利用压力测试纸检验足迹的形态学方法研究

张恩伟，朱珂祺

（辽宁警察学院 刑事科学技术系，辽宁 大连 116036）

随着刑事科学技术的不断发展，指纹、DNA、人像等技术都配备了基于人体生物特征的自动身份识别信息系统，利用上述自动识别系统开展案件侦查、嫌疑人追捕等工作都取得了显著的效果。[1]不同人的足迹人体生物特征，同样具有一定的规律性和相对的稳定性，但没有实现“同脚不同鞋”的自动识别，仅实现了鞋印花纹的自动识别。压力测试纸能够测试零件吻合压力，将其应用到足迹检验鉴定中能够直观地将足迹压力点、压力面显现出来。本文试图探索科学有效的用压力测试纸显现足迹压力点、压力面的方法，并探究压力和鞋底橡胶损耗、灰尘鞋印上浓淡区域之间的相关性，从而解决现场遗留足迹不会随着换鞋而失去证据价值的难题，力争在足迹检验认定人身方面拓宽检验鉴定范围。

一、足迹压力检测工具

常见的足迹压力点、压力面检测工具有压力测量垫、压力平台、压力探针、电子足印仪等。压力测量垫通常由感应器阵列组成，可以测量足底在不同区域的压力分布，包括F-Scan、Matscan和Pedar 等。压力平台是一种带有感应器的平板，测试者可以站立或行走在上面，测量足底的压力分布，包括Emed、Rsscan 和Novel 等。压力探针是一种小型传感器，可以精确测量足底特定区域的压力，压力探针通常用于研究特定区域的足底压力分布，如足弓区域或足趾区域。电子足印仪通过扫描足底的形状和压力分布来获取足迹信息，可以提供足弓高度、足底压力分布等参数。这些工具大多常用于医学临床实践中下肢足部矫正和运动损伤检测，应用于足迹检验鉴定的很少，主要原因是价格昂贵。

压力测试纸，又叫感压纸、感压膜，是一种特殊的纸张，其涂层可以根据外部施加的压力产生颜色变化或形成印记，这种纸张在许多领域都有广泛的应用。在医疗领域，压力测试纸被用于体温、血压和心率测量等医疗设备中，可以通过检测和记录施加在纸张上的压力变化来获得相关的生理参数；在工程和制造领域，压力测试纸常用于测量和分析接触压力分布，例如在液压系统中，使用压力测试纸来测量密封性能和压力分布；在艺术和设计领域，压力测试纸被艺术家和设计师用于创作和表达，通过施加压力可以在纸张上产生独特的纹理、图案和颜色变化；在教育和娱乐领域，压力测试纸用于绘画和书写教学中，可以通过触点压力来教授正确的书写姿势和手势；在安全和防伪领域，压力测试纸被用于制造安全密封标签和防伪产品，通过施加压力可以触发特定的颜色变化或印记，以确保产品的真实性和安全性。

压力测试纸的外形和结构类似于胶片，由两张构成，透明纸用于染色，半透明纸用于承载。在承载纸基底上密密麻麻排列了很多看不见的微型胶囊，胶囊内填充了色料，使用时将两张纸粗糙面对叠后平置于地面进行测试。压力测试纸根据压力值分为不同类型，配有色卡，0.3～1.3兆帕适用于足迹压力测量。

使用压力测试纸要考虑施压时的温度及湿度，根据温湿度条件选择相应的压力密度曲线来对比标准色样，识别颜色密度值，查找对应的压力值。压力测试纸非常敏感，使用前不要按压摩擦，里面的显色物质长时间接触会引起皮肤过敏，建议戴手套操作，同时还要防止水、油等异物污染压力测试纸。

二、实验样本采集

随机选取实验对象20 名，每人正常行走在压力测试纸上，提取4 枚同脚赤足迹、4 枚同脚穿皮鞋足迹，足迹呈现洋红色，将图像用Canoscan 9000F MarkⅡ扫描仪录入计算机，分辨率采用300 像素，扫描时放置比例尺和色卡。

在硬质地面，压力测试纸采集的赤足迹只显示受压区域图像，足迹整体范围缩小，弓区变淡，不像油墨捺印对于边缘微小压力区域也显示。足迹后跟后缘出现磕痕，后跟区域从后向前出现条带状浓淡现象，反映出动态落足时力的滚动性，重压部位依次出现在拇趾区、第一跖区、第四趾、小趾以及第二跖区，拇趾和第二趾前缘出现耠痕，如图1 所示。

图1 压力测试纸采集的赤足迹

在硬质地面，压力测试纸采集的皮鞋足迹边缘出现断续现象，整体范围比油墨采集缩小，内部花纹变淡，区域颜色深浅变化明显，重压区显示明显，这是压力测试纸优于油墨采集的关键所在，如图2 所示。

图2 压力测试纸采集的皮鞋足迹

鞋底橡胶损耗分为挤压损耗与摩擦损耗。挤压对鞋底花纹造成垂直断裂状损耗，花纹变细，但是花纹线条还存在；摩擦对鞋底花纹造成横向切断状损耗，花纹彻底消失，会使区域变光滑，如图3 所示。

图3 皮鞋橡胶底损耗照片

鞋底橡胶损耗区域判别分析主要寻找由垂直挤压形成的区域，因为采集的赤足、皮鞋压力图中力的方向主要来自于垂直挤压。现场平面灰尘鞋印的提取采用黑色胶贴粘取，拇趾区前缘清晰可见，如图4 所示。

图4 黑色胶贴粘取的平面灰尘鞋印

三、实验数据处理

（一）原始图像轮廓提取

Image J 软件作为美国国立卫生研究院研发的一款开源软件，拥有多种图像分析功能。用Image J 软件打开每个人的4 枚同脚赤足迹压力图和4 枚同脚皮鞋足迹压力图，转换为8 比特，进行对齐操作。必须采用同一个图像作为标准图，例如A 同学的右赤足1 作为标杆，整个实验中都要以它为标杆，以确保数据的可比性。

对齐操作先将两张图像分别在拇趾趾尖至后跟边缘最低点画一条直线，在Image J 软件的插件栏找到Registration 的Align image by line roi 按钮，点击OK 键后，第二张图自动生成以第一张图为标准的对齐缩放图。皮鞋足迹与赤足足迹对齐时，在皮鞋足迹图上找到拇趾趾尖压力区顶端并作为起点，后跟后缘最低点适当向内缩进0.5～0.8 厘米，将所有对齐的图像与标准图像存储在一个新建文件夹内。

将对齐后的图像用ImageJ 软件打开，用方框工具进行裁剪，去掉比例尺、色卡，目的是减少干扰，打开Adjust 栏的Color threshold 按钮，进行颜色灰度阈值提取，手动调节滑动条，点击select 按钮，对颜色区域进行抓取。

分析栏点击Analyze particles 按钮进行粒径自动计数分析，此处利用图像与背景灰度值差，选取各部分合适的范围来识别足迹压力区域。

在分析前先将Size 设置为1000-Infinity,Ciroulanity 设置为0.00～1.00，在Show 中勾选Outlines，在Analyze particles 弹框中勾选Display results，Clear results，Summarize，Add to manager，Indude holes，Overlay，Composite rois，点击OK 键，便能得到相应的压力形态轮廓图，如图5、6 所示。

图5 赤足迹压力轮廓图

图6 皮鞋足迹压力轮廓图

（二）轮廓图坐标采集

将所有轮廓图做完后，在Tipdig 软件中逐一打开进行坐标点采集。Tipdig 软件是一款将图像轮廓坐标化处理的软件，在古生物学领域应用十分广泛。

要保证采集区域、采集点数、采集方向、采集顺序一致，我们采集的规则是拇趾8 个点、其他趾各2 个点、第一跖区8 个点、后跟区8 个点，每个区域的采集顺序分别是上下左右、左上右上左下右下，皮鞋足迹压力图不好区分拇趾外脚趾位置时，以拇趾压力图为基准进行估计标画，只要位置不太偏移即可，不能采用坐标自动提取功能，否则实验数据无效。

四、形态学分析方法

按照以上操作，采集所有样本重压点面坐标，这些坐标就是形态学分析的基础，在 Past软件中打开并选择数据。Past 软件是面向古生物学的统计软件，具有常规统计、多元统计、多样性分析、形态学分析、地层学分析以及分支系统学分析等功能，[2]对数据进行均值化处理后，每一行数据代表了这枚足迹的特征值。

我们对样本足迹进行形态学分析时，被采集者样本越多，得到的结论越准确。将在现场用黑色胶贴提取的平面灰尘鞋印用手动标画的方法提取坐标点加入到样本数据中，在能够很好地与样本聚类或分区时，就可以辅助我们判断检材与样本是否属于同一个采集者。

聚类分析，又称为群分析或簇分析，是对样品或指标进行分类的一种多元统计分析方法。该方法要求在没有任何已有知识情况下合理地对大量样品进行分类。然而由于聚类分析的结果难以进行统计上的显著性检验，所以严格讲它本质上不是一种统计方法，而仅是一种对数据的解释方法和定量技术。在聚类分析中，相似性测度的选取关系到聚类结果的可解释性与可靠性，是该分析过程中最关键的步骤。[2]

随机选取两人的赤足迹轮廓图坐标数据和其中一人的皮鞋灰尘鞋印轮廓图数据，用 Past软件进行聚类分析，1 到4 为甲的赤足数据，11到14 为乙的赤足数据，19 到20 为测试灰尘鞋印（甲的灰尘鞋印），从分析图中可以看出，足迹数据被软件分为两大部分，甲的灰尘鞋印更靠近甲的赤足迹，同一人的足迹数据归类为一群，样本之间的距离代表相似度大小，如图7 所示。

图7 聚类分析结果

主成分分析是研究如何通过原来变量的少数几个线性组合来解释随机向量的方差和协方差结构，目的是化简数据和揭示变量间的关系。在实际问题中多指标问题是经常遇到的，然而在多数情况下，不同指标之间有一定的相关性，势必增加了分析问题的复杂性。主成分分析就是设法将原来指标重新组合成一组新的相互无关的几个综合指标来代替原来指标，同时根据实际需要从中抽取几个较少的综合指标尽可能多地反映原来指标的信息。[2]实验所采用的原理就是把赤足迹、皮鞋足迹的动力压痕图转换成多点坐标，再简化成几个主成分，达到分区的目的。

将甲乙的赤足迹样本数据进行主成分分析，软件将数据分成两个区域，再将测试数据19 和20（甲的灰尘鞋印）带入样本数据，数据在甲的赤足迹数据范围内，说明灰尘鞋印数据不属于乙，做出否定结论，属于甲的可能性较大，如图8 所示。

图8 主成分分析结果

由于实验现在仅仅做了20 例数据，还不敢直接判定灰尘鞋印数据就属于甲，这需要后期进一步加大数据量进行验证。需要注意的是，主成分分析要进行多元组合尝试，不一定排名在前的主成分就分区分的好。

实验中我们发现，在采集平面灰尘鞋印压力轮廓坐标时不能用样本采集的方法，即 Adjust栏的Color threshold 按钮进行轮廓提取，要采用手动标划，因为软件对灰尘浓淡区域的识别不像对压力测试纸显现图那样灵敏。

对于灰尘鞋印压力范围判断：首先，观察鞋印的形状和模式，观察鞋印是否完整，是否有明显的压力点或压力面区域。其次，观察鞋印的颜色深浅，推测出压力面的位置和形状。大部分情况下，压力面通常是鞋印的边缘区域，这些地方受到更多的压力。然后，使用辅助工具如灯光、放大镜或显微镜，帮助我们更清晰地观察和识别鞋印上的压力点和压力面。[3]灰尘鞋印的压力识别并不是一门精确科学，可能受到多种因素的影响，压痕的界限划定极难掌握，特别是大花纹类鞋底压痕的界限划定更不易掌握，只能根据灰尘鞋印的大概情况先做出初步推算，再根据压痕的各类情况进行综合性判断，如果现场遗留灰尘鞋印条件实在太差，切不可牵强标划范围。

综上所述，该实验验证了应用压力测试纸显现足底压力分布分析足迹动力形态特征研究的可行性，足迹压力是可以通过特定的载体直观显现出来并进行定量化分析的。痕迹特征可通过计算机或痕迹专家识别出来，每一个特征都由其特征向量(特征类型、方向、相对于附近特征的位置/形状)来表示。将化学计量学应用于痕迹物证鉴定，最具挑战性的部分是在自然发生的变化量(即失真)与描述非匹配源的相关人群中可能预期的变化量的正确比对,[4]并进行探索性实验。由于经费有限，实验数据较少，仅对方法做了验证性总结，今后要加大样本和检材数量，特别是现场提取的平面灰尘鞋印，对其压力区域判别方法更要进行多数据验证。这种方法在公安一线为采集犯罪嫌疑人的足迹提供了新思路，为足迹检验拓展了新方法，为提高足迹鉴定效率和准确性进行了初步尝试。