对不同承痕客体的灰尘鞋印提取方法的研究
张 涛，宁婷婷，刘禹辰，于金铃，朱振东
（辽宁师范大学物理与电子技术学院，辽宁 大连 116029）
[摘要] 为了更加清晰地提取犯罪现场的足迹，采用光学拍照方式中的掠入射配光和偏振摄影技术并结合小波变换的图像融合算法对黑布、瓷砖、地板革等不同承痕客体的灰尘鞋印的提取方法进行了研究。实验结果表明：根据不同的承痕客体上灰尘鞋印的不同显现情况，灵活选用上述的方法可以在一定程度上增加鞋印花纹的清晰度和完整性。
[关键词] 灰尘鞋印；承痕客体；掠入射配光；偏振摄影技术；小波变换融合算法
公安案件现场取证经常会出现有不同承痕客体的鞋印，由于客体和承痕种类多样，对于直观看起来不清晰的鞋印难以找到合适的办法进行提取，以至于一些有破案价值的鞋印信息不得不放弃。常见的客体有布面、土地、草地、地板、地板革、瓷砖、大理石地面、木质的门等；常见的承痕有浅层灰尘鞋印、加厚层灰尘鞋印、减层鞋印、未干的水印等。针对不同的承痕客体有相应的鞋印提取方法，如化学，物理，光学照相等。本文主要研究的是灰尘鞋印利用光学照相的相关技术，在以黑布、瓷砖和地板为承痕客体的提取方法。
1 灰尘鞋印取证方法的研究现状
灰尘鞋印是犯罪现场重要的物证之一，有些灰尘鞋印细节特征保存较好，但是多数灰尘鞋印是潜在的或几乎看不见的，取证人员需要考察承痕客体的表面性质、形成承痕的物质成分、客体表面和承痕两者的颜色以及反差的大小、提取的条件等因素来确定合适的提取方法[1]。光学照像的方法适用于表面相对光滑平整的非渗透性客体，这种方法在灰尘鞋印的搜寻、显现和加强方面效果突出，并且不会损坏鞋印花纹。上海市公安局政保处技术科提出过偏角拍摄鞋印的方法可以拍摄出一些如白瓷砖上只有偏角能看清的鞋印，但是操作过程繁琐[2]。林智清提出了分色偏振光拍摄木窗横上的微弱加层残缺鞋印的方法，证实了偏振摄影技术在分离不同材质承痕和客体中起到一定的作用[3]。刘自强采用掠入射偏振光照相方法显现电脑电源接线头上灰尘指纹，验证了掠入射结合偏振光照相的作用[4]。根据灰尘鞋印的特点，本文采用了光学照相中的掠入射配光和偏振摄影技术，并结合小波变换的融合算法对灰尘鞋印图像进行提取。实验证明，提取后的鞋印图像完整、鞋印花纹清晰度提高。
2 实验方法
2.1 掠入射配光方法
掠入射配光方法就是让照明光源的光线以近似90度的入射角投向被检验的物体表面，由于鞋印与承痕客体的表面光滑程度不同，用此方法配光后，二者表面的漫反射程度不同，有利于分离承痕客体和鞋印，使鞋印看起来更加清晰，不受客体的影响。
2.2 偏振摄影技术
偏振摄影技术是在相机镜头前加偏振镜有选择性地过滤掉来自某个方向的光线，通过多次旋转偏振镜，可以过滤掉由于光照在物体上产生的影响成像效果的漫反射光，从而减弱背景光线的强度，把背景压暗，增加前景和背景之间的反差。偏振镜分为线偏振镜和圆偏振镜两种，本实验采用的是圆偏振镜。
2011年，泉州市被水利部确定为全国加快实施最严格水资源管理制度试点城市。几年来，泉州市先行先试，在开展实施最严格水资源管理制度方面取得一些成效：一是体制创新，成立泉州市水资源管理委员会，实行水务一体化管理；二是科技创新，率先建立水资源动态管理系统，水资源管控能力不断提高；三是模式创新，完善水权交易平台，协调分配区域间用水，水资源优化配置能力不断提升。
2.3 基于小波变换的图像融合算法
由以上实验现象可以看出：较远距离配光下的鞋印，比较完整，但有部分鞋印花纹显现的不清晰；较近距离配光下的鞋印，由于光照不均，存在部分曝光；将远近距离配光的鞋印图像，运用小波变换算法融合后得到的鞋印图像花纹整体清晰度有所提高。
图1 基于小波变换的图像融合算法流程图
3 实验条件
3.1 实验环境
本实验是在光学实验室的暗室里进行操作，分别在暗室开灯和不开灯的环境下来研究掠入射配光和偏振摄影技术起到的作用和效果。
3.2 实验器材
由以上实验现象可以看出：在本实验条件下，承痕客体为地板革，灰尘鞋印的花纹会受到客体图案的影响，细节部分模糊不清。通过在暗室中，对鞋头和鞋尾分别加掠入射配光拍摄，采用小波算法融合后的鞋印花纹要比单独从一个角度配光得到的鞋印花纹清晰。实验说明，对于背景复杂的承痕体，从多角度使用掠入射配光方法要优于单角度配光的方法。
3.3 样本制作
选用鞋底花纹清晰的鞋，先将鞋底清理干净，再将其在有灰尘的地方沾一定数量的灰尘，然后在黑布、地板革、瓷砖地面垂直踩踏，印上灰尘鞋印。
4.3.1 在暗室的环境下，将以地板革为承痕客体的一个灰尘鞋印样本平铺在地面上，将佳能相机固定在三角架上，三脚架支在鞋印样本的上方，调整三脚架使相机镜头与地面水平，调整相机的焦距使鞋印图像清晰完整地出现在镜头里，分别从鞋印的鞋头和鞋尾方向以掠入射的方式配光，实验结果如图5所示。
3.4 实验装置示意简图
由以上实验现象可以看出：融合后的鞋印图像较融合前的图像背景更深，即前景与背景分离更明显。说明以黑布作为承痕体，偏振摄影技术结合基于小波变换的图像融合算法利于灰尘鞋印图像的提取。偏振镜转动的角度根据拍摄效果实际情况进行选择。
不同处理在抽穗开花期的地上形态指标统计如表3所示。13个高粱品种株高相比，大力士和百甜9006的平均株高较高，分别为280 cm和270 cm；百甜9011和百甜9001株高较低，分别为124 cm和160 cm。茎粗表现为百甜9011最粗，平均茎粗为17.20 mm，百绿特高9001和百甜7001次之，分别为15.28 mm和14.58 mm，百甜9005最细。各品种叶片数也有所差异，百绿特高7006最多，百甜9001最少。有效分蘖以大力士和绿巨人最高。综合来看，大力士、百甜9006、百甜0018和绿巨人等几个品种的地上生长指标基本都高于其他各品种，长势良好。
图2 实验装置示意简图
4 实验过程
4.1 黑布上灰尘鞋印的提取
在正常白天室内的情况下，将以黑布为承痕客体的灰尘鞋印样本平整地铺在地面上，将佳能相机固定在三脚架上，三脚架支在样本的上方，调整三脚架使相机镜头与地面水平，调整相机的焦距使鞋印完整清晰地出现在镜头里。调整镜头前的圆偏振镜角度，本次实验选取40度为间隔进行拍摄，即每隔40度拍摄一张图片，共拍摄9张图片，将这9张图片利用小波融合算法，实验结果如图3所示。
图3 偏振摄影显现黑布上灰尘鞋印
本文实验的装置示意简图如图2所示
4.2 瓷砖上灰尘鞋印的提取
图4 暗室中掠入射打光下的偏振摄影显现瓷砖上灰尘鞋印
由以上实验现象可以看出：在本实验条件下，正常室内拍摄的灰尘鞋印花纹几乎看不清，而加入掠入射配光后的鞋印比正常室内拍摄显现明显；暗室中加入掠入射配光拍摄的鞋印要比正常室内加入掠入射配光拍摄的鞋印显现地更明显。实验说明，在掠入射配光均匀的情况下，对于漫反射较强的瓷砖地面，加入偏振摄影和小波融合算法后的效果与单纯使用掠入射配光的效果相差不多。
在暗室中，将佳能相机固定在三角架上，让三脚架支在灰尘鞋印样本的上方，调整三脚架使相机镜头与地面水平，调整相机的焦距使瓷砖上的鞋印完整清晰地出现在镜头里。首先，将暗室的灯打开，营造白天正常室内的环境，正常拍摄一张鞋印图片；在这个基础上加入掠入射配光，拍摄一张鞋印图片；将暗室中的灯关闭，营造暗室氛围，只使用掠入射打光，拍摄一张鞋印图片；在相机镜头加上圆偏振镜，为了详细的记录不同偏振方向的偏振图像，所以本次实验选择较小的度数间隔，每隔10度拍摄一张鞋印图片，一共拍摄36张；最后将这36张鞋印图片进行小波算法融合，再选取19张主观效果好的鞋印图片进行融合，实验结果如图4所示。
4.3 地板革上灰尘鞋印的提取
王依宁(2004)对二语习得中影响语言迁移的社会因素进行大量的研究，并给出例子证明社会因素所产生的影响，研究结果显示：年龄、性别、文化水平、社会地位、民族和文化因素都影响了语言迁移。
图5 暗室中不同角度加掠入射配光显现地板革上的灰尘鞋印
佳能数码相机一台、CLP圆偏振镜一片、相机三脚架一个、警用强光手电筒一只、拐尺一把、黑布一块、瓷砖一块、地板花纹的地板革一块。
4.3.2 在暗室的环境下，将以地板革为承痕客体的一个灰尘鞋印样本平铺在地面上，将佳能相机固定在三角架上，三脚架支在样本的上方，调整三脚架使相机镜头与地面水平，调整相机的焦距使鞋印完整清晰地出现在镜头里，分别调整手电筒的配光角度和距离，分别从远距离和近距离以掠入射的方式给鞋印样本配光，实验结果如图6所示。
图6 暗室中不同距离加掠入射配光显现地板革上灰尘鞋印
基于小波变换的图像融合算法是指利用小波变换将多源信道所采集到的关于同一目标的图像数据经过图像处理和计算机技术等，最大限度的提取各自信道中的有利信息，最后综合成高质量的图像，算法流程图如图1所示。
战士们护着夏国忠冲到江边，把石副连长的命令传达给等候在江边的划夫。几名划夫听说城中还有国军在战斗，自愿要求留下来等候。战士们心里清楚，副连长他们几乎没有了生还的可能，于是不由分说，把几名划夫拉上木排，解开拴在江岸上的麻索，木排在划夫们的操纵下，顺江向下游的烟收坝飞快漂去。
将苹果白兰地酒样稀释5倍，分别取5 mL稀释后样品加入50 μL 3-辛醇内标，漩涡混匀，装入15 mL顶空瓶中，样品由TriPlus RSH Autosampler-SPME系统自动处理进样，萃取头：50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取头。萃取条件：60 ℃吸附40 min，保温5 min。
4.3.3 在暗室的环境下，将以地板革为承痕客体的一个灰尘鞋印样本平铺在地面上，将佳能相机固定在三角架上，三脚架支在样本的上方，调整三脚架使相机镜头与地面水平，调整相机的焦距使鞋印完整清晰地出现在镜头里。首先拍摄加入掠入射配光的鞋印，然后在镜头前加圆偏振镜，本次实验中，每隔10度拍摄一张鞋印图片，共36张，对这36张鞋印图片进行融合，然后主观选取23张效果好的鞋印再进行融合，实验结果如图7所示。
图7 暗室中加掠入射配光下的偏振摄影显现地板革上灰尘鞋印
由以上实验现象可以看出：以地板革为承痕客体，在暗室中加入掠入射、偏振并结合主观选取和小波融合的算法，提取的灰尘鞋印图像质量会有所改善。
Zhu Xi and His Creative Efforts Made to Develop Epigraphy
5 结语
本文针对灰尘鞋印，以黑布、瓷砖和地板革为承痕客体，采用掠入射配光、偏振摄影技术和基于小波变换的图像融合算法，分别研究了各自鞋印图像的提取方法。通过实验可以发现，掠入射配光对于漫反射较强的承痕客体在分离鞋印和背景上起到很好的作用，其多角度和远近距离配光的方法可以提高鞋印图像的显现质量；偏振摄影技术在一定程度上能够突出鞋印抑制背景，其度数的选择和后期图像的主观选取需要根据实际情况灵活采用；基于小波变换的图像融合算法可以将获得的鞋印图像进行融合，实现了花纹互补，在一定程度上使背景更暗，鞋印突出更明显。
【参考文献】
[1]马杰.灰尘鞋印提取综述[J].云南警官学院学报，2018（04）:121-124.
[2]上海市公安局政保处技术科.偏角拍摄鞋印的方法[J].刑事技术，1978(5): 39-40.
[3]林智清.分色偏振光拍摄木窗横上的微弱加层残缺鞋印[J].广东公安科技，1996（2）: 61-66.
[4]刘自强.掠入射偏振光照相方法显现电脑电源接线头上灰尘指纹[J].湖北警官学院学报，2007，94(01): 86-88.
[中图分类号] F767.7
[文献标识码] C
[文章编号] 2096-1995(2019)33-0010-03
基金项目： 辽宁师范大学横向基金项目（H2019002）；足迹图像质量及其有效性评价方法研究（LF201783612）。
作者简介： 张 涛（1976.10-），女，满族，辽宁盖州市人，博士，高级工程师，研究方向：数字图像处理；宁婷婷（1994.07-），女，辽宁盘锦市人，硕士，研究方向：数字图像处理；刘禹辰（1996.06-），女，山东威海人，硕士，研究方向：数字图像处理；于金铃（1993.11-），女，辽宁庄河市人，硕士，研究方向：学科教学（物理）；朱振东（1997.06-），男，汉，内蒙古赤峰市人，硕士，研究方向：数字图像处理。
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