警用线条痕迹激光检测系统的设计与实现

孙亚军 潘楠 刘益 侯占伟 吴林长

摘要： 针对目前图像及3D扫描方法难以通过痕迹有效快速匹配剪切工具的弊端，设计并实现了一套警用线条痕迹激光检测系统。该系统由运动控制子系统、激光检测子系统和显微摄像子系统三部分组成。通过夹持线缆断头，首先控制单点激光位移传感器拾取剪切类线性痕迹的表面特征信号，随后利用痕迹特征相似重合度匹配算法，将痕迹激光检测数据与数据库进行比对，最终实现对应剪切工具的快速匹配。

Abstract： In view of the disadvantages that the current image and 3D scanning method is difficult to fast and effectively match the cutting tool through the traces， design and implement a set of police line traces laser detection system. The system is composed of three parts： the motion control subsystem， the laser detection subsystem and the micro imaging subsystem. By holding the cable breakage， firstly， control the surface characteristic signal of that single point laser displacement sensor picks up the linear shear traces， then using the similar coincidence degree matching algorithm of the traces characteristics， compare the trace laser detection data with the database， and finally realize the fast matching the corresponding cutting tool.

关键词： 剪切工具；激光检测；快速匹配

Key words： shear tool；laser detection；fast matching

中图分类号：TP302.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）03-0082-04

0 引言

目前，犯罪分子在割偷盗铁路沿线通信电缆、贯通地线时多使用断线钳、线缆剪等大型剪切工具，剪切形成的线缆断头表面线性痕迹是案发现场中最为常出现的一种痕迹，其具有不易破坏、难以伪装、出现率频繁、鉴定价值高等特点，对于办案人员认定案件性质，确定作案工具，进而证实犯罪嫌疑人有着十分重要的意义[1-2]。

相较于传统的显微镜观察、人为比对方式，近年来兴起的图像识别以及3D显微扫描技术，为剪切痕迹的数字化定量检验提供了一些新的解决方案[3-4]。然而，受限于犯罪现场发现痕迹复杂且随机性较大、检验设备操作复杂、图片及3D文件体积过大造成计算复杂度增加、3D显微扫描为拼接图片，无法进行鉴定等问题，使得此类方法缺乏大数据批量比对的应用方法，不宜在办案一线推广，大大降低了其实用价值。

针对上述问题，设计开发了一套警用线条痕迹激光检测系统，该系统由运动控制子系统、激光检测子系统和显微摄像子系统三部分组成。通过夹持线缆断头，首先控制单点激光位移传感器拾取剪切类线性痕迹的表面特征信号，随后利用痕迹特征相似重合度匹配算法，将痕迹激光检测数据与数据库进行比对，最终实现对应剪切工具的快速匹配。

1 检测系统硬件设计

1.1 运动控制子系统

运动控制子系统主要由横向电控角度位移台和纵向电控角度位移台重叠并相互垂直安装组成，可以使相垂直的两轴在±15°内旋转调节角度，实现电控角度位移台上的一个平面在±15°内任意方向倾斜角度调节。主要作用在于承载被检测物体，并精准调节检测截面与高精度激光位移传感器移动平面保持平行。

1.2 激光检测子系统

激光检测子系统采用CD33-L50-422型号的高精度激光位移传感器进行痕迹特征检测，其检测距离为47.3mm，检测范围为±5mm，分辨率为2.5μm。高精度激光位移传感器安装于纵向电动滑台，使其可以在纵向上精确移动，检测截面上微小的痕迹，并将量化的数据传回上位机进行分析。

1.3 显微摄像子系统

显微摄像子系统由镀反光膜的透光镜、显微镜移动台、显微镜和侧光灯组成。镀反光膜的透光镜置于被测截面和高精度激光位移传感器间，既要使测量激光能够穿透到截面并返回，不影响测量结果，又要能反射截面的散光，使显微镜头能捕捉到截面清晰的镜像，经过显微镜镜筒后放大，在后端的电子目镜摄像头转换成清晰的图像，并传输到计算中进行显示。其中显微镜由镜筒和电子目镜摄像头组成，镜筒上可以调节放大倍数，电子目镜摄像头采用的是CCD成像方式的摄像头，计算机通过RS232接口即可进控制和数据传输。其中显微镜移动台主要是调节镜头与截面镜像的距离来调节焦距，使捕捉到最清晰的图像[5]。

检测系统结构图及原理图分别如图1、图2所示。

2 检测系统电路设计

2.1 单片机控制电路设计

考虑到功耗及成本因素，选用ZIC-STC12C5A60S2单片机为处理核心ZIC-STC12C5A60S2构成的最小系统。如图3所示，其以ZIC-STC12C5A60S2为核心，包含晶振模块和复位电路。系统晶振模块选用 12MHz石英晶振，晶振并联2个30pF电容， 起快速起振和稳定频率作用，该电路为单片机提供时钟脉冲。复位电路是用来让单片机 处理器返回到初始状态的辅助电路，由10μF电容、10kΩ电阻和直流电源构成，系统可通过上电复位。当系统出现死机或程序跑飞时，通过复位电路让系统重新工作[2]。其中单片机 ZIC-STC12C5A60S2的RXD、TXD2 、P1.0、P1.1端口为RS232数据传输接口电路预留。

2.2 RS232数据传输接口电路设计

计算机通过RS232数据传输接口电路即可对检测系统进行控制及数据传输，如图4所示 RS232接口J1的10端和11端分别与单片机U1的P1.0、P1.1端口连接，电容C7的一端与RS232接口J1的5端、地GND端、电容C9的一端连接，电容C7的另一端与232芯片Uj1的V+连接，电容C9的另一端与232芯片V-连接，RS232接口J1的2端和3端分别与232芯片Uj1的DOUT2端和RIN2端连接，电容C5并联在232芯片Uj1的C1+和C1-两端，电容C8并联在232芯片Uj1的C2+和C2-两端，电容C6一端与直流电源VCC端和232芯片Uj1的VCC端连接，电容C6的另一端与地GND端连接，跳线帽接口P2的2端和4端分别与232芯片Uj1的ROUT2端和DIN2端连接，RXD端和TXD端分别与单片机U1的TXD端和RXD端连接。

3 相似重合度匹配算法

痕迹特征相似重合度匹配算法基本步骤如下：

①设输入的数据分别为A和B，二者均是已经符合上述要求的数据。

②设定一个匹配的最小长度L，即二者如果重合必须要满足的最小重合长度，从A中选择最长长度到最短长度的部分到B中进行比对，相当于选择不同的位置进行多次匹配。

③迭代执行每个位置的对比，每次比对都比对二者对应位置差异度（对应位置的）的方差大小，如果最小就记录当前状态。

④完成了③的功能后，交换A、B的角色，继续完成一次②、③。

⑤计算方差最小的差异度，输出匹配结果。

处理流程如图5所示：

4 实验验证

最后，通过实际实验进行验证本系统对实际线条痕迹激光检测数据匹配推断的效果。实验所采用的匹配数据库编码规则为：R-X-T。

其中R为工具类型，X为工具规格，T为此种工具剪切产生的第T个样本数据，用于区别不同的工具样本组（如J_450-6中J代表线缆剪，450代表线缆剪规格为450mm，6代表450mm线缆剪剪切产生的第6个样本数据；Q_600-6中Q代表断线钳，600代表断线钳规格为600mm，6代表600mm断线钳剪切产生的第6个样本数据）。

选取2把剪切工具：1把断线钳、1把线缆剪。使用这些工具分别剪切相同的1cm直径铜棒。每把工具剪切5个待匹配测试样本。

实际测试现场图及待匹配测试样本分别如图6、图7所示。

痕迹激光扫描信号匹配结果页面如图8所示。

匹配数据库中有10种剪切工具剪切1cm直径铜棒形成的1000组样本检测信号，表1为匹配结果。

5 结论

本文针对犯罪现场剪切痕迹随机性强、易受其他因素干扰等问题，设计并实现了一套警用线条痕迹激光检测系统，介绍了该系统的硬件结构及电路设计。最后，通过实际实验进行验证本系统对实际线条痕迹激光检测数据匹配推断的效果，该实验证明了本系统对剪切痕迹激光检测数据匹配的准确性和有效性，能够应用于实际犯罪案件侦破之中。

参考文献：

[1]杨敏，彭颖.基于专家知识的工具痕迹系统构建研究[J].中国人民公安大学学报（自然科学版），2013，18（2）：1-5.

[2]杨敏，李冬云，王纬东.基于局部小波能量工具痕迹识别的研究[J].中国人民公安大学学报（自然科学版），2008，13（2）：73-75.

[3]Kassamakov I.， Barbeau C.， Lehto S. et.al. CSI Helsinki： Comparing three-dimensional imaging of diagonal cutter toolmarks using confocal microscopy and SWLI [C] . Three-Dimensional Imaging， Visualization， and Display 2010 and Display Technologies and Applications for Defense， Security， and Avionics IV， Orlando， FL， United States， April 6-8， 2010， 7690： 76900Y.

[4]Stephen Bunch， Gerhard Wevers， Significance of angle in the statistical comparison of forensic tool marks[C]. Technometrics， 2013， 55（4）：548-561.

[5]潘楠，刘益，宋卫国，等.一种剪切类线性痕迹激光检测系统：中国，CN 105300996 A[P].2016-02-03.