反射变换成像技术在提取指纹方面的研究

1、    反射变换成像技术在提取指纹方面的研究    欧依清 李悦 高玎 沈弘光 陆景港摘 要：指纹是人身同一认定的可靠证据，又是分析案情揭露犯罪行為的重要依据，因此，发现提取现场指纹在刑事侦查中具有重要意义。本文通过实验研究反射变换成像技术在提取指纹方面的应用，发现反射变换成像技术与传统摄影技术相比有着显著的优势。指纹成像效果更加清晰，层次更加明显，立体感更加强烈，指纹特征反映更加稳定、完整可以不受或降低指纹附着客体表面划痕、色彩、反光等对指纹的影响。关键词：反射变换成像技术 ；提取指纹；纹特征在刑事侦查过程中，痕迹物证是还原整个案件过程的主要信息，指纹

2、更是重中之重，指纹因其“人各不同、终身基本不变”的特点，被尊为“物证之首”。在公安实践中，对于现场发现的一些物体表面的指纹，往往因其附着客体表面光滑，反光能力强或附着客体表面有划痕、色彩丰富等，导致常规物证照相无法获得清晰完整的指纹，给指纹检验增加了难度或影响检验质量。近几年，一项全新的技术在物证照相领域蓬勃发展反射变换成像技术 （reflectance transformation imaging，简称rti）。本文旨在通过实验比较来讨论rti技术与传统摄影技术在指纹拍摄方面的一些优劣。一、反射变换成像技术反射变换成像技术（英文全称reflectance transformation ima

3、ging，简称rti）是一种数字采集的过程，2001年由惠普（hewlett-packard）实验室的研究人员发明并发布成果，主要在文物研究方面进行运用【1】。之后，这项技术在国际研究团队十几年来的开发下不断改善，目前，国内开始使用在文件检验方面，尤其是在字迹笔压方面的效果十分明显，同时在痕迹方面的法庭科学领域也有了一定的运用，如提取足迹、轮胎痕迹和签名检验、朱墨时序、指纹比对等鉴定领域【2-3】。反射变换成像是根据光度立体原理，利用物体表面反射光亮度进行计算，嵌入了多种复杂的处理过程，强化显现比较微弱的细节的一种成像技术。具体为利用数字计算的方法对物体法向量、颜色、反射模型等信息进行算法变换

4、，利用软件互动式调整虚拟光照条件，从而显现细节特征。反射变换成像技术基于数字摄影和表面反射成像模型（ lambertian模型和phone模型）的数字图像技术，通过记录和处理被摄物体的颜色信息和表面纹理信息，其获得的影像比单张摄影图像信息丰富。反射变换成像技术利用穹顶光源，从多个角度进行照射，从而获得在不同的入射角度的光源下拍摄的多张图片，然后使用rtibuilder软件用于合成rti影像，使用rtiviewer软件观看并处理rti文件。rtiviewer软件中有三种模式，分别为default、镜面反光增强（specular enhancement）、法向量可视化（normal visuali

5、zation），可用于处理文件获得不同效果。default是软件默认的渲染模式，可消除反光；镜面反光增强是交互式展示被摄物在光源不同入射角度照射下的反射光形态；法向量可视化是显示被摄物除去颜色信息的三维立体形态rti技术【4】。二、实验（一）实验设备与材料1. 实验设备：主要有佳能700d相机、翻拍架、穹顶自动光源装置、黑色反射小球、adobe photoshop cs6软件、rtibuilder软件、rtiviewer软件。2. 实验材料：主要有金属杯盖、不锈钢制品、透明胶带、手机等。（二）实验样本制作用手指均匀蘸取适量油脂，分别在金属杯盖、不锈钢制品、透明胶带、手机等物体表面形成相应的油脂

6、指纹。（三）实验方法首先将相机格式设置为raw，然后用快门线连接相机和穹顶自动光源装置的遥控器，把相机固定在翻拍架上，使镜头垂直被拍摄的物体平面。反射小球与被拍摄的主体尽可能在同一平面，保持一定距离，防止投影遮盖被拍摄主体。遥控器控制穹顶自动光源装置分别依次从48个位置照射，每一个照射位置拍摄一张照片，共48张照片作为一组，然后使用adobe photoshop cs6软件把每组照片的格式转换为jpeg格式，将转换后的照片导入rtibuilder软件合成rti影像，用rtiviewer软件进行观察。1. 放置好金属杯盖，使杯盖与小球处于同一水平面，拍摄一组杯盖指纹痕迹。2. 放置好不锈钢管，使

7、其有指纹的一面与小球处于同一水平面，拍摄一组不锈钢指纹痕迹。3.用黑色背景，将胶带光滑面朝上放置在背景上，使胶带与小球处于同一水平面，拍摄一组指纹痕迹。4. 用黑色背景，将胶带粘面朝上放置在背景上，使胶带与小球处于同一水平面，拍摄一组指纹痕迹。5. 放置好手机，使手机与小球处于同一水平面，拍摄一组手机汗液指纹痕迹。三、实验结果及讨论（一）利用rti技术获得的几种常见客体上的油脂指纹1.金属杯盖上的油脂指纹2.不锈钢管上的油脂指纹3.透明胶带光滑面上的油脂指纹4.胶带胶（粘）面上的油脂指纹5.手机液晶显示屏上的油脂指纹（二）讨论1金属杯盖。图2为rtiviewer软件default模式下得到的图

8、像，可以明显地看出消除了图1中的反光干扰。图1 因反光而导致了加深客体表面划痕，影响了图像清晰程度。利用rti技术获得的图2，大大减轻了这一干扰。2.不锈钢管。不锈钢管的表面反光效果强，常见摄影技术拍摄获得的图像受反光干扰大，图4同样是default模式下得到的图像，与图3相比，消除了反光，但由于客体表面有大量擦痕，成像清晰程度有所影响。图5为法向量可视化（normals visualization）模式下获得的图像，经由adobe photoshop cs6软件去色处理，图像完全去除了客体表面擦痕干扰，同时去色处理后消除了颜色干扰，图像放大后发现三维效果清晰，细节特征如小犁沟中的细点线、纹线

9、的凸凹立体感等处有较好体现。3.胶带光面。图6成像效果差，图像模糊，从各个角度打光只能看清局部指纹。图7为镜面反光增强（specular enhancement）模式下获得的图像，经不断调整diffuse color，specularity，highlight size三个参数的数值及光照位置，直至获得最清晰的图像，再经过adobe photoshop cs6软件处理，（图6中没能反映出的纹线图像，在图7中得到了呈现，且纹线反映较清晰，使指纹图像更完整）。由于粘贴胶带失误，表面出现大大小小不规则气泡，掩盖了部分指纹细节。图8为法向量可视化（normals visualization）模式下获得

10、的图像，同样经过adobe photoshop cs6软件去色处理，图像三维效果清晰，成像效果较好，但同样存在气泡掩盖指纹问题。4.胶带粘面。由于粘面获得指纹的过程中会有灰尘沾染，在手指按压胶带时胶带受力不均匀容易变形产生气泡。故而胶带粘面的指纹图像都会有气泡和灰尘的干扰。图9，常见摄影技术获得的粘面指纹不清晰、残缺不完整，气泡灰尘干扰小。图10为镜面反光增强（specular enhancement）模式下获得的图像，指纹比较完整、清晰，蕴含了更多信息内容。气泡、灰尘也被完整呈现，气泡破坏指纹信息情况与胶带光面相比较较轻，气泡下面的乳突纹线仍然清晰可见。5.手机液晶显示屏。图11手机表面擦划

11、线条痕迹较多，严重影响图像清晰程度，手机表面的擦划线条痕迹干扰指纹乳突纹线的完整性、连贯性，影响指纹细节特征的真实反映。图12为法向量可视化（normals visualization）模式下获得的图像，同样经过adobe photoshop cs6软件去色处理，手机表面的擦划線条痕迹的干扰明显减轻，指纹较为清晰，指纹乳突纹线的连贯性、完整性得到了较好反映，当划痕较为粗大、明显时，仍有部分指纹乳突纹线会有缺失。但整体而言，指纹图像质量有明显提高。（三）结论经过以上几组实验，对比发现rti技术在提取客体表面的指纹时有以下优点：1.rti技术利用的是穹顶光源，对客体多个角度照射，拍摄不同角度光照下

12、的客体。这一过程不会对被摄物体（对光线敏感的物质除外）造成损坏，这样在从物体上获取指纹时可以使物体保存完好，物体上的指纹不被破坏，可重复多次取证，提高物证的利用率。2.通过实验的对比可以看出，从反光能力较差的客体上，rti技术获得的指纹图像比普通照相法获得的指纹更加完整清晰。rti技术能够综合处理不同角度拍摄的照片，创建出更加直观的三维图像，获得的指纹图像更有立体感，蕴含了更多信息。3.利用rti不同的模式，可以处理不同类型的客体上的指纹，获得效果更好的指纹图像。对于金属表面，普通拍摄需要通过配光减少反光干扰，然而往往不能保证完全消除反光干扰。而rti技术的一大优势就在于，rti影像为数字合成

13、影像，能够完全消除反光干扰。4.由于承载指纹的客体表面往往会有擦痕、划痕之类的干扰，用普通拍摄很难消除这些干扰，甚至因为配光角度的问题，有时候会加深这些痕迹的影响，使用rti技术，能很大程度上消除和减轻这些干扰。四、结语通过以上实验，对比传统摄影技术与rti技术在拍摄指纹方面的效果来看，rti技术使得指纹成像效果更加清晰，层次更加明显，立体感更加强烈。可以不受或降低指纹附着客体表面划痕、反光对指纹的影响。实验研究证明rti技术确实在指纹提取方面有绝对的优势，此外rti技术的配套设备携带方便，软件操作简单，便于侦察人员学习使用。然而，反射变换成像技术也有其局限性，其对客观的条件要求较高，目前只能

14、用于物体表面的拍摄观察，对于那些立体物体的表面痕迹，只能将其固定在某一位置进行拍摄，实验条件苛刻，并且软件操作和电脑安装环境要求较高，需要进一步的改进和发展，但rti技术无疑在痕迹检验方面有重要应用。参考文献：1 http：/2 http：//wiki/polynomial_texture_mapping.3 malzbendert， wilburnb， gelbd， ambriscob. surface enhancement using real-time photometric stereo and reflectance transformation. in： proceedings of the european