn)方向應(yīng)與主線方向一致。但是由于指印圖像處理時(shí)可能受到其他因素的干擾，指印分叉點(diǎn)的方向可能發(fā)生變化?，F(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)指印特征點(diǎn)6、7匹配的特征點(diǎn)方向被處理在了另一條紋線上，特征點(diǎn)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(chǎng)指印特征點(diǎn)6、7的方向編輯為與檔案指印4中對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)方向一致，則現(xiàn)場(chǎng)指印與檔案指印4的匹配分值會(huì)明顯高于與其他檔案指印的匹配分值。

表2 端點(diǎn)方向改變生成的匹配分值

表3 端點(diǎn)位置x改變生成的匹配分值

圖3 端點(diǎn)方向改變對(duì)匹配分值的影響

表4 端點(diǎn)位置y改變生成的匹配分值

圖4 端點(diǎn)位置x改變對(duì)匹配分值的影響

表5 分叉點(diǎn)方向改變生成的匹配分值

圖5 端點(diǎn)位置y改變對(duì)匹配分值的影響

圖6 分叉點(diǎn)方向改變對(duì)匹配分值的影響

2.3 匹配特征點(diǎn)增減對(duì)匹配分值的影響

表6 分叉點(diǎn)位置x改變生成的匹配分值

圖7 分叉點(diǎn)位置x改變對(duì)匹配分值的影響

在圖1中刪除特征點(diǎn)1、2、3，剩余的7個(gè)特征點(diǎn)是與4個(gè)檔案指印特征點(diǎn)都相互匹配的特征點(diǎn)，形成現(xiàn)場(chǎng)指印與檔案指印匹配點(diǎn)對(duì)的基本分值。通過(guò)增加非匹配點(diǎn)和匹配點(diǎn)，觀察非匹配點(diǎn)的增加和匹配點(diǎn)增加對(duì)匹配分值的影響。表8是非匹配點(diǎn)增加生成的匹配分值，圖9是非匹配點(diǎn)增加對(duì)匹配分值的變化趨勢(shì)。表9是匹配點(diǎn)增加生成的匹配分值，圖10是匹配點(diǎn)增加對(duì)匹配分值的變化趨勢(shì)。每增加1個(gè)非匹配點(diǎn)，匹配分值減少45左右，每增加1個(gè)匹配點(diǎn)匹配分值增加60左右。在現(xiàn)場(chǎng)指印編輯中有效增加匹配指印的匹配特征點(diǎn)和有效減少匹配指印的非匹配特征點(diǎn)，可以提高匹配指印的匹配分值。

表7 分叉點(diǎn)位置y改變生成的匹配分值

圖8 分叉點(diǎn)位置y改變對(duì)匹配分值的影響

表8 非匹配特征點(diǎn)增加生成的匹配分值

圖9 非匹配點(diǎn)增加對(duì)匹配分值的影響

2.4 局部匹配特征點(diǎn)對(duì)匹配分值的影響

表9 匹配點(diǎn)增加生成的匹配分值

圖10 匹配點(diǎn)增加對(duì)匹配分值的影響

在犯罪現(xiàn)場(chǎng)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(duì)指印比對(duì)結(jié)果的影響，在現(xiàn)場(chǎng)指印的不同部位選取局部7個(gè)與4個(gè)檔案指印都有匹配點(diǎn)的局部區(qū)域特征點(diǎn)，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(diǎn)與不同的檔案指印匹配分值具有大致相同的趨勢(shì)。圖11是選取局部特征點(diǎn)的區(qū)域，表10是局部指印7個(gè)特征點(diǎn)生成的匹配分值，圖12是局部指印特征點(diǎn)匹配檔案指印匹配分值變化趨勢(shì)。但是并不是任意局部7個(gè)特征點(diǎn)都能與檔案指印匹配，因?yàn)樵诖鎯?chǔ)檔案指印特征點(diǎn)時(shí)，并不是每一個(gè)局部特征點(diǎn)都會(huì)被存儲(chǔ)，如圖1中的特征點(diǎn)2、3在檔案指印2、檔案指印4中就不存在。所以，現(xiàn)場(chǎng)指印中任意位置的7個(gè)特征點(diǎn)不能與檔案指印存儲(chǔ)的特征點(diǎn)匹配時(shí)，將不能查詢(xún)比對(duì)出檔案指印。檔案指印大多是錄入1次，所以要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)指印進(jìn)行多次掃描查詢(xún)比對(duì)，期望得到與檔案指印特征點(diǎn)相互匹配的現(xiàn)場(chǎng)指印特征點(diǎn)。

圖11 局部區(qū)域特征點(diǎn)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(diǎn)對(duì)匹配分值的影響

3 結(jié)論

捺印指印卡在掃描采集時(shí)，可能使提取指印的特征點(diǎn)數(shù)量以及特征點(diǎn)位置、方向發(fā)生變化，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)指印與檔案指印匹配分值發(fā)生變化。匹配點(diǎn)數(shù)量的增加，引起匹配分值的增大，非匹配點(diǎn)數(shù)量的增加導(dǎo)致匹配分值的減小，局部特征點(diǎn)位置的不同，也會(huì)引起指印匹配分值的改變。現(xiàn)場(chǎng)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(shí)別系統(tǒng)查詢(xún)比對(duì)指印時(shí)，因指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在掃描錄入檔案指印與掃描錄入現(xiàn)場(chǎng)指印時(shí)，兩次掃描會(huì)導(dǎo)致提取的局部指印特征點(diǎn)產(chǎn)生差異。而在案件現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)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(xún)比對(duì)中，有必要進(jìn)行多次掃描、查詢(xún)比對(duì)，并針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)指印特征點(diǎn)與檔案指印可疑匹配特征點(diǎn)進(jìn)行增刪編輯，增加現(xiàn)場(chǎng)指印特征點(diǎn)與檔案指印的匹配特征點(diǎn)，減少現(xiàn)場(chǎng)指印特征點(diǎn)與檔案指印的非匹配特征點(diǎn)，從而有效提高現(xiàn)場(chǎng)指印與檔案指印的查詢(xún)比對(duì)分值。