立体足迹提取检验系统在足迹检验中的应用

时 光

（吉林警察学院，吉林 长春 130117）

一、引言

由于刑事技术人员对足迹工作实践经验的总结，以及对其进行多方实验和专题研讨，近几十年，足迹研究逐步形成了经验描述性的应用理论体系。然而，由于足迹检验技术的基本理论研究比较薄弱，目前提高检验水平还主要是依靠经验积累。随着科学技术的飞速发展，计算机的广泛应用，对足迹提取、检验的定量化和标准化成为足迹检验这门应用科学的必然发展趋势。虽然鞋底花纹自动识别系统、成趟足迹采集与分析比对系统已经研发成功并投入使用，但其均解决的是平面足迹的问题。针对当前公安刑侦领域中对立体足迹采集分析的实际需求，立体足迹提取检验系统应用现代光学测量技术和计算机技术实现对现场立体足迹原物大、原始形态的数字化采集、存储和传输，应用图像处理技术分析和比对立体足迹，填补了公安系统应用的空白，促进了足迹检验这一学科的发展。

二、立体足迹提取检验系统在实验室中的应用——年龄分析研究

通过应用立体足迹提取检验系统进行大量实验，基本总结出人在行走时足底特征与年龄之间的内在联系，并获得了利用立体足迹提取检验系统分析留痕人年龄的相关经验，为立体足迹提取检验系统分析的自动化和信息化提供实践经验和理论支持。

（一）实验数据的采集和处理

1.样本的选取及提取。利用立体足迹提取检验系统配合专业软件提取40名年龄在18岁~55岁，身高在170cm~180cm的健康男性穿皮鞋正常行走时的左右立体足迹各2枚。

2.关于踏痕的相关实验操作。启动立体足迹提取系统及配套图像处理软件后，在工程页面打开所提取的立体足迹数据，依次进行“压力显示”“基面准基”“垂直旋转”操作。

图1 踏痕测量示意图

在以往立体足迹检验中，往往将足迹本身反映的踏痕跃变点进行人为调整，测量时调整测量点以量取赤足的踏痕，以套用年龄＝踏痕半径（cm）×10的经验公式。此法不易掌握、分析结果误差较大、人为因素过多参与数据测量中易造成较大误差。在本次实验中，将测量数据拟定为足迹本身反应的外跃变点至落足点的长度（图1中A＇B＇），而非传统测量时人为拟定的长度 （图1中AB）。每个测试者测量两枚同侧足迹的值然后取平均值。

通过立体足迹提取检验系统的三维模拟形成的伪彩色图能够直观反映足与承痕体的接触点压力状态，可以明显观察跃变点的位置，这样，测量足底压力的跃变点（图1中A＇）较以往更加直观，进而降低了技术人员采集经验性的要求。

3.关于跖压痕的实验操作。

图2 跖压痕示意图

启动立体足迹提取系统后，经三维测量、压力显示和基面校准（同踏痕实验操作）后，运用模拟重压运算，计算出模拟赤足足底压力面的范围，观察跖压痕的分布区域及规模特征（图2）。

（二）实验数据分析

1.踏痕实验所得数据分析

（1）运用回归法分析样本。回归分析是对有相关关系的现象，根据关系的形态选取合适的数学模型用来近似地表达变量间的平均变化关系，作为结果的因变量（年龄）用Y表示，作为原因的自变量（踏痕半径）用X表示。绘制散点图后，关系的强弱取决于散点图是否有一个清晰的形状，数据点是否紧密地分布在这个形状之中。另外，散点图反映那些与总体有较大差别的个体值的状况。

为了更好地研究不同社会阶层人群足长与身高的相关关系，将测量好的足迹样本数据分别输入计算机，设年龄变量为Y，踏痕半径变量为X，然后通过Excel数据统计分析程序中的INTERCEPT函数和SLOPE函数分别算出回归方程的截距和回归系数，从而得到反映穿鞋立体足迹年龄与踏痕半径关系的一元回归方程，并进行散点图的绘制和拟合优度检验。如图3所示。

图3 踏痕半径与年龄关系散点图

由上述散点图及分析数据可以看出：分析绘制的散点图，可见图中坐标点分布较集中，坐标点分布呈窄带状，基本上图中点落在趋势线周围，说明数据间有正线性相关性，穿鞋立体足迹年龄与踏痕半径之间的关系为:Y=9.6421X－1.3329。

（2）回归分析中误差分析。由于测量值完全可以直观测量，不像以前经验测量的方法还需考虑特殊行走姿势，所以步角较大者测量值也相应变大，造成测量者不符合与年龄关系。另外，样本只有男性穿皮鞋的足迹，缺少不同鞋种、不同性别间关于年龄的分析。还有，承痕体表面是否平坦、后期提取系统基面是否校准也会对实验结果产生一定影响。

2.压痕伪彩色图像分析

经过“模拟重压”操作，可将测得的立体足迹进行模拟赤足足迹的模拟重压计算，从而对跖压痕的特征进行观察。

图4中：图a为25岁受试者足迹，其跖压痕中心靠近第一跖区，图b（36岁）和图c（44岁）跖压痕逐渐向足弓区延伸；图d受试者为57岁，跖压痕重心靠近第五跖区。随着年龄的增大，跖压痕位置从一跖逐渐向足弓部延伸。符合足迹步法特征变化的一般规律。

由此可见，立体足迹提取检验系统的“模拟重压”操作后可以直观地反映赤足的轮廓以及足迹的重压区域，进而更加便于利用立体足迹提取检验系统分析年龄。

（三）实验结论

1.足迹中测量值与年龄呈明显的正相关性，充分验证了传统足迹检验中踏痕半径与年龄关系的相关经验推断；穿鞋立体足迹年龄与踏痕半径之间的关系为:Y=9.6421X－1.3329。

2.本试验直接利用穿鞋足迹外跃变点和落足点之间的距离分析足迹遗留人的身高，而不是人为的测量赤足的踏痕半径，此采集方法更加简便、客观，更重要的是减少了人为经验因素的影响，为以后足迹年龄自动分析打下基础。

3.立体足迹提取系统采集的足迹经模拟重压，模拟出赤足足底压力面的足跖压痕随着人年龄的增大，从第一跖压逐渐向第五跖压过渡并向足弓部延伸，与传统足迹检验的理论具有一致性，所以通过足跖压痕的变化规律综合分析人的年龄具有科学性。

三、立体足迹提取检验系统在实际工作中的应用——同一认定

案例一：2011年3月15日辽宁省新民市法哈牛镇孙家套村发生爆炸案，造成该村支书胡宝峰死亡。现场石膏制模提取立体足迹一枚。经侦查该镇居民许世辉有重大嫌疑，提取其左脚鞋一只，使用立体足迹提取检验系统进行特征相符程度检验。由于送检材与样本均为立体石膏模型而非立体足迹，而立体石膏模型能够准确反映立体足迹的痕底凸凹变化，所以检验人员利用该系统对立体石膏模型进行了二次提取，并分区域进行3D数据离散度比对，检验结果显示检材与样本跖区、跟区等形成足迹主要区域3D数据分布80%在离散度认可范围以内，为同一人遗留概率较高。

案例二：2011年7月27日内蒙古自治区莫力达瓦达斡尔族自治旗公安局辖区莫旗塔温敖宝镇福春砖厂办公室被盗现金20万元，现场石膏制模提取立体足迹两枚。经侦查该镇居民杨继义有重大嫌疑，提取其左右脚立体足迹石膏模型各一枚，使用立体足迹提取检验系统进行特征相符程度检验。由于检材与样本均为立体石膏模型而非立体足迹，而立体石膏模型能够准确反映立体足迹的痕底凸凹变化，所以利用立体足迹提取检验系统对立体石膏模型进行了二次提取，并分区域进行3D数据离散度比对，检验结果显示检材与样本跖区、跟区等形成足迹主要区域3D数据分布80%在离散度认可范围以内，为同一人遗留概率较高。

以上两起案件通过立体足迹提取检验系统所得出的检验结论，为侦查人员确定了正确的侦查方向，为树立侦查信心提供了技术支持，对打击犯罪分子顽抗到底的侥幸心理起到了关键性的作用。立体足迹提取检验系统能适应各种复杂条件和变化，比对结论明确、可靠性高，对基层立体足迹提取和比对检验有较大的帮助。

图4 跖压痕随年龄变化示意图

四、总结与展望

立体足迹提取检验系统可直接用于现场足迹的勘查、检验工作，为揭露和打击犯罪提供证据。立体足迹提取检验系统降低了复杂条件下的立体足迹采集难度，降低了对技术人员采集经验性的要求，为现场大范围采集提供了方便条件，实现了立体足迹的数字化存储和传输，也为立体足迹进入数据库和检索系统提供了解决方案。同时该系统为公安院校教学部门提供良好的教学设备，突破了传统的教学方法，实现了对足迹的步法特征的科学认识和特征的测量自动化，操作简单，使用方便，大面积推广更能体现其数字化的处理优势，具有广阔的应用和发展前景。

［1］吴旭芒，高以群.足迹学［M］.北京：警官教育出版社，1995.

［2］史力民.足迹学［M］.北京：中国人民公安大学出版社，2009.

［3］刘树权.足迹动力学［M］.北京：中国人民公安大学出版社，1990.

［4］王清举，平西建，王永栋.立体足迹计算机自动识别系统的应用［J］.刑事技术，2003，（5）.