指印特征点编辑差异对档案指印匹配分值影响的实验研究

邢文博， 赵文宣

(南京森林警察学院, 江苏南京 210046)

0 引言

自动指纹识别系统在公安工作中是通过建立档案指印库和现场指印库，来实现指印的正查、倒查、串查、查重。指印的查询比对是通过自动指纹识别系统提取的指印特征点坐标、方向信息，利用特征点的坐标和方向计算两枚指印的相似值来确定匹配分值，并按照匹配分值对候选匹配档案指印排序，最后通过人工检视候选队列中的档案指印确认相互匹配同一的指印。但由于手指头非刚体，每次遗留指印都会发生形变，建立档案指印库与现场指印库时，采集设备也会引起指印特征点位置、方向变化，所以每次进行指印查询匹配的分值都会发生变化。在侦查工作中由于现场指印多为残缺指印，指印相互匹配特征点非常有限。为了提高指印查询比对的效率，分析指印特征点编辑引起指印匹配分值变化的趋势，正确认识指纹自动识别系统查询比对后给出的候选匹配队列，增强指纹检验教学工作的针对性，对指纹自动识别系统查询比对进行实验研究。

1 实验设计

1.1 实验设备

北京市刑事科学技术研究所与北京文创思宇科技发展有限公司联合开发的指掌纹综合信息管理系统1.0、CanoScan4400F扫描仪、捺印指印标准卡上捺印的指印。

1.2 实验过程

对同一个指印捺印标准卡上的指印进行4次扫描采集，生成档案1、档案2、档案3、档案4等4个档案指印。再用捺印标准卡上的右手拇指指印作为现场收集的指印扫描输入进行实验。

(1)在对现场指印自动处理的特征点编辑时选取指印中心区域的10个特征点进行查询比对。观察与4个档案指印的匹配结果。

(2)在现场指印自动处理的特征点中选择一个端点和一个分叉点，改变特征点方向、位置，观察现场指印与4个档案指印匹配分值的变化趋势。

(3)在指印匹配过程中会掺杂有匹配点与非匹配点，为了认清匹配点与非匹配点对匹配分值的影响，在现场指印自动处理的特征点中选中与4个档案指印都相互匹配的7个特征点，形成现场指印与档案指印匹配的基础匹配分值，观察增加匹配特征点或增加非匹配特征点对指印匹配分值的影响。

(4)在现场指印的不同局部区域选择7个与4个档案指印都相互匹配的特征点，观察不同局部区域的特征点生成的匹配分值。

2 实验结果与分析

2.1 现场指印特征点与档案指印的匹配结果

图1是以捺印指印标准卡上的指印作为现场采集指印，扫描输入自动处理后选取中心区域的10个特征点。1、2、3、6、7是指印纹线的特征点，4是指印纹线一个端点，5是指印纹线的一个分叉点。表1是指印中心区域的10个特征点与档案库指印查询比对的结果。图2是指印中心区域的10个特征点中与档案指印未匹配的特征点。现场指印与档案指印1中有9个匹配点，1个非匹配点，匹配分值为1 099。与指印档案2中有7个匹配点，3个非匹配点，匹配分值为874。与档案指印3中有9个匹配点，1个非匹配点，匹配分值为1 124。与档案指印4中有7个匹配点，3个非匹配点，匹配分值为719。现场指印提取的特征点与档案指印未匹配的特征点是可疑特征点。对这些特征点要借助于人工编辑，增加现场指印与档案指印的匹配特征点。从图2的查询比对结果看，现场指印中心区域的特征点1与4个档案指印中心区域的特征点都没有相互匹配上。现场指印中提取到的2、3两个特征点，在档案指印2，档案指印4中没有相应的匹配特征点，对匹配分值产生显著的影响。所以同样的指印扫描采集设备在不同时间对指印扫描采集时，提取到的指印特征点存在明显差异，影响指印的匹配分值。对没有比中的现场指印要多次扫描采集处理，使扫描采集的现场指印特征点与档案指印特征点相互匹配，提高匹配指印的匹配分值。

图1 现场指印自动处理后选取中心区域10个特征点

表1 10个特征点与不同份档案指印匹配结果

图2 中心区域10个特征点与档案指印未匹配特征点

2.2 现场指印特征点方向、位置改变引起匹配分值的变化

在图1指印中心区域选取的10个特征点中，与4个档案指印都相互匹配的特征点有7个，在采集的现场指印中心区域选取与4个档案指印特征点都能匹配的7个特征点，对其中的特征点4为端点，特征点5为分叉点，分别改变特征点的方向、坐标，观察引起匹配分值的变化，直到不能匹配或匹配中出现错误匹配点为止。

表2～7是查询比对的生成匹配分值数据，图3～8是查询比对的匹配分值的变化趋势。方向和位置偏离自动标注的方向和位置，都会导致匹配分值的改变。指印的匹配特征点是在一定位置范围内和一定方向范围内的匹配，特征点相互匹配后再计算匹配特征点的相似性以及指印的匹配分值。分叉点方向应与主线方向一致。但是由于指印图像处理时可能受到其他因素的干扰，指印分叉点的方向可能发生变化。现场指印与档案指印4匹配分值偏低的原因是档案指印4中与现场指印特征点6、7匹配的特征点方向被处理在了另一条纹线上，特征点方向发生明显改变，导致档案4的匹配分值明显偏低。如果将现场指印特征点6、7的方向编辑为与档案指印4中对应的特征点方向一致，则现场指印与档案指印4的匹配分值会明显高于与其他档案指印的匹配分值。

表2 端点方向改变生成的匹配分值

表3 端点位置x改变生成的匹配分值

图3 端点方向改变对匹配分值的影响

表4 端点位置y改变生成的匹配分值

图4 端点位置x改变对匹配分值的影响

表5 分叉点方向改变生成的匹配分值

图5 端点位置y改变对匹配分值的影响

图6 分叉点方向改变对匹配分值的影响

2.3 匹配特征点增减对匹配分值的影响

表6 分叉点位置x改变生成的匹配分值

图7 分叉点位置x改变对匹配分值的影响

在图1中删除特征点1、2、3，剩余的7个特征点是与4个档案指印特征点都相互匹配的特征点，形成现场指印与档案指印匹配点对的基本分值。通过增加非匹配点和匹配点，观察非匹配点的增加和匹配点增加对匹配分值的影响。表8是非匹配点增加生成的匹配分值，图9是非匹配点增加对匹配分值的变化趋势。表9是匹配点增加生成的匹配分值，图10是匹配点增加对匹配分值的变化趋势。每增加1个非匹配点，匹配分值减少45左右，每增加1个匹配点匹配分值增加60左右。在现场指印编辑中有效增加匹配指印的匹配特征点和有效减少匹配指印的非匹配特征点，可以提高匹配指印的匹配分值。

表7 分叉点位置y改变生成的匹配分值

图8 分叉点位置y改变对匹配分值的影响

表8 非匹配特征点增加生成的匹配分值

图9 非匹配点增加对匹配分值的影响

2.4 局部匹配特征点对匹配分值的影响

表9 匹配点增加生成的匹配分值

图10 匹配点增加对匹配分值的影响

在犯罪现场采集的指印大多是指头中的局部印痕即残缺指印或局部模糊指印以及局部变形指印。为了了解不同局部印痕对指印比对结果的影响，在现场指印的不同部位选取局部7个与4个档案指印都有匹配点的局部区域特征点，比较与档案指印生成的匹配分值。不同的局部区域特征点与不同的档案指印匹配分值具有大致相同的趋势。图11是选取局部特征点的区域，表10是局部指印7个特征点生成的匹配分值，图12是局部指印特征点匹配档案指印匹配分值变化趋势。但是并不是任意局部7个特征点都能与档案指印匹配，因为在存储档案指印特征点时，并不是每一个局部特征点都会被存储，如图1中的特征点2、3在档案指印2、档案指印4中就不存在。所以，现场指印中任意位置的7个特征点不能与档案指印存储的特征点匹配时，将不能查询比对出档案指印。档案指印大多是录入1次，所以要对现场指印进行多次扫描查询比对，期望得到与档案指印特征点相互匹配的现场指印特征点。

图11 局部区域特征点所在位置

表10 不同局部区域生成的匹配分值

图12 不同局部区域特征点对匹配分值的影响

3 结论

捺印指印卡在扫描采集时，可能使提取指印的特征点数量以及特征点位置、方向发生变化，导致现场指印与档案指印匹配分值发生变化。匹配点数量的增加，引起匹配分值的增大，非匹配点数量的增加导致匹配分值的减小，局部特征点位置的不同，也会引起指印匹配分值的改变。现场指印与档案指印位置和方向差异越小，匹配分值越高。在利用指纹识别系统查询比对指印时，因指纹自动识别系统在扫描录入档案指印与扫描录入现场指印时，两次扫描会导致提取的局部指印特征点产生差异。而在案件现场采集的指印，由于遗留指印环境差异，导致指印发生形变。指印匹配是指印特征点的位置与方向在一定范围内匹配。在残缺指印、局部模糊指印以及局部变形指印查询比对中，有必要进行多次扫描、查询比对，并针对现场指印特征点与档案指印可疑匹配特征点进行增删编辑，增加现场指印特征点与档案指印的匹配特征点，减少现场指印特征点与档案指印的非匹配特征点，从而有效提高现场指印与档案指印的查询比对分值。