一、引言

足迹是犯罪分子在作案过程中遗留在承受客体上并能反映赤足或穿鞋袜的结构形态和人体行走动力的痕迹。在我国利用步法追踪和足迹检验认定人身起步于50年代，当时还是处于少数人掌握的经验阶段。上世纪80年代以后，科技工作者沿着形象特征和步法特征两条线索进行探索，使足迹检验的科学理论有了较大发展。在足迹认定人身方面，形成了诸多各有所长的检验方法。

为了实现足迹检验现代化，1997年，周口地区公安处和解放军信息工程学院联合承担公安部科研课题——“基于重压面形状分析的立体足迹造型与识别系统”。2000年7月通过鉴定。鉴定委员会一致认为“实际应用表明处理过程和识别结果与足迹检验过程吻合，识别精度高，可以对犯罪嫌疑人与作案人足迹的相似性做出形、数、图、谱相结合的科学结论，是刑事科学技术中足迹分析和识别的一个很好的计算机辅助工具。对于立体足迹的计算机识别取得多项创新，在足迹视觉信息的提取和描述方面达到国际先进水平，对于发展刑事侦查足迹识别理论和技术手段有重要意义和广阔的实际应用前景”。学术论文被《中国科技理论成果丛书》编委会平评为“特等奖”。该项成果被公安部列为2001年度推广项目计划。我们已经授理了河南、湖北、江苏、安徽、福建、山西、甘肃等省许多足迹鉴定，成为法庭认可的诉讼证据。

二、系统性能与功能

1、足迹痕迹分析与识别的依据和技术原理
随着信息科学技术的发展，基于不同人体生物特征的身份鉴别技术受到了普遍的重视。人体站立或行走条件下，脚掌面通过力的传递作用在承痕体上形成的足迹痕迹信息也载荷着人体的生物特征。足迹中趾区、掌区、弓区等不同压痕区域的形状、大小、位置、方向等形态分布特征由人体脚型骨骼决定，具有其特定性和相对稳定性，是足迹用于人体身份鉴别的基础。同时，由于足迹痕迹信息来源于人的整体行为，与人体的性别、年龄、身高、体态和行走习惯等生物特征存在着特定的联系，人体的某些生物特征必然通过足迹痕迹信息的形态分布反映出来，且表现为一定的规律性。这种足迹痕迹信息与人体生物特征的联系在实践中已得到证实和应用，是计算机足迹痕迹分析的基本依据。

人工足迹痕迹分析中将立体足迹中的压痕所构成的环状区域称为重压面。足迹识别专家知识表明，重压面与人体的性别、年龄、身高、体态以及运动姿态密切相关，其形状、位置、方向等特征反映人体的个体差异，是描述足迹差异的主要识别特征。

在图象分析中，依据图象数据的特征可以划分为具有不同含义的子区域。从空间域结构关系、变换域分布特征等多种途径，可以对这些区域的形状加以分析和描述。在立体足迹识别中，运用区域形状分析的原理可以描述重压面的形状，提取其形状特征参数并对不同足迹的相似性进行判别。因此，立体足迹的重压面形状分析是人工足迹识别领域知识与计算机信息处理与识别的结合点，是本系统中描述立体足迹形态特征、构成足迹识别方法的基本出发点。

在足迹的技术检验和鉴定中，每一对现场足迹和嫌疑人足迹样本的描述特征中，“一致”和“差异”之间并没有明确的界限，刑侦技术专家对足迹特征的分析、鉴定过程实质上是一个模糊的判断过程。为了使足迹的计算机识别与人的智能活动相一致，保证识别结果的科学性和可靠性要求，本系统采用模糊信息处理方法。通过对重压面形状的空间结构特征、函数特征和自回归谱特征进行模糊综合评判，对犯罪嫌疑人与现场立体足迹给出一对一相似性的评判结果。

由足迹识别专家的领域知识和分析过程可以知道，立体足迹的计算机识别应当由立体足迹三维表面获取重压面、提取重压点和重压面的形状特征参数并依此构成立体足迹的模糊识别。本系统将信息科学技术与刑事侦查的应用有机结合，依据人工足迹识别专家的领域知识，在深入分析研究立体足迹三维表面的视觉形态特征的基础上，运用深度图象处理和模式识别原理，通过立体足迹的计算机造型、重压面提取、重压面形状特征提取和模糊综合评判，对犯罪嫌疑人与作案人的重压面的相似性做出形、数、图、谱相结合的结论，实现了立体足迹计算机自动识别。

2、识别系统的功能模块和特点
针对刑侦技术人员的应用要求，本系统主要由“立体足迹三维表面拟合与计算机造型”、“立体足迹等值线的提取与保存”和“立体足迹的重压面形状分析和比对判别”三个功能模块组成。

模块一：立体足迹三维曲面拟合与计算机造型
由面阵式深度数据测量仪测量得到立体足迹石膏模型的离散深度数据，本系统采用Bezier 曲面或Nurbs曲面进行三维足迹表面的拟合。
拟合重构的立体足迹的三维表面不仅是计算机分析的基础，同时运用光照模型和旋转功能，在计算机屏幕中显示质感、色感逼真的立体足迹三维造型。

模块二：立体足迹等值线的提取与保存
本系统依据立体足迹三维表面的深度值，逐层分割处理得到一系列的环状区域。通过对环状区域的边界跟踪，得到一组二维的闭合曲线序列。闭合曲线序列反映出足迹的重压点和重压面，其形状在同等条件下具有可重复性，并且对于同一人具有稳定性、对于不同人则具有显著差异性。

有前掌和后跟重压面的重心得到阻击的前掌重压点和后跟重压点。计算前掌与后跟重压点之间距离、前掌重压点与后跟重压点的连线方向描述足迹的重压点特征运用区域形状分析分析原理，结合足迹专家的领域知识，提出一组描述重压面形状的特征参数。

空间结构形状特征参数：面积；边界长度；紧凑度；扁度；偏斜方向重压面形状的函数序列特征：斜率差；峰相似度；累积函数差
函数序列的自回归（AR）谱特征：谱峰位置、谱峰宽度、谱峰峰值这些特征参数不仅有效地反映了立体足迹表面的视觉形态特征，形象直观，而且与足迹识别专家的领域知识吻合，易于刑侦技术人员理解和接受。

模块三：立体足迹的重压面形状分析和比对判别
重压点分析的综合评判：
分别计算两足迹样本的前后重压点连线的偏斜方向之差和距离之差，依特征差值确定“被认定为同一人”的模糊隶属度，得到重压点分析的评判结果。

立体足迹重压面形状分析识别的两级模糊综合评判：
分别计算两足迹样本重压面的扁度差、偏斜方向差、紧凑度差、谱峰位置差、峰宽差、峰值差、斜率差度、峰相似度、累积函数差，通过两级模糊综合评判对足迹的相似性做出判别结论。

同时，系统的界面友好，各功能的操作方便，易于掌握，比对分析过程和相似性判别结果以形、数、图、谱等形式给出，与人工识别经验吻合，形象直观。

在完成足迹表面拟合与计算机造型之后，考虑到足迹制模和深度数据测量等操作可能出现的基准面不一致的实际情况，系统设计有调整足迹基准面的功能。在对话框中点击上、下、左、右方向键，便可以调整足迹表面的方向。同时，等值线的间隔也可以根据足迹表面的特点和分析的要求自己确定。

立体足迹等值线的提取与保存之后，按照对话框的要求，分别读入现场足迹和犯罪嫌疑人足迹的等值线数据，进行重压面形状分析和比对判别的处理。在进行重压点分析和四层以上的重压面形状分析与模糊综合评判后，点击“判别”命令便可显示两足迹相似性的判别结果。判别过程得到的各重压面形状参数差值,可以保存以便再次分析判别和整理鉴定报告。

三、举案说明立体足迹计算机自动识别系统的使用方法

河南省上蔡县公安局经过公安部授权承办的予、皖结合部特大系列杀人抢劫案件，死伤数十人。其中有2002年1月19日郸城县发生的特大杀人案。现场勘查中发现并提取了罪犯遗留的两种鞋印若干枚。2002年2月将杀人狂卞况抓获。2002年6月20日，上蔡县公安局送检郸城案件现场足迹、卞况的鞋子及足迹样本，要求检验现场足迹是否卞况所留。

首先将现场提取的鞋印编为检材。
检材：足迹长27.5厘米，前掌宽11厘米，后跟宽8.5厘米。鞋印花纹为叶脉状大型花纹，后跟前边缘为坡形。

嫌疑人卞况是穿本人鞋子制作的足迹样本。鞋印形象特征分别与检材1相符。足迹压痕形态相似，具备使用足迹智能识别条件。

立体足迹计算机自动检验系统操作方法：
第一步，从案件检材现场左足迹和犯罪嫌疑人卞况的左足迹样本中，选一枚。编号：郸城a--卞况,

第二步，使用 “立体足迹高程测量仪”采集数字特征。将现场检材与比对样本（嫌疑人卞况），以前掌最宽处横切线为x轴，足迹中心线为y轴，，每枚足迹按间隔5mm矩阵自动采集1403个高程数据。存入数据库。

第三步，通过计算机进行数模转换、信息同构、三维曲面拟合与造型，提取立体足迹等值线序列。（如下图）

第四步，特征参数分析。计算机比出扁度、紧凑度、偏角（度）、谱峰位置、谱峰宽、谱峰值等项特征参数的比对差值。（如下图）

第五步，检验结果。显示现场足迹与嫌疑人足迹相似度的综合评判值和判别结论。（如下图）

    结论：根据检验结果，经过专家综合分析评判，认为2002年1月19日郸城县杀人案件现场检材足迹1是卞况所留；检材足迹2是符新远所留。

四、应用中需要注意的事项

1、 该系统只适用于现场提取的比较完整的立体足迹。（仅有一枚也可）
2、 提取嫌疑人足迹样本若干枚，其模拟条件应当尽量与现场条件一致。
3、 嫌疑人足迹样本的步态特征应当与现场足迹的种类相同。
4、 仪器保持正常状态，遵守操作规程。
5、 系统作出的定量分析与判别结果，是现场足迹与嫌疑人足迹“相似性”。能否完全“同一认定”，还应当像医生审查化验结果那样，全面分析、综合评判，结合专家经验，由鉴定人和复核人作出鉴定结论。