指紋三級特征的研究現狀及展望

柳菁瑩，羅亞平

（1.陜西警官職業學院，西安 710021；2.中國人民公安大學，北京 100038）

由于現場指紋可能是模糊、重疊或者殘缺的，如果沒有足夠的二級特征進行同一認定，那么三級特征可以在指紋檢驗中作為二級特征的補充，因此對三級特征的研究和應用就顯得十分必要。1973年，國際鑒定協會（International Association for Identification，IAI）在對指紋鑒定的數量標準進行了為期三年的系統研究后，認為該標準是“沒有根據的”，因此廢棄了指紋鑒定的數量標準[1]。2006年和2011年對Mayfield案及McKie案的調查報告，指出亟需對指紋三級特征進行系統性的研究[2-4]。1994—2022年間，百余篇文章的研究涉及指紋三級特征，重點關注指紋三級特征的文章80余篇。我國近年來對指紋三級特征的研究也比較活躍，相關主題文章20余篇。本文回溯了指紋三級特征研究的歷史和現狀，從五個方面對這些研究進行分類和總結，希冀為未來的研究方向提供可靠的依據。

1 三級特征的基本屬性

1.1 三級特征的定義

對三級特征定義的界定和構建，是深化三級特征研究的前提和基礎。國內外學者對三級特征的界定多有論述，但結論莫衷一是?？v觀各學者和機構關于指紋三級特征的定義、分類和價值描述，可以將三級特征的定義和研究對象歸為兩類：一是認為三級特征是指狹義的紋線微觀形態特征，包括汗孔的形狀和位置、紋線的邊緣形態、紋線寬度和細點線[5-12]；二是認為三級特征是廣義的紋線微觀形態特征，除了包含汗孔的形狀和位置、紋線邊緣形態、紋線寬度和細點線之外，還包含皺紋、傷疤等的微觀形態特征[13-15]。

1.2 三級特征的生物學特征

學者們對三級特征的生物學屬性的研究，大多集中在汗孔上。Ashbaugh[13]研究發現紋線上的汗孔密度大約是20.8 個/cm，直徑為88~220 μm不等。Roddy等[8]通過肉眼觀察，發現91%的指紋圖片上可以觀察到汗孔。Liddle[16]選擇真實案件進行研究，發現僅有2%的案件中存在可以有效利用的汗孔。Anthonioz 等[6]研究了多種理化方法顯現指紋中的三級特征，發現11%~20%的指紋上有價值較高的汗孔。Monson等[17]通過對148根手指上的紋線進行觀察，發現近40%的手指上出現了細點線。姜友云[18]重點研究了細點線的位置及出現率，發現其具有較強的穩定性，可作為鑒定的依據。郭衛平[19]對5 000份十指捺印指紋研究后發現，紋線間斷的出現率為19.4%/人和24.14%/指紋。

2 三級特征的可靠性

2.1 三級特征的穩定性：跨時間的一致性

針對指紋三級特征穩定性的研究主要集中在對汗孔的研究上。Gupta等[20-23]認為隨著時間的推移，汗孔的形態特征變化較大。Oklevski等[21-23]進一步拓展了對汗孔的研究，發現在歷經數天或者數年后，汗孔間的相互位置關系會發生改變。部分研究涉及紋線寬度和邊緣形態特征。Popa等[17,24-27]通過研究發現，同一人同一手指在不同時間遺留的指紋的紋線寬度和邊緣形態會發生變化。Monson[17]通過長短期的實驗，得出結論：紋線寬度具有穩定性，即便如此其特征也會發生輕微的變化。Galton等[28-29]發現一部分人的細點線會隨著時間的推移逐漸明顯。通過對數百個油墨捺印指紋的研究，Stücker等[29]認為有些人的指紋中有細點線并能表現出來，而有些人的指紋中沒有細點線。此外，通過對雙胞胎和無血緣關系個體指紋的研究，證明了細點線可能具有遺傳性。

2.2 三級特征的反映性：跨形式的一致性

2.2.1 分辨率對三級特征的影響

2005年，在美國國家標準學會（The American National Standards Institute, ANSI）下屬的美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）指紋標準更新研討會上，美國指紋分析、研究和技術工作組（Scientific Working Group on Friction Ridge Analysis, Study and

Technology, SWGFAST）提出了潛指紋、十指紋和掌紋的最低掃描分辨率應為1 000 PPI，并且提議將三級特征納入指紋檢驗標準中[30]。該提議得到法庭科學界的認可，并創建了擴展特征定義委員會（Committee to Define an Extended Fingerprint Feature Set，CDEFFS）來定義擴展指紋特征集[31]。

Ray等[32]提出了一種在灰度圖上識別汗孔的新方法。該方法使得在低分辨率（500 DPI）的指紋圖像上提取汗孔的位置信息成為可能。Jain等[33]通過分層匹配程序，在指紋匹配中以1 000 PPI的分辨率使用三級特征。Stosz等[6,34-39]認為對指紋三級特征的識別和使用都需要建立在高分辨率的前提下，當指紋質量較低時，得出錯誤結論的風險會增加。

2.2.2 作用力對三級特征的影響

Ashbaugh[13]總結了壓力大小對三級特征的影響。施加較輕的壓力時，能觀察到的三級特征是最少的，清晰度尚未達到最優。中等壓力遺留的指紋能夠表現出最多的三級特征并且清晰度達到最優。重壓力時多數的三級特征會被覆蓋或者改變，清晰度較差。在特大壓力下遺留的指紋中，有時只有部分二級特征，而三級特征完全不可見。Richmond等[9]研究了壓力對指紋邊緣形態（Chatterjee所提出的七種紋線邊緣形態[40]）的影響，得出如下結論：除了直線特征外，其他六種特征的形態均會受到壓力大小變化的影響。2009年國家研究委員會（National Research Council，NRC）的報告[41]中指出，由于每次遺留指紋的壓力會不可避免地發生變化，導致手指不同部分與承痕客體的接觸程度不同，因此同一手指遺留的各指紋會有所不同。FBI實驗室[3]針對三級特征的可靠性做了研究，得出的結論是：遺留壓力帶來的變形，可能造成并不相似的三級特征變得相似，現場指紋和樣本指紋中相似的三級特征可能只是遺留壓力不同造成的。Ratha等[42-44]對手指的彈性形變做了研究。他們認為遺留指紋時，立體的手指變成平面的圖像，指紋特征會發生改變，因此提出了不同的算法來克服這一難題。比較好的做法是利用顯微圖片觀察和測量三級特征的形態。Anthonioz等[6]建立了同源指紋特征變化數據庫，以此研究汗孔特征的反映性。實驗結果表明，在不同方向的力的作用下得到的變形指紋中，相同部位的汗孔時隱時現，影響了汗孔的反映性。da Costa等[45]研究發現使用光學相干斷層掃描的方式，可以避免指紋形成時由于接觸而產生的形變。

2.2.3 采集和顯現方法對三級特征的影響

Ashbaugh[13]總結了各種常見的理化顯現方法對三級特征的影響。第一，他認為粉末刷顯法無論是粉末本身還是作用機制，都會影響甚至破壞三級特征。第二，通常用茚三酮顯現的指紋會呈現出點狀紋線。第三，502膠顯現法有時可以顯現出指紋的微觀特征。了解指紋的形成和顯現的常識，有助于指紋鑒定人員判別三級特征。Roddy等[46]通過對油墨捺印十指指紋的516張圖像的研究，發現其中91%的圖像可以觀察到汗孔，但是當一位志愿者用不同的作用力遺留指紋后，有75%的圖像可以觀察到汗孔。他們的結論是：油墨捺印指紋上的汗孔具有反映性。Anthonioz等[6]和Gupta等[47-48]通過實驗發現用理化方法顯現的指紋，尤其是滲透性客體上的指紋，其三級特征的反映性較差。Shi等[49]發現將以固定壓力（250～300 g）捺印在硝酸纖維素膜上的汗潛指紋和油潛指紋，浸泡在水溶性染料表面后，能夠提取到清晰的指紋三級特征。更重要的是，他們得出結論認為相鄰汗孔間的距離可以作為指紋鑒定的依據。Wang等[50]和Wei等[51]分別提出了一種利用親水的Fe3O4@SiO2-CdTe納米顆粒和一種利用鈣鈦礦磁性納米顆粒顯現指紋的方法，使得三級特征（尤其是汗孔）能夠清晰地表現出來。

Yu等[52]提出了使用高速光學相干斷層掃描成像的方法來增強手指真皮乳頭層紋線檢測的對比度，在指紋圖像上可以清楚地觀察到汗腺導管和紋線邊緣形態。劉微等[53]對汗孔細節特征的形成機制進行了初步研究，并驗證了使用暗視場顯現光滑平面玻璃上指紋汗孔細節特征的現實可行性。

3 三級特征的自動識別

NRC的報告中指出：當前我們使用的指紋自動識別系統往往不能有效地利用大部分的特征信息，許多特征需要指紋檢驗人員手動標記[41]。這表明指紋自動識別系統（Automated Fingerprint Identification System，AFIS）還有很大的改進空間。SWGFAST指出，產生上述問題的原因在于自指紋自動識別系統技術誕生時就只采用了非常有限的特征。而指紋檢驗人員不是只利用系統能夠識別的端點和歧點進行同一認定或者排除，而是依賴更多的指紋特征信息[54]。

現有的三級特征提取方法主要集中在對汗孔的提取上。主要分為基于特征的提取法[33,35,55-59]，基于機器學習的提取法[60-64]以及兩者結合的提取法[65]。

中科院自動化所的羅希平等[66]利用脊線上的四個采樣點來表示細節點對應的脊線特征，提高了匹配的可靠性。清華大學顧金偉[67]在匹配階段融合了方向場匹配和細節點匹配結果，增強了系統對低質量圖像匹配的可能性。

4 三級特征的鑒定屬性

學者們探討了指紋三級特征在指紋鑒定中的鑒定屬性。Locard認為20~40枚汗孔足以獨立進行同一認定，Ashbaugh則認為汗孔和二級特征應當被賦予不同的權重，在指紋鑒定中結合使用[13,68]?，F今，大多數學者傾向于把三級特征作為二級特征的補充，將兩者結合起來運用。許多研究深入探究了二級特征與三級特征融合的指紋特征識別方法，他們的實驗結果證實融合了三級特征的指紋細節特征提取方法可以提高特征提取率和比中率[6,33-35,69-73]。

2009年，Biedermann等[74]研究了用概率方式陳述法庭科學同一認定結論。他們認為同一認定中的概率表述代表了檢驗人員的真實想法。貝葉斯決策網絡概率評分方法的建立將有利于檢驗人員結合自己以往的經驗和在檢驗中獲得的新數據，更加科學地表達鑒定意見。Geddes[75]和Neumann[76]總結了概率模型的歷史、現狀和應用，強調了使用這些模型的重要性。Cole[77]以及歐洲指紋工作組[78]，作為對NRC報告的回應，建議用其他方法代替現有鑒定意見的表述方式。Champod等[79]在Overview and Meaning of Identification/Individualization中解釋和更新了指紋鑒定中涉及的推理和概率原理，特別強調了鑒定中使用決策理論的重要性。

現有的統計學模型可以歸為兩類：

一類是基于似然比的模型。該模型又可細分為兩類：第一，英國皇家統計學會雜志發表的一個模型，這個模型代表了英格蘭和威爾士法庭科學服務中心近些年研究的頂峰[80]。Neumann等[80-82]提出一個較為先進的模型來計算似然比（在比對檢材和樣本時利用分配的證據權重），整合了標注特征的變化和失真效應，并且用數據支持了該模型的有效性。迄今為止，他們的工作提出了一個可以運用在具體案例中的概率系統。第二，利用從AFIS中獲得的分數，對一個給定的比對階段賦予權重。這些模型已經公開發表，并且正在驗證有效性并逐步實現。專業文獻中關于這項研究的積極討論促進了該研究的不斷發展[83-84]。Anthonioz等[6]使用似然比模型評估了汗孔的證據強度，結論是在進行現場指紋和樣本指紋的特征比對時，汗孔可以作為二級特征的補充加以運用。

另一類是隨機匹配概率模型。隨機匹配概率模型的主要任務是計算不同指紋中一致的特征出現的概率。從指紋檢驗人員的角度來看，這些概率測算類似于計算檢材和樣本中相似異源特征的出現率。自19世紀初Galton提出第一個模型以來，在同行評議的文獻中出現了20多種模型，這些模型用各種方法建立指紋特征的各種統計關系[69-73]。

5 三級特征的研究趨勢及展望

對三級特征的全面研究，是三級特征在同一認定中運用的有效基礎。指紋三級特征的研究發展趨勢是指紋顯現提取技術、計算機科學和統計學等自然科學技術方法的結合運用。

5.1 三級特征顯現提取方法的發展趨勢

近年來，國內外的研究人員就這一方向展開了一些研究，取得了一些具有指導意義的研究成果。無接觸指紋提取方法的創新，開創了指紋三級特征顯現提取的新路徑。對于無接觸指紋采集技術，指紋的線條是通過照射、反射與散射等光學原理形成的3D表面形態特征，可以最大程度地排除手指因接觸采集設備產生彈性形變對三級特征造成的影響。對于三級特征生物屬性的探索，無接觸指紋采集方法可能成為重要的研究手段。

5.2 指紋形成條件對三級特征的影響

對遺留指紋時作用力的實時監測和準確度量，可以使三級特征的研究更為精準，進而幫助指紋檢驗人員判斷壓力對三級特征的影響。羅亞平等[85]建立了采集指紋時記錄壓力的新技術，使得指紋采集系統在指定壓力下激活并瞬時采集指紋。未來活體指紋采集設備的研發也應當將壓力記錄裝置作為考量因素。指紋老化對三級特征的影響，可以為三級特征的研究提供理論基礎。尤其是在較長時間段內三級特征的穩定性和特定性，將會影響三級特征的可靠性。

5.3 三級特征的識別技術

由于潛指紋的指紋質量參差不齊，以及各類三級特征的定義閾值不明確，所以對三級特征的提取和匹配還存在較多待解決的問題。由于對低質量指紋特征的手動標記是一項耗費時力的工作，而指紋檢驗人員常常需要在有限的時間內處理很多指紋，因此應當重視指紋三級特征的自動識別技術。

目前的研究多集中于汗孔與指紋二級特征的結合運用，將其他各類三級特征逐步融入到指紋特征的提取和匹配系統中是未來的發展趨勢，這將在更大程度內提升指紋提取和匹配的精度及準確性。

5.4 三級特征的綜合分析與應用

近年來，法庭科學共同體呼吁將主觀性較強的法庭科學分析方法轉變為客觀分析方法，即從“黑箱”分析到“白箱”分析。指紋檢驗是典型的主觀分析方法，依賴于指紋檢驗人員的判斷。但是主觀分析方法易受檢驗人員的錯誤、偏見和水平高低的影響?？梢钥闯?，諸多學者分別研究了三級特征的穩定性以及特定性，但是鮮有將兩者結合，給予各類三級特征以不同的似然比。用統計學的方法量化三級特征的價值，可以減少涉及指紋特征的不同鑒定意見之間的變化性，使得指紋檢驗更具準確性、可重復性，更加可靠。通過系統性大樣本量的研究，得出各類三級特征的出現率，賦予各類三級特征不同的泊松分布數值，通過貝葉斯等統計理論以似然比量化表述各類三級特征，將會是未來三級特征的綜合分析與應用研究的重點。對三級特征的系統研究，結合一級特征和二級特征的研究，共同構成了指紋特征研究的集合，使得在指紋特征領域未有科學研究和數理統計未到之處。