指紋三級(jí)特征的研究現(xiàn)狀及展望

柳菁瑩，羅亞平

（1.陜西警官職業(yè)學(xué)院，西安 710021；2.中國(guó)人民公安大學(xué)，北京 100038）

由于現(xiàn)場(chǎng)指紋可能是模糊、重疊或者殘缺的，如果沒有足夠的二級(jí)特征進(jìn)行同一認(rèn)定，那么三級(jí)特征可以在指紋檢驗(yàn)中作為二級(jí)特征的補(bǔ)充，因此對(duì)三級(jí)特征的研究和應(yīng)用就顯得十分必要。1973年，國(guó)際鑒定協(xié)會(huì)（International Association for Identification，IAI）在對(duì)指紋鑒定的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了為期三年的系統(tǒng)研究后，認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)是“沒有根據(jù)的”，因此廢棄了指紋鑒定的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)[1]。2006年和2011年對(duì)Mayfield案及McKie案的調(diào)查報(bào)告，指出亟需對(duì)指紋三級(jí)特征進(jìn)行系統(tǒng)性的研究[2-4]。1994—2022年間，百余篇文章的研究涉及指紋三級(jí)特征，重點(diǎn)關(guān)注指紋三級(jí)特征的文章80余篇。我國(guó)近年來對(duì)指紋三級(jí)特征的研究也比較活躍，相關(guān)主題文章20余篇。本文回溯了指紋三級(jí)特征研究的歷史和現(xiàn)狀，從五個(gè)方面對(duì)這些研究進(jìn)行分類和總結(jié)，希冀為未來的研究方向提供可靠的依據(jù)。

1 三級(jí)特征的基本屬性

1.1 三級(jí)特征的定義

對(duì)三級(jí)特征定義的界定和構(gòu)建，是深化三級(jí)特征研究的前提和基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三級(jí)特征的界定多有論述，但結(jié)論莫衷一是?？v觀各學(xué)者和機(jī)構(gòu)關(guān)于指紋三級(jí)特征的定義、分類和價(jià)值描述，可以將三級(jí)特征的定義和研究對(duì)象歸為兩類：一是認(rèn)為三級(jí)特征是指狹義的紋線微觀形態(tài)特征，包括汗孔的形狀和位置、紋線的邊緣形態(tài)、紋線寬度和細(xì)點(diǎn)線[5-12]；二是認(rèn)為三級(jí)特征是廣義的紋線微觀形態(tài)特征，除了包含汗孔的形狀和位置、紋線邊緣形態(tài)、紋線寬度和細(xì)點(diǎn)線之外，還包含皺紋、傷疤等的微觀形態(tài)特征[13-15]。

1.2 三級(jí)特征的生物學(xué)特征

學(xué)者們對(duì)三級(jí)特征的生物學(xué)屬性的研究，大多集中在汗孔上。Ashbaugh[13]研究發(fā)現(xiàn)紋線上的汗孔密度大約是20.8 個(gè)/cm，直徑為88~220 μm不等。Roddy等[8]通過肉眼觀察，發(fā)現(xiàn)91%的指紋圖片上可以觀察到汗孔。Liddle[16]選擇真實(shí)案件進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)僅有2%的案件中存在可以有效利用的汗孔。Anthonioz 等[6]研究了多種理化方法顯現(xiàn)指紋中的三級(jí)特征，發(fā)現(xiàn)11%~20%的指紋上有價(jià)值較高的汗孔。Monson等[17]通過對(duì)148根手指上的紋線進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)近40%的手指上出現(xiàn)了細(xì)點(diǎn)線。姜友云[18]重點(diǎn)研究了細(xì)點(diǎn)線的位置及出現(xiàn)率，發(fā)現(xiàn)其具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可作為鑒定的依據(jù)。郭衛(wèi)平[19]對(duì)5 000份十指捺印指紋研究后發(fā)現(xiàn)，紋線間斷的出現(xiàn)率為19.4%/人和24.14%/指紋。

2 三級(jí)特征的可靠性

2.1 三級(jí)特征的穩(wěn)定性：跨時(shí)間的一致性

針對(duì)指紋三級(jí)特征穩(wěn)定性的研究主要集中在對(duì)汗孔的研究上。Gupta等[20-23]認(rèn)為隨著時(shí)間的推移，汗孔的形態(tài)特征變化較大。Oklevski等[21-23]進(jìn)一步拓展了對(duì)汗孔的研究，發(fā)現(xiàn)在歷經(jīng)數(shù)天或者數(shù)年后，汗孔間的相互位置關(guān)系會(huì)發(fā)生改變。部分研究涉及紋線寬度和邊緣形態(tài)特征。Popa等[17,24-27]通過研究發(fā)現(xiàn)，同一人同一手指在不同時(shí)間遺留的指紋的紋線寬度和邊緣形態(tài)會(huì)發(fā)生變化。Monson[17]通過長(zhǎng)短期的實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：紋線寬度具有穩(wěn)定性，即便如此其特征也會(huì)發(fā)生輕微的變化。Galton等[28-29]發(fā)現(xiàn)一部分人的細(xì)點(diǎn)線會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸明顯。通過對(duì)數(shù)百個(gè)油墨捺印指紋的研究，Stücker等[29]認(rèn)為有些人的指紋中有細(xì)點(diǎn)線并能表現(xiàn)出來，而有些人的指紋中沒有細(xì)點(diǎn)線。此外，通過對(duì)雙胞胎和無血緣關(guān)系個(gè)體指紋的研究，證明了細(xì)點(diǎn)線可能具有遺傳性。

2.2 三級(jí)特征的反映性：跨形式的一致性

2.2.1 分辨率對(duì)三級(jí)特征的影響

2005年，在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（The American National Standards Institute, ANSI）下屬的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）指紋標(biāo)準(zhǔn)更新研討會(huì)上，美國(guó)指紋分析、研究和技術(shù)工作組（Scientific Working Group on Friction Ridge Analysis, Study and

Technology, SWGFAST）提出了潛指紋、十指紋和掌紋的最低掃描分辨率應(yīng)為1 000 PPI，并且提議將三級(jí)特征納入指紋檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中[30]。該提議得到法庭科學(xué)界的認(rèn)可，并創(chuàng)建了擴(kuò)展特征定義委員會(huì)（Committee to Define an Extended Fingerprint Feature Set，CDEFFS）來定義擴(kuò)展指紋特征集[31]。

Ray等[32]提出了一種在灰度圖上識(shí)別汗孔的新方法。該方法使得在低分辨率（500 DPI）的指紋圖像上提取汗孔的位置信息成為可能。Jain等[33]通過分層匹配程序，在指紋匹配中以1 000 PPI的分辨率使用三級(jí)特征。Stosz等[6,34-39]認(rèn)為對(duì)指紋三級(jí)特征的識(shí)別和使用都需要建立在高分辨率的前提下，當(dāng)指紋質(zhì)量較低時(shí)，得出錯(cuò)誤結(jié)論的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加。

2.2.2 作用力對(duì)三級(jí)特征的影響

Ashbaugh[13]總結(jié)了壓力大小對(duì)三級(jí)特征的影響。施加較輕的壓力時(shí)，能觀察到的三級(jí)特征是最少的，清晰度尚未達(dá)到最優(yōu)。中等壓力遺留的指紋能夠表現(xiàn)出最多的三級(jí)特征并且清晰度達(dá)到最優(yōu)。重壓力時(shí)多數(shù)的三級(jí)特征會(huì)被覆蓋或者改變，清晰度較差。在特大壓力下遺留的指紋中，有時(shí)只有部分二級(jí)特征，而三級(jí)特征完全不可見。Richmond等[9]研究了壓力對(duì)指紋邊緣形態(tài)（Chatterjee所提出的七種紋線邊緣形態(tài)[40]）的影響，得出如下結(jié)論：除了直線特征外，其他六種特征的形態(tài)均會(huì)受到壓力大小變化的影響。2009年國(guó)家研究委員會(huì)（National Research Council，NRC）的報(bào)告[41]中指出，由于每次遺留指紋的壓力會(huì)不可避免地發(fā)生變化，導(dǎo)致手指不同部分與承痕客體的接觸程度不同，因此同一手指遺留的各指紋會(huì)有所不同。FBI實(shí)驗(yàn)室[3]針對(duì)三級(jí)特征的可靠性做了研究，得出的結(jié)論是：遺留壓力帶來的變形，可能造成并不相似的三級(jí)特征變得相似，現(xiàn)場(chǎng)指紋和樣本指紋中相似的三級(jí)特征可能只是遺留壓力不同造成的。Ratha等[42-44]對(duì)手指的彈性形變做了研究。他們認(rèn)為遺留指紋時(shí)，立體的手指變成平面的圖像，指紋特征會(huì)發(fā)生改變，因此提出了不同的算法來克服這一難題。比較好的做法是利用顯微圖片觀察和測(cè)量三級(jí)特征的形態(tài)。Anthonioz等[6]建立了同源指紋特征變化數(shù)據(jù)庫(kù)，以此研究汗孔特征的反映性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同方向的力的作用下得到的變形指紋中，相同部位的汗孔時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，影響了汗孔的反映性。da Costa等[45]研究發(fā)現(xiàn)使用光學(xué)相干斷層掃描的方式，可以避免指紋形成時(shí)由于接觸而產(chǎn)生的形變。

2.2.3 采集和顯現(xiàn)方法對(duì)三級(jí)特征的影響

Ashbaugh[13]總結(jié)了各種常見的理化顯現(xiàn)方法對(duì)三級(jí)特征的影響。第一，他認(rèn)為粉末刷顯法無論是粉末本身還是作用機(jī)制，都會(huì)影響甚至破壞三級(jí)特征。第二，通常用茚三酮顯現(xiàn)的指紋會(huì)呈現(xiàn)出點(diǎn)狀紋線。第三，502膠顯現(xiàn)法有時(shí)可以顯現(xiàn)出指紋的微觀特征。了解指紋的形成和顯現(xiàn)的常識(shí)，有助于指紋鑒定人員判別三級(jí)特征。Roddy等[46]通過對(duì)油墨捺印十指指紋的516張圖像的研究，發(fā)現(xiàn)其中91%的圖像可以觀察到汗孔，但是當(dāng)一位志愿者用不同的作用力遺留指紋后，有75%的圖像可以觀察到汗孔。他們的結(jié)論是：油墨捺印指紋上的汗孔具有反映性。Anthonioz等[6]和Gupta等[47-48]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用理化方法顯現(xiàn)的指紋，尤其是滲透性客體上的指紋，其三級(jí)特征的反映性較差。Shi等[49]發(fā)現(xiàn)將以固定壓力（250～300 g）捺印在硝酸纖維素膜上的汗?jié)撝讣y和油潛指紋，浸泡在水溶性染料表面后，能夠提取到清晰的指紋三級(jí)特征。更重要的是，他們得出結(jié)論認(rèn)為相鄰汗孔間的距離可以作為指紋鑒定的依據(jù)。Wang等[50]和Wei等[51]分別提出了一種利用親水的Fe3O4@SiO2-CdTe納米顆粒和一種利用鈣鈦礦磁性納米顆粒顯現(xiàn)指紋的方法，使得三級(jí)特征（尤其是汗孔）能夠清晰地表現(xiàn)出來。

Yu等[52]提出了使用高速光學(xué)相干斷層掃描成像的方法來增強(qiáng)手指真皮乳頭層紋線檢測(cè)的對(duì)比度，在指紋圖像上可以清楚地觀察到汗腺導(dǎo)管和紋線邊緣形態(tài)。劉微等[53]對(duì)汗孔細(xì)節(jié)特征的形成機(jī)制進(jìn)行了初步研究，并驗(yàn)證了使用暗視場(chǎng)顯現(xiàn)光滑平面玻璃上指紋汗孔細(xì)節(jié)特征的現(xiàn)實(shí)可行性。

3 三級(jí)特征的自動(dòng)識(shí)別

NRC的報(bào)告中指出：當(dāng)前我們使用的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)往往不能有效地利用大部分的特征信息，許多特征需要指紋檢驗(yàn)人員手動(dòng)標(biāo)記[41]。這表明指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automated Fingerprint Identification System，AFIS）還有很大的改進(jìn)空間。SWGFAST指出，產(chǎn)生上述問題的原因在于自指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)技術(shù)誕生時(shí)就只采用了非常有限的特征。而指紋檢驗(yàn)人員不是只利用系統(tǒng)能夠識(shí)別的端點(diǎn)和歧點(diǎn)進(jìn)行同一認(rèn)定或者排除，而是依賴更多的指紋特征信息[54]。

現(xiàn)有的三級(jí)特征提取方法主要集中在對(duì)汗孔的提取上。主要分為基于特征的提取法[33,35,55-59]，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的提取法[60-64]以及兩者結(jié)合的提取法[65]。

中科院自動(dòng)化所的羅希平等[66]利用脊線上的四個(gè)采樣點(diǎn)來表示細(xì)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脊線特征，提高了匹配的可靠性。清華大學(xué)顧金偉[67]在匹配階段融合了方向場(chǎng)匹配和細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配結(jié)果，增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)低質(zhì)量圖像匹配的可能性。

4 三級(jí)特征的鑒定屬性

學(xué)者們探討了指紋三級(jí)特征在指紋鑒定中的鑒定屬性。Locard認(rèn)為20~40枚汗孔足以獨(dú)立進(jìn)行同一認(rèn)定，Ashbaugh則認(rèn)為汗孔和二級(jí)特征應(yīng)當(dāng)被賦予不同的權(quán)重，在指紋鑒定中結(jié)合使用[13,68]?，F(xiàn)今，大多數(shù)學(xué)者傾向于把三級(jí)特征作為二級(jí)特征的補(bǔ)充，將兩者結(jié)合起來運(yùn)用。許多研究深入探究了二級(jí)特征與三級(jí)特征融合的指紋特征識(shí)別方法，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)融合了三級(jí)特征的指紋細(xì)節(jié)特征提取方法可以提高特征提取率和比中率[6,33-35,69-73]。

2009年，Biedermann等[74]研究了用概率方式陳述法庭科學(xué)同一認(rèn)定結(jié)論。他們認(rèn)為同一認(rèn)定中的概率表述代表了檢驗(yàn)人員的真實(shí)想法。貝葉斯決策網(wǎng)絡(luò)概率評(píng)分方法的建立將有利于檢驗(yàn)人員結(jié)合自己以往的經(jīng)驗(yàn)和在檢驗(yàn)中獲得的新數(shù)據(jù)，更加科學(xué)地表達(dá)鑒定意見。Geddes[75]和Neumann[76]總結(jié)了概率模型的歷史、現(xiàn)狀和應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了使用這些模型的重要性。Cole[77]以及歐洲指紋工作組[78]，作為對(duì)NRC報(bào)告的回應(yīng)，建議用其他方法代替現(xiàn)有鑒定意見的表述方式。Champod等[79]在Overview and Meaning of Identification/Individualization中解釋和更新了指紋鑒定中涉及的推理和概率原理，特別強(qiáng)調(diào)了鑒定中使用決策理論的重要性。

現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型可以歸為兩類：

一類是基于似然比的模型。該模型又可細(xì)分為兩類：第一，英國(guó)皇家統(tǒng)計(jì)學(xué)會(huì)雜志發(fā)表的一個(gè)模型，這個(gè)模型代表了英格蘭和威爾士法庭科學(xué)服務(wù)中心近些年研究的頂峰[80]。Neumann等[80-82]提出一個(gè)較為先進(jìn)的模型來計(jì)算似然比（在比對(duì)檢材和樣本時(shí)利用分配的證據(jù)權(quán)重），整合了標(biāo)注特征的變化和失真效應(yīng)，并且用數(shù)據(jù)支持了該模型的有效性。迄今為止，他們的工作提出了一個(gè)可以運(yùn)用在具體案例中的概率系統(tǒng)。第二，利用從AFIS中獲得的分?jǐn)?shù)，對(duì)一個(gè)給定的比對(duì)階段賦予權(quán)重。這些模型已經(jīng)公開發(fā)表，并且正在驗(yàn)證有效性并逐步實(shí)現(xiàn)。專業(yè)文獻(xiàn)中關(guān)于這項(xiàng)研究的積極討論促進(jìn)了該研究的不斷發(fā)展[83-84]。Anthonioz等[6]使用似然比模型評(píng)估了汗孔的證據(jù)強(qiáng)度，結(jié)論是在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指紋和樣本指紋的特征比對(duì)時(shí)，汗孔可以作為二級(jí)特征的補(bǔ)充加以運(yùn)用。

另一類是隨機(jī)匹配概率模型。隨機(jī)匹配概率模型的主要任務(wù)是計(jì)算不同指紋中一致的特征出現(xiàn)的概率。從指紋檢驗(yàn)人員的角度來看，這些概率測(cè)算類似于計(jì)算檢材和樣本中相似異源特征的出現(xiàn)率。自19世紀(jì)初Galton提出第一個(gè)模型以來，在同行評(píng)議的文獻(xiàn)中出現(xiàn)了20多種模型，這些模型用各種方法建立指紋特征的各種統(tǒng)計(jì)關(guān)系[69-73]。

5 三級(jí)特征的研究趨勢(shì)及展望

對(duì)三級(jí)特征的全面研究，是三級(jí)特征在同一認(rèn)定中運(yùn)用的有效基礎(chǔ)。指紋三級(jí)特征的研究發(fā)展趨勢(shì)是指紋顯現(xiàn)提取技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)等自然科學(xué)技術(shù)方法的結(jié)合運(yùn)用。

5.1 三級(jí)特征顯現(xiàn)提取方法的發(fā)展趨勢(shì)

近年來，國(guó)內(nèi)外的研究人員就這一方向展開了一些研究，取得了一些具有指導(dǎo)意義的研究成果。無接觸指紋提取方法的創(chuàng)新，開創(chuàng)了指紋三級(jí)特征顯現(xiàn)提取的新路徑。對(duì)于無接觸指紋采集技術(shù)，指紋的線條是通過照射、反射與散射等光學(xué)原理形成的3D表面形態(tài)特征，可以最大程度地排除手指因接觸采集設(shè)備產(chǎn)生彈性形變對(duì)三級(jí)特征造成的影響。對(duì)于三級(jí)特征生物屬性的探索，無接觸指紋采集方法可能成為重要的研究手段。

5.2 指紋形成條件對(duì)三級(jí)特征的影響

對(duì)遺留指紋時(shí)作用力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確度量，可以使三級(jí)特征的研究更為精準(zhǔn)，進(jìn)而幫助指紋檢驗(yàn)人員判斷壓力對(duì)三級(jí)特征的影響。羅亞平等[85]建立了采集指紋時(shí)記錄壓力的新技術(shù)，使得指紋采集系統(tǒng)在指定壓力下激活并瞬時(shí)采集指紋。未來活體指紋采集設(shè)備的研發(fā)也應(yīng)當(dāng)將壓力記錄裝置作為考量因素。指紋老化對(duì)三級(jí)特征的影響，可以為三級(jí)特征的研究提供理論基礎(chǔ)。尤其是在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)三級(jí)特征的穩(wěn)定性和特定性，將會(huì)影響三級(jí)特征的可靠性。

5.3 三級(jí)特征的識(shí)別技術(shù)

由于潛指紋的指紋質(zhì)量參差不齊，以及各類三級(jí)特征的定義閾值不明確，所以對(duì)三級(jí)特征的提取和匹配還存在較多待解決的問題。由于對(duì)低質(zhì)量指紋特征的手動(dòng)標(biāo)記是一項(xiàng)耗費(fèi)時(shí)力的工作，而指紋檢驗(yàn)人員常常需要在有限的時(shí)間內(nèi)處理很多指紋，因此應(yīng)當(dāng)重視指紋三級(jí)特征的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。

目前的研究多集中于汗孔與指紋二級(jí)特征的結(jié)合運(yùn)用，將其他各類三級(jí)特征逐步融入到指紋特征的提取和匹配系統(tǒng)中是未來的發(fā)展趨勢(shì)，這將在更大程度內(nèi)提升指紋提取和匹配的精度及準(zhǔn)確性。

5.4 三級(jí)特征的綜合分析與應(yīng)用

近年來，法庭科學(xué)共同體呼吁將主觀性較強(qiáng)的法庭科學(xué)分析方法轉(zhuǎn)變?yōu)榭陀^分析方法，即從“黑箱”分析到“白箱”分析。指紋檢驗(yàn)是典型的主觀分析方法，依賴于指紋檢驗(yàn)人員的判斷。但是主觀分析方法易受檢驗(yàn)人員的錯(cuò)誤、偏見和水平高低的影響?？梢钥闯?，諸多學(xué)者分別研究了三級(jí)特征的穩(wěn)定性以及特定性，但是鮮有將兩者結(jié)合，給予各類三級(jí)特征以不同的似然比。用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法量化三級(jí)特征的價(jià)值，可以減少涉及指紋特征的不同鑒定意見之間的變化性，使得指紋檢驗(yàn)更具準(zhǔn)確性、可重復(fù)性，更加可靠。通過系統(tǒng)性大樣本量的研究，得出各類三級(jí)特征的出現(xiàn)率，賦予各類三級(jí)特征不同的泊松分布數(shù)值，通過貝葉斯等統(tǒng)計(jì)理論以似然比量化表述各類三級(jí)特征，將會(huì)是未來三級(jí)特征的綜合分析與應(yīng)用研究的重點(diǎn)。對(duì)三級(jí)特征的系統(tǒng)研究，結(jié)合一級(jí)特征和二級(jí)特征的研究，共同構(gòu)成了指紋特征研究的集合，使得在指紋特征領(lǐng)域未有科學(xué)研究和數(shù)理統(tǒng)計(jì)未到之處。