足跡識別技術研究進展

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摘要：足跡鑒定技術在科技進步、技術革新的推動下，自動化程度、智能化水平不斷提高。同時，犯罪形勢及罪犯的反偵查能力給足跡鑒定提出了新問題、新挑戰。鑒于此，梳理足跡識別技術的國內發展動態，分析其優缺點，指明研究方向，促進現代刑事科學技術的快速發展具有重要意義。

關鍵詞：足跡識別；步態識別；身份認證

足跡是人自重和人體肌力通過足作用于地面等物質客體上形成的痕跡。在沒有指紋及DNA等相關證據的現場，足跡極有可能是唯一的案件偵破突破口，其重要性不言而喻。足跡按照是否有深度或高度信息可分為立體足跡與平面足跡。立體足跡包含豐富的生理特征和行為特征，是足跡檢驗鑒定方面的重要研究對象。

一、國內研究進展

（一）人工足跡檢驗人工足跡檢驗以點、線、面幾何信息的形象描述為主，輔以人工的加工測量手段獲取足跡特征。一般人難于提取和識別這些特征，只有領域專家有這方面的能力，因此這些特征也被稱為足跡“專家特征”。對于這些特征，由于領域專家的知識結構的差異，對于同一案件，專家結論可能出現對立的局面。因此，人工足跡檢驗結果不在法院直接采信的證據范疇內。1.形象特征檢驗形象特征檢驗是直接比對足跡形象特征的方法，包括但不僅限于大小、寬窄、腳底拓撲結構、花紋、磨損等形象特征。這種方法直觀、容易掌握，對于同一環境、同一雙鞋有著不錯的比對效果。2.步法檢驗20世紀50年代馬玉林等人提出并實踐了步法檢驗，使用17種單腳步態特征和雙腳步幅特征進行同一性認定。由于該方法對足跡數量和質量要求較高，對城鎮等足跡成痕環境較差的場所，適應能力較弱。3.單足跡檢驗20世紀70年代，在步法檢驗的基礎上，對單足跡的特征提取及檢驗方法進行了深入研究。這種測出單足跡的幾何特征，估計人的生理和行為特征，并進行人身認定的方法被稱為單足跡檢驗。該方法對于身高、年齡、性別、體態有較好的檢驗效果。但是，由于單足跡的重復率高，隨機性大，直接進行認定比較困難。4.單足跡比對檢驗單足跡比對檢驗相對于單足跡檢驗增加了兩枚足跡比較的環節，判定兩枚足跡是否為同一人所為。該方法適應性較強，結論相對較可靠。但是，單足跡特征受成痕主體與成痕環境的影響大，提取與識別困難，只有少數領域專家掌握該方法與技術。5.磨損特征檢驗磨損特征檢驗是用由運動、生理結構、動力定型等因素綜合作用形成的相對穩定的鞋底磨損特征對鞋及人進行同一性認定的方法。它可用于不同種類鞋子認定，是足跡檢驗技術的重大進步，但是，在實際檢驗應用中對磨損程度、磨損形態較難理解和掌握。

（二）定量化足跡檢驗20世紀80年代，痕跡檢驗技術的發展及技術革新需求促進了足跡特征定量化技術的發展。周口市公安局王清舉與北方工業大學及公安部832廠等單位聯合研制了“CZG-1立體足跡高程測量儀”及換代產品“JLH-A面陣式深度數據測量儀”，用力學、模糊數學量化成趟足跡中步長、步寬、步角等特征，便于足跡檢驗，降低檢驗門檻。河北省雄縣劉樹權在20世紀80年代中期將力平衡及軌跡參數化運用到足跡檢驗中，提出了足跡動力形態檢驗方法，與南開大學合作開發了“足跡計算機自動鑒定系統”。這兩種方法在量化足跡特征基礎上，研制了足跡鑒定系統，自動化程度高、學習使用起來更加方便，鑒定結果更加客觀公正。但是，這兩種方法依然是以步法檢驗為基礎，對動力定型所形成的運步方式的參數化，足跡的提取、足跡特征的提取必須由人手工完成，自動化程度還不夠高，沒有擺脫足跡“專家特征”的約束。

（三）自動化足跡檢驗20世紀90年代以來，足跡檢驗受到了公安部的高度重視，重點攻關足跡分析和識別自動化技術。解放軍信息工程大學平西建團隊從1995年開始研究立體足跡的檢驗鑒別。用傳統石膏制模方式采集立體足跡，在生物特征識別、三維數據分析、造型等方面的研究較深入。王淡用Bezier和B樣條曲面進行足跡三維曲面重建。田越提出了基于曲線形狀分析的三維表面識別方法。應用該技術，與河南省周口市公安局開發了“基于重壓面形狀分析的立體足跡造型與識別系統”，但是，該方法要求深度基準面一致。肖著提出了表面法向量分布曲線識別法解決深度基準面問題。該方法雖然能夠應對基準面不一致的問題，但是分布曲線特征屬于全局特征，忽略了局部特征，不適用識別復雜三維表面。丁益洪為了提高足跡采集分辨率，提出了立體足跡深度圖像分割方法。在此基礎上，考慮足部骨骼生理特征，提出了描述立體赤足跡三維表面形態特征的參數模型圖，用形狀特征參數化足跡模型。這種同一性鑒別實驗的正確率為79%。苗良在建立的立體足跡圖像坐標系內，將足跡的幾何特征及其拓撲關系參數化，通過統計分析得到了足跡與身高、年齡、性別、體型之間的關系。平西建團隊對立體足跡的研究深入且有代表性，尤其在三維數據分析、造型方面。不過，由于用石膏制模方式采集立體足跡，效率較低。大連海事大學裴偉開展了基于多尺度Gabor變換的平面足跡檢索算法研究，在6000枚犯罪現場足跡庫中，取128枚64組足跡互相檢索，排在前20位的比例是85.2%，排在前100位的比例是100%。大連恒銳股份有限公司的“恒銳足跡自動識別系統”于2007年3月26日通過了公安部科技局組織的技術鑒定，鑒定結論為整體技術達到國際先進水平，于2008年被公安部科技局確定為2008年度科技成果重點推廣項目。2010年9月“鞋樣本數據庫在線服務平臺”正式開通，數據庫保存了來自全國各地近千個品牌的男鞋鞋樣10萬余款，包含運動鞋、皮鞋、休閑鞋等款式，目前為25萬余款。

二、國外研究進展

國外足跡檢驗的歷史雖然沒有國內那么悠久，但作為重要的痕檢證據，領域專家學者也開展了形式多樣的各種技術研究，促進了足跡檢驗技術的發展和完善。Kanchan研究了足跡與人體年齡、身高、性別的關系，并給出人的足跡具有唯一性的結論。Massey用成年雙胞胎的足跡差異性進一步印證了該結論。Hemy用足和足跡的10條直線分布特征估計人的性別，在200個成年樣本中，對男性識別較準，交叉校驗使識別率從71%提高到91%。Periyasamy探討了足底壓力分布與性別的關系。Jasuja研究了人行走時步幅和身高的關系。Bertani研究了不同年齡、性別、腳支撐的老人的足弓類型對腳底壓力分布的影響，發現足弓越高腳底峰值壓力越大，非支撐腳比支撐腳的足弓高，隨著年齡的增大，足弓變低，女性的更低，這可能與腳底肌肉僵硬有關。Bouridane等用相位相關濾波器（PhaseOnlyCorrelation,POC）和組合相關濾波器（AdvancedCorrelationFilters,ACFs）中的無約束最佳權衡綜合鑒別函數（UnconstrainedOptimumTrade-offSyntheticDiscriminantFunction,UOTSDF）濾波器進行足跡檢索，以峰值旁瓣比（Peak-to-SidelobeRatio,PSR）為指標，在5200枚的足跡庫中的平均識別率為86.61%，不足在于POC對旋轉敏感，ACFs對噪聲敏感。Bouridane聯合Harris、Hessian和SIFT為新的縮放、旋轉不變算子，在300枚的足跡庫中，多種情況（旋轉、縮放、噪聲、殘缺及多種組合）的測試結果表明排在前10位的比例為68.5%—100%。由于聯合了多個檢測子，速度較慢；足跡庫較小，也并非現場庫。AmbethKumar用歸一化平面赤足跡加權方向差與位置差進行識別，該研究使用的樣本集較小。Massey使用960個墨拓足跡，提取96000個形狀特征進行識別，確定二維赤足足跡可進行身份鑒別，但是該方法的特征提取自動化程度低，需人工干預。Zheng用行進中動態變化的足壓力特征進行鑒別。TRADEMARKTM是由CSIEquipment公司在2006年開發的一套足跡標識分析識別系統。CSIEquipment公司聲稱系統是當時唯一一套利用類別、大小、損傷、磨損識別足跡，自動將足跡與嫌疑人數據庫、犯罪現場數據庫比對的檢索系統。

“自動”是指比對和查詢過程。事實上，該系統仍需用戶根據分類或其它方式編碼。與其它足跡系統不同的是，它需要用戶指出查詢足跡出現特征的位置。SICAR是由英國Foster&Freeman公司在2006年開發的商用足跡檢索分類系統，已被英國警察部門及法醫部門采用。最新版是SICAR?6，可以在嫌疑人和犯罪現場數據庫檢索足跡。該系統將花紋特征分為線形、波形、曲折形、圓形、菱形和塊狀等類別，同其它半自動系統一樣，也需用戶把足跡人工分類并對足跡特征進行編碼。Chazal建立了一種全自動足跡分類系統，用多個旋轉法向功率譜密度作為花紋特征。為了減少灰度變化率，高低頻信息被剔除，只保留足跡信息。Chazal測試了1000枚足跡，同組相似足跡排在第一位的比例為67%。ZHANG建立了一種基于輪廓邊緣特征信息的足跡識別系統，用邊緣方向直方圖檢索足跡圖像，檢索實驗在512枚足跡庫中進行。他們用仿真的旋轉、尺度變換、高斯噪聲圖片，評價該方法在不同情況下的魯棒性，準確率為85.7%。Pavlou用SIFT描述MSER提取的特征，用光譜特征精匹配，在374枚足跡庫中進行檢索實驗，排在第1位的比例為87%，排在前8的比例為92%，但系統對信噪比的要求十分高。Gao使用多尺度曲率分析方法將鞋底花紋分為凸凹兩類，然后在多尺度空間用不斷修改足跡輪廓模型的方式剔除三維特征中的異常數據，實現特征提取和分類。Tang使用線、圓、橢圓等基本形狀特征和屬性關系圖檢索圖像。使用300枚真實場景的足跡圖像及2660枚變換后的圖像作為測試庫，排在前10%的比例為73%。Gamage開發了非常有代表性的三維激光足跡采集儀，由兩臺激光器和一臺攝像機構成，X、Y、Z的軸向精度分別為0.2369mm、0.0438mm、0.5mm，掃面速度為1.2138mm/s，實驗中僅足跡掃面時間就為371.533秒，視頻分辨率為1920×1088，大小為1.03GB。整體而言，國外在足跡檢驗方面的特點是，起步晚，以研究平面足跡檢索檢驗為主，多是在小樣本非犯罪現場足跡庫中進行檢索試驗，水平和國內相當。

三、結論與展望

足跡鑒別技術在幾千年的發展中，取得眾多研究進步和技術突破，是經得起歷史長河考驗的生物特征鑒別技術，在歷史舞臺上延續著其特有光芒的同時，也向人類提出了更高的要求。成痕主體、成痕環境的變化對痕跡采集及鑒別技術提出了新的挑戰。一方面，隨著罪犯的受教育程度及學習能力的提高，罪犯的反偵查手段花樣百出，現場能提取到的有效證據越來越少，很多情況下，足跡可能是唯一的現場遺留證據，足跡鑒別成了偵破案件的唯一希望。另一方面，足跡“專家特征”限制、采集自動化程度低、殘缺破損足跡困擾、理論基礎薄弱等問題嚴重影響了足跡鑒定的速度和精度，阻礙了案件的偵破。將更新、更優的技術引入實戰，提高采集設備的自動化、小型化，“專家特征”的數學化、科學化，分析過程的智能化、網絡化，理論支撐的全面化、深刻化，特殊情況的專業化、綜合化是足跡識別技術的發展方向。（一）足跡高效采集將物聯網技術、片上實驗室技術應用到足跡采集設備上，適應復雜多變的成痕環境，克服常用足跡采集儀的笨重、昂貴、采集速度慢、精度低等缺點，快速準確非接觸地獲取犯罪現場的立體足跡數據，為鎖定犯罪嫌疑人提供硬件保障。（二）步態與立體足跡互識別以生物控制論為指導，建立骨肌系統動力學模型及控制機制，揭示足造痕的本質，實現立體足跡、步態、人的三點一線，完善足跡檢驗鑒定理論體系。（三）平面足跡與立體足跡互識別以人體解剖學為基礎，將增強現實技術與深度學習技術相結合，使自成體系的平面足跡特征與立體足跡特征能夠在統一的框架下互聯互查，實現跨平臺的特征刻畫與檢驗鑒定。（四）殘缺破損足跡與完整足跡互識別將數據挖掘技術與腦認知技術相結合，透過現象抓住本質，將殘缺破損足跡與完整足跡在特征空間配準，實現殘缺破損足跡的檢驗鑒定。

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作者：楊琳，佟德鑫 單位：遼寧警察學院