局部指紋內汗孔特征識別準確性研究

左琦，馬龍飛，董毓恒

（1.河南警察學院刑事科學技術系，河南鄭州 450046； 2.湯陰縣公安局，河南安陽 456150）

司法實踐中的檢材指紋經常出現殘缺、模糊、重疊等情況，且沒有足夠的細節特征用于同一認定，這時指紋中微觀細節特征汗孔有可能為案件的檢驗提供幫助。 汗孔直徑一般為50～250 μm，3～5 個汗孔/mm，一枚完整指紋有2000～4 000個汗孔[1]。汗孔是從乳突紋線內部構造的角度來描述指紋信息的微觀特征，其高特征密度、高區分度的特點吸引著學者不斷的探索，逐漸成為指紋學研究的熱點之一[2]。 王有民等[3-4]對汗腺導管螺旋走行的形態學特征觀察，并對表皮更替時間內汗孔位置的生物學變化規律進行研究。結果表明：表皮內汗腺導管螺旋走行有一定規律，其管徑、螺長、螺徑、圈數、螺距均在一定范圍內變動，且在一定程度上影響著汗孔的位置與大小變化；表皮更替時間內，手指指腹乳突紋線上的汗孔在縱、橫兩個方向均有位置變化，其縱向位置位移值顯著大于橫向，男性指紋縱、橫兩個方向的位移值顯著大于女性。梁娜等[5]在對手指指腹表皮新陳代謝研究過程中發現，汗孔大小因表皮更替而呈現動態變化，其中男性指紋汗孔普遍大于女性，男性指紋汗孔變化幅度普遍大于女性。 在較長時間周期內觀察手指汗孔發現，汗孔的生理變化遠沒有捺印壓力、捺印方式引起的變化大，以細節特征為參考定點考察汗孔特征時，汗孔位置在一定生理階段內保持穩定[6]。在對單個汗孔個體特征進行觀察時發現，汗孔的大小、形狀、排列等均有所不同，由此可以觀察汗孔間更細微的差異，進而區分不同的汗孔[7-8]。

通過實驗發現承痕客體、刷顯粉末種類和粒徑大小、作用方式等對指紋微觀細節特征的穩定性都存在不同程度的影響，使汗孔的形態、大小、出現率有所不同，但汗孔之間的相對位置及相互關系具有相對穩定性[9-10]。 在汗孔采集方面，油墨捺印法可以反映出汗孔[11]，但反映效果不夠理想，汗孔、紋線形態等特征在不同壓力下的穩定性較差[12]。 油畫顏料法與石墨法可以采集到更清晰、完整的汗孔，為汗孔采集提供一種新思路[13]。 在汗孔提取研究中，SHI等[14]發現遺留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，可以提取到清晰的汗孔特征。 WANG等[15]提出利用親水的Fe3O4@SiO2-CdTe納米顆粒、WEI等[16]提出利用鈣鈦礦磁性納米顆粒來顯現指紋，這兩種方法均可以將指紋中的汗孔特征清晰地顯現出來。

在司法鑒定中特征識別的數量和質量是應用的基礎，其識別的準確性是應用的關鍵環節，而現有研究中還沒有關于汗孔識別準確性的研究。 一枚完整指紋面積大、汗孔數量多，加之汗孔細微、反映性差的特點，使汗孔作為特征被全部識別是困難的，易出現錯標和漏標等情況，而小面積局部指紋內汗孔數量有限，給汗孔特征識別提供了條件。 本文通過實驗對局部指紋內汗孔進行顯現、標注，統計識別的正確率、錯誤率、漏標率，分析影響識別準確性的因素，為汗孔特征的應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

EPSON V600 型掃描儀。

A4 白紙、搪瓷杯、玻璃板、不銹鋼杯、納米磁性粉[平均粒徑20nm，主要成分為四氧化三鐵（Fe3O4）]、金粉、銀粉、刷子、多波段光源、橡膠手套、指紋膠帶、馬蹄鏡、2B 鉛筆、紙張快速顯現系統（簡稱為TFD-2）、Photoshop 圖像處理軟件等。

1.2 樣本制作

1.2.1 滲透性客體——A4 白紙上樣本手印的制作

通過預實驗發現，作用力對汗孔形成影響較大，在中等壓力、垂直向下捺印條件下形成的汗孔反映較好，本次實驗樣本均采用此方法遺留樣本手印。 隨機挑選實驗者（22 歲，男性），其右手拇指在A4 白紙上遺留汗潛手印數枚，將遺留手印的A4白紙置于TFD-2 系統載物臺中，在紅外輸出強度90%，載物臺流速1 500 mm/min 條件下顯現手印，并在多波段光源（加橙色濾光鏡）下觀察拍照提取，選取一枚汗孔反映好的手印作為A4 白紙樣本手印。

1.2.2 非滲透性客體——搪瓷杯、玻璃板、不銹鋼杯上樣本手印的制作

實驗者右手拇指在搪瓷杯、玻璃板、不銹鋼杯表面分別遺留汗潛手印數枚，選擇納米磁性粉末、金粉、銀粉刷顯，將顯出的手印用膠帶分別提取。 通過觀察發現，納米磁性粉末刷顯出的手印汗孔效果優于金粉、銀粉刷顯效果，遂對納米磁性粉刷顯出的手印進行拍照提取。 在三種承痕客體上提取的手印中，分別選取一枚汗孔反映好的手印作為搪瓷杯樣本手印、玻璃板樣本手印、不銹鋼杯樣本手印。

1.2.3 參照樣本手印制作

在前期的研究中發現，石墨法采集的指紋汗孔數量多、反映清晰完整。 本次實驗采用該方法制作參照樣本手印。 利用2B 鉛筆在A4 白紙上均勻用力、反復摩擦制造光滑平面， 將實驗者右手拇指在此平面均勻摩擦粘附石墨，用指紋膠帶粘取摩擦后的手指數次，將膠帶粘貼在A4 白紙上，采集手印數枚。 重復將A4 白紙置于EPSON V600 型掃描儀中，在600、1 200、2 400、3 600 dpi 不同分辨率下分別掃描，發現1 200 dpi分辨率的掃描質量高于600 dpi，但1 200 dpi分辨率的掃描質量與2400、3600dpi 相比，汗孔反映差別不明顯。 因此，實驗使用1200dpi 掃描參照樣本，選取一枚汗孔反映好的指紋作為參照樣本指紋。

1.3 方法

1.3.1 局部指紋的確定

觀察發現在400 dpi×400 dpi 像素區域內，手印上有50～100 個汗孔，一枚手印中有5 個以上400dpi×400 dpi 像素區域，在此范圍標注汗孔工作量適中，易于標注統計分析。 另外在此范圍內一般有2～3 個細節特征，可用于特征的整體定位，故本次實驗以400 dpi×400 dpi 像素區域作為考察識別汗孔的一個局部指紋。

1.3.2 局部指紋的選取

在A4 白紙樣本手印上選取5 個局部指紋，每個局部指紋內至少有2 個細節特征，標記為樣本1～5，在參照樣本手印上選取5 個相同區域的局部指紋，標記為參照樣本1～5。 按照相同的方法，分別在搪瓷杯樣本手印上標記為樣本6～10，參照樣本6～10；在玻璃板樣本手印上標記樣本11～15，參照樣本11～15；在不銹鋼杯樣本手印上標記樣本16～20，參照樣本16～20。

1.3.3 樣本與參照樣本汗孔特征標注

在標注局部指紋內汗孔特征時，先對樣本1～20進行標注，再對參照樣本1～20 進行標注。 開始標注時，首先找出該局部指紋內的細節特征，然后以細節特征為參考定點，順著紋線依次標注汗孔。 由于需要利用參照樣本對樣本進行準確性驗證，因此參考樣本的標注尤為重要，需要反復比較確定參照樣本汗孔的位置、距離、角度、排列等情況，盡量客觀、真實、全面地反映局部指紋內的所有汗孔，這一步是準確驗證的關鍵步驟。

1.3.4 汗孔特征標注方式

本次實驗細節特征用25 像素×25 像素區域的紅色實心圓標注，汗孔特征用15 像素×15 像素區域的紅色空心圓標注。 樣本與參照樣本比較后正確標注的汗孔用紅色空心圓表示，錯誤標注的汗孔用藍色空心圓表示，遺漏標注的汗孔用黃色空心圓表示。

1.3.5 樣本與參照樣本汗孔特征的比較統計

將標注好的樣本1～20 與參照樣本1～20 分別進行比較，以細節特征為參考定點，以參照樣本汗孔特征為標準，順紋線依次比較樣本與參照樣本汗孔位置、距離等關系是否一致，統計20 個局部指紋汗孔標注的正確數、錯誤數、漏標數，并計算標注正確率、錯誤率、漏標率（以下簡稱“三率”）。

2 結果

2.1 樣本汗孔特征標注與參照樣本汗孔標注的比較

A4 白紙樣本1～5 的選取及汗孔特征標注與參照樣本的比較（圖1）；搪瓷杯樣本6～10 的選取及汗孔特征標注與參照樣本的比較（圖2）；玻璃板樣本11～15 的選取及汗孔特征標注與參照樣本的比較（圖3）；不銹鋼杯樣本16～20 的選取及汗孔特征標注與參照樣本的比較（圖4）。

圖1 A4 白紙樣本1～5 的選取及汗孔特征標注與參照樣本的比較

圖2 搪瓷杯樣本6～10 的選取及汗孔特征標注與參照樣本的比較

圖3 玻璃板樣本11～15 的選取及汗孔特征標注與參照樣本的比較

圖4 不銹鋼杯樣本16～20 的選取及汗孔特征標注與參照樣本的比較

2.2 汗孔特征識別三率數據總體結果

統計本次實驗中四種承痕客體上提取的手印中，20個局部指紋內汗孔特征識別的三率統計結果見表1。其中：正確率等于正確數除以正確數與錯誤數之和；錯誤率等于錯誤數除以正確數與錯誤數之和；漏標率等于漏標數除以正確數與漏標數之和。從表1 中可以看出，樣本1～20中，正確率最高為98.51%，最低為85.45%，平均正確率為92.30%；錯誤率最高為14.55%，最低為1.49%，平均錯誤率為7.70%；漏標率最高為22.73%，最低為1.18%，平均漏標率為7.39%。

表1 四種承痕客體20 個樣本中汗孔識別三率統計總表

2.3 不同承痕客體汗孔識別三率統計結果

本次實驗中A4白紙上汗孔標識平均正確率最高為94.67%，搪瓷杯上汗孔標識平均正確率最低為89.36%，兩者相差5.31個百分點；搪瓷杯上汗孔平均標識錯誤率最高為10.64%，A4白紙上汗孔標識平均錯誤率最低為5.33%，兩者相差5.31個百分點；不銹鋼杯上汗孔平均漏標率最高為10.18%，玻璃板上汗孔漏標率最低為4.85%，兩者相差5.33個百分點。 四種承痕客體汗孔識別三率差別不大，A4白紙上汗孔標識效果略優于其他承痕客體。

2.4 不同顯現方法汗孔識別三率統計結果

本次實驗滲透性客體——A4白紙上汗潛手印采用熱致熒光法顯現，汗孔識別正確率為94.67%，錯誤率為5.33%，漏標率為7.27%；非滲透性客體——玻璃板等承痕客體上手印采用納米磁性粉顯現，平均正確率為91.50%，錯誤率為8.50%，漏標率為7.42%。兩種顯現方法提取手印后的汗孔標注，正確率相差3.17個百分點，錯誤率相差3.17個百分點，漏標率相差0.15個百分點?？傮w來說，兩種顯現方法汗孔識別三率總體差別不大，熱致熒光顯現法效果略優于納米磁性粉刷顯法。

3 討論

（1）一枚完整手印中汗孔數量大，分布密集，給識別帶來困難，而本實驗小面積局部指紋內，乳突紋線上汗孔數量有限，汗孔間距離近、變形小，易于有效識別。 統計標注的平均正確率為92.30%，平均錯誤率為7.70%，平均漏標率為7.39%，可以認為汗孔特征識別的準確性較高。 本次實驗20 個樣本中，沒有完全標注正確的樣本，均出現錯誤或漏標的情況，說明汗孔反映性差，不能像手印中的起點、終點等細節特征可以完全準確識別，汗孔特征需要審慎使用。

（2）本次實驗中A4白紙、搪瓷杯、玻璃板、不銹鋼杯承痕客體表面汗孔識別正確率較高，但并非承痕客體表面越光滑、滲透性越低，識別正確率越高。 從表1 可以看出，A4白紙上汗孔的識別的正確率略高于搪瓷杯、玻璃板、不銹鋼杯上汗孔識別的正確率。分析認為承痕客體表面光滑、平整，乳突紋線遺留完整，易于準確識別汗孔，但承痕客體的光滑程度主要影響乳突紋線的連貫性，對汗孔的位置、數量、形態大小等影響小。 當手指汗液量略大，在非滲透性光滑客體遺留手印時，易滑動變形，影響手印的形成，使玻璃板等承痕客體的汗孔識別正確率略低于A4白紙。

（3）使用熱致熒光法和納米磁性粉末法顯現手印后，汗孔識別均獲得較好的效果，其中A4白紙上汗孔識別的正確率略高于玻璃板等客體汗孔識別的正確率。 分析認為，A4白紙上汗潛手印利用紅外熱成像方法處理，經長波紫外觀察激發熒光顯現手印，整個過程不接觸遺留手印的A4白紙，乳突紋線反映較好，汗孔識別效果好。 玻璃板等承痕客體表面光滑，粉末刷顯時，刷子與乳突紋線直接接觸，可能導致汗孔輕微破壞，另外納米粉末顆粒小于汗孔直徑，粉末用量大、操作不當等會引起汗孔堵塞，或者紋線斷裂等情況，給汗孔的標注帶來困難，最終導致汗孔識別正確率有所降低。

（4）為了更好地標注汗孔特征，實驗者對汗孔生理結構進行學習，對形成汗孔反映效果的復雜因素進行分析，對局部指紋內乳突紋線上汗孔數量、形態、大小等進行顯微鏡觀察比較，最終獲得較高的汗孔識別正確率。 但汗孔細微、反映性差，加之復雜現場環境，給現場手印汗孔識別帶來一定困難，如指紋檢驗人員對汗孔特征認識不足，出現標注錯誤及漏標增加的情況，會放棄汗孔特征的尋找使用。人為因素對汗孔識別有一定的影響，但容易被忽視。

4 結論

通過對局部指紋內汗孔特征標注與驗證的實驗表明，汗孔特征在一定條件下可以準確識別。 但汗孔識別的準確性受手印遺留面積的大小、承痕客體性質、顯現方法以及對汗孔認識程度等多方面因素影響。 人手乳突紋線中汗孔特征客觀存在，不以人的意志為轉移。 隨著計算機紋理識別技術、深度學習方法等指紋圖像識別技術的深入發展，有望使汗孔特征的價值逐步被接受，成為輔助手印鑒定的依據之一。