工具痕迹种类分析与自动识别的研究

刘裕庞

（广东警官学院 刑事技术系，广东 广州 510230）

工具痕迹是传统痕迹中一门重要的学科，因其只能指向作案工具而无法直接认定人身，通常需要结合指纹、DNA 等其他物证才能发挥作用，再加上工具种类繁多、工具痕迹的检验难度较大，工具痕迹在以往的现场勘查及案件侦查中发挥的作用有限。 痕迹检验是结合现代科技的一门应用型技术， 随着社会发展和科技进步，对新时代刑事技术的标准要求越来越高，传统技术手段应激发新活力，工具痕迹检验应逐步趋于数据化、自动化。 因此，工具痕迹的数据库、识别系统等信息化建设就显得尤为必要。

痕迹的形成由造痕客体、承痕客体和作用力等要素决定，工具痕迹的造痕客体种类繁多，且在不同的承痕客体和力的作用下都会导致痕迹发生变化。 因此，工具痕迹数据化和自动化的前提是对工具痕迹进行种类分析，并建立数据库。

1 痕迹的种类分析实验

承痕客体在痕迹形成过程中起着重要的承载作用。 为控制变量，选用现场常见的防盗窗为研究对象，通过分析防盗窗上各种工具痕迹的形成过程，从痕迹判断造痕体工具的种类来归纳总结其种类分析规律。

1.1 实验材料

直径12 mm、壁厚1 mm 的钢管焊接而成的防盗窗10 个，同品牌多种规格尺寸的钢丝钳、鲤鱼钳、管子钳、“F”型撬棍、“一”字型撬棍、“T”字型撬棍、剪式千斤顶、断线钳、液压钳、钢丝剪、钢锯、管子割刀等。

1.2 种类分析

常见的防盗窗现场破坏方式有撬压、割削和剪切等形式，分别使用各种工具来制作痕迹，以模拟现场痕迹的形成过程， 再比较分析判断其区别，并总结归纳种类分析体系。

1.2.1 作用方式的分析

作用方式的分析主要从现场的重点部位进行分析，分析痕迹形成过程中的受力情况。

（1）撬压方式分析。 撬压是工具利用杠杆作用破坏客体的一种作用方式，一般一次撬压形成两处凹陷痕迹，一处在支点，另一处在重点。 防盗窗上的撬压又可分为夹持撬压、扭转撬压、折离撬压和扩缝撬压等形式。 夹持撬压是利用工具的夹持部位夹压窗枝进行上下左右的撬动，在同一窗枝的两侧形成背对的凹陷痕迹，常见的夹压破坏工具有钢丝钳、鲤鱼钳等。 扭转撬压是利用工具的某一部位卡住窗枝再进行旋转撬动的一种方式，在同一窗枝的两侧形成两处具有一定距离的凹陷痕迹，常见的扭转破坏工具有呈“F”型的工具。 折离撬压是利用杆状的工具撬动多根窗枝使窗枝变弯变断的一种方式，在不同窗枝形成两处以上的凹陷痕迹，一般是一处在里侧，另一处在外侧，常见的折离破坏工具有“一”字型撬棍、“T”字型撬棍等。 扩缝撬压是利用工具使防盗窗相邻的两窗枝变弯、间距变大的一种撬压方式，一般产生两处相对的凹陷痕迹，常见的扩缝撬压的工具有剪式千斤顶等。

（2）剪切方式分析。 剪切是利用强剪切力的工具剪切防盗窗的窗枝，在同一窗枝上形成两个双坡面断头的一种破坏方式，常见的具有强剪切功能的工具有断线钳、液压钳和钢丝剪等。

（3）割削方式分析。 割削是利用工具对防盗窗窗枝进行层次剥脱的一种破坏方式，在同一窗枝上形成两个断口为平面的断头，常见的割削破坏工具有钢锯、管子割刀等。

1.2.2 工具种类的分析

（1）撬压类工具分析。 撬压类工具的加工花纹决定了形成的两处凹陷痕迹的特点（表1）。

表1 撬压工具痕迹特征总结

（2）剪切工具分析。 剪切类工具的剪切方式决定了断头的侧面形态，刃侧加工花纹决定断头坡面的痕迹特点（表2）。

表2 撬压工具痕迹特征总结

（3）割削工具分析。 割削类工具的割削方式和割削部位的加工花纹决定痕迹的特点（表3）。

表3 割削工具痕迹特征总结

1.2.3 工具规格尺寸的分析

同种类工具的结构和加工花纹类型基本一致，规格尺寸越大，其加工花纹越大，因此，经过对作用方式、工具种类的分析，仍可进一步分析工具尺寸，主要从加工花纹大小进行分析。 本研究主要从多种规格尺寸管子钳和剪式千斤顶的痕迹进行分析，总结工具尺寸分析的方法。

（1）管子钳的规格尺寸分析。 管子钳的撬压痕迹尺寸分析主要在两个钳口撬压时齿切划窗枝形成的划痕间距，尺寸越大，则间距越大（表4）。

表4 管子钳的尺寸分析结果（mm）

（2）剪式千斤顶规格尺寸分析。剪式千斤顶的尺寸主要以支撑力大小来决定，支撑力大的力臂长、长度大，主要通过其基座的印压痕迹宽度进行撬压痕迹尺寸的分析，尺寸越大，则宽度越大（表5）。

表5 千斤顶的尺寸分析结果

2 种类分析体系的建立

通过对破坏防盗窗工具的种类进行分析，确立了从痕迹分析工具种类的方法和流程：首先从工具的作用方式进行分析，在工具的功能上确定工具的种类范围，其次通过作用部位痕迹的种类特征确定具体的某一种工具，最后通过痕迹反映出的种类特征的大小来判断工具的具体规格尺寸。

3 基于Matlab 软件平台实现种类特征的识别

防盗窗上工具痕迹种类分析体系的建立，为痕迹的种类特征自动识别提供了基础方法。 在进行特征的识别过程中，首先对工具痕迹的作用方式进行分类，不同作用方式所形成的痕迹整体概貌完全不同，容易区分，而同种作用方式的不同种类工具形成痕迹的识别难度较大。 因此，借助Matlab 软件平台进行实验，对同种作用方式的不同种类工具形成的痕迹进行识别研究。

实验对管子钳、钢丝钳、鲤鱼钳3 种工具的撬压痕迹进行研究，取200、250、300、350 mm 的管子钳，160、180、200、22 0 mm 的钢丝钳和150、160、200、250 mm 的鲤鱼钳进行撬压实验，并各自提取1 个痕迹面，12 张痕迹照片如图1～3 所示， 将这些痕迹照片在Matlab 中进行识别研究。

3.1 相关性分析

从整体上看，不同种类工具压面加工花纹不同，可进行区分识别，如果两个图片都是同一种花纹，那么相似度必然高，且图片的灰度排列也相近。 因此，比较两张二维图像灰度的相关性，可以对同种工具不同规格尺寸工具痕迹进行区分识别。 对二维图像灰度进行相关性分析，可反映两张图片之间的依赖程度，相关系数在0～1 之间变动，且数值越接近1，说明相关性越大。 利用Matlab 软件自带的函数corr2 可求解两张图片的相关系数，以200 mm 管子钳形成的痕迹图片[图1（a）]为标准，其他11 个痕迹图片与其进行比较，使用corr2 函数对12 个痕迹进行比较。 比较过程的基本流程为：图像灰度化→图像归一化→图像降噪→corr2 函数获取相关性，各相关系数值见表6。实验结果表明：同种工具不同规格尺寸形成痕迹图片的相关性较大，但由于施力不同，导致痕迹的深浅和形状会发生变化，受光照条件的影响，图片的像素分布也会发生变化，因此同种工具不同规格尺寸形成的痕迹之间的相关系数也会出现差异；不同种类工具形成的痕迹图片的相关性较小。 因此，在种类特征的自动识别中，相关性分析可作为区分识别的一种方法。

表6 相关系数比较结果

图1 管子钳痕迹照片

图2 钢丝钳痕迹照片

图3 鲤鱼钳痕迹照片

3.2 Surf 算法的应用

Surf 算法是一种稳健的局部特征点检测算法，可用于图像局部特征点的提取、描述和匹配，而且对缩放、旋转和仿射变换保持不变性，故可用于各痕迹种类特征的识别和提取。在Matlab 软件中调用Surf 函数进行特征提取，以200 mm 管子钳形成的痕迹图片[图1（a）]为标准，其他11 个痕迹图片与其进行比较。 比较过程的基本流程为：图像灰度化→图像降噪→调用Surf 算法提取和比较其特征点，Surf提取的特征点数见表7，匹配的特征点数量见表8，匹配效果图见图4。 实验结果表明：Surf 算法提取的特征点主要是根据区域像素的极值进行提取，对每个痕迹图片都能提取大量的特征点，由于施力条件和光照条件的变化，同种工具不同尺寸形成的痕迹的图片提取的特征点也有所不同；同种类工具痕迹因其作用部位的加工花纹的相似性，形成的痕迹的图片像素点分布规律相似，匹配的特征点的数量较多，同理，不同种类工具痕迹匹配特征点的数量较少，但两者数量比较接近，占特征点的总数比例较少，识别的准确性欠佳，Surf 算法难以直接用于特征的识别和匹配。 因此，在特征的自动识别和匹配上，结合相关性和Surf 特征匹配进行，可互相弥补缺漏。

图4 匹配后图像效果图

表7 特征匹配点数量结果

表8 Surf 特征匹配点数量结果

4 结语

本文通过实验系统地总结防盗窗上破坏工具的种类分析流程，从作用方式、工具种类和工具规格等进行全面分析，并结合Matlab 软件平台进行自动识别的研究，为工具痕迹的种类分析和自动识别提供具体的方法。 由于工具种类繁多，本研究未能包含所有种类和规格的工具进行实验，有待通过进一步收集现场出现的其他种类工具进行实验，完善工具痕迹的种类分析体系。 本研究提供的种类分析方法系统全面，也可适应于其他客体上的破坏工具种类分析。 将工具、工具痕迹和客体的数据全面记录下来并形成数据库，可为现场工具痕迹的检验和识别提供依据。