加權(quán)相似度在槍彈頭痕跡自動比對中的應(yīng)用

加權(quán)相似度在槍彈頭痕跡自動比對中的應(yīng)用摘要：根據(jù)所給的數(shù)據(jù)，通過計算發(fā)現(xiàn)三種比較穩(wěn)定的特征是痕跡的線條數(shù)量、寬度和截線，因而將這三種特征作為比對特征，并給出了基于數(shù)字圖像處理和界限約束的提取方法；將痕跡分為前區(qū)、中區(qū)和后區(qū)，分別計算三種特征在各區(qū)中的類似水平，得出尾區(qū)的比對效果最好；提出了加權(quán)類似度比對的方法，并給出完好的比對方案。本文關(guān)鍵詞語：加權(quán)類似度自動比對特征提取一、引言在公安理論中，要根據(jù)彈頭上的痕跡來判定兩個彈頭能否為同一支槍發(fā)射的。然而現(xiàn)代高精度數(shù)據(jù)收集設(shè)備為自動比對方法創(chuàng)造了條件。自動比對方法的經(jīng)過分為兩步：第一步，通過光學(xué)設(shè)備收集彈頭上8片痕跡的3維數(shù)據(jù)，保存為8個文件。第二步，采取適當(dāng)?shù)姆椒?，通過電腦比對，判別一個彈頭與樣本彈頭的類似水平，以便確認(rèn)發(fā)射該彈頭的槍支。這個問題很實用，但要求到達(dá)較高的精確性就很困難。那么，根據(jù)所給的數(shù)據(jù)，如何的特征能夠用于比對，并給出提取這些特征的方法，采取數(shù)據(jù)的哪一部分用作比對，其效果比較好。本文就這些問題展開研究。二、問題的分析同一認(rèn)定是專門研究怎樣運用科學(xué)手段來確定受審查的嫌疑客體〔人或物〕同犯罪事件有關(guān)的正在尋找的那個客體能否同為一人或同為一物的科學(xué)理論。當(dāng)根據(jù)待比對的彈頭來對嫌疑手槍進行同一認(rèn)定時，經(jīng)檢驗人員檢驗，假如確定彈頭上留下的膛線痕跡，確是通過該手槍發(fā)射所留下的痕跡，便可認(rèn)定這支手槍恰是殺人的工具，這樣就認(rèn)定了彈頭與手槍的同一。由于實際問題的復(fù)雜性，即便是同一支槍，也不大可能在兩枚彈頭上留下同一種痕跡，于是構(gòu)建加權(quán)類似度的比對方法來到達(dá)彈頭同一認(rèn)定。假如這兩枚彈頭的加權(quán)類似度大于設(shè)定的閾值，則判定它們是由同一槍支所發(fā)射的。三、問題的建模與解答〔一〕特征提取次棱線的痕跡分布成斜線狀(與圓柱母線有一個夾角)，每一片痕跡的重要部分都顯示為不同大小和不同深淺的線條〔如此圖1〕。痕跡的重要特征是線條狀特征，這些特征也是出于槍管內(nèi)壁相應(yīng)部位的特殊構(gòu)造造成的，每一支槍都不可能一樣，因而這些特征在比對中有較高的價值。這些痕跡從圖中能夠看出有一定的寬度，痕跡中有一定數(shù)量的線條，線條有一定的寬度和長度。痕跡的斜度是指痕跡相對于彈頭軸線方向的傾斜角度〔如此圖2中的A〕。理論上講，痕跡的斜度與膛線的纏角相等。一般槍管膛線均為等臍膛線，當(dāng)下各國不同種類的槍支，其膛線纏角一般在3-8度。不同纏度角的槍支發(fā)射的彈頭在射擊彈頭上膛線痕跡的斜度也不同，反之，通過測量射擊彈頭上膛線痕跡的傾斜角度，即可判明發(fā)射槍支槍管的纏角，進而縮小槍種范固。圖1痕跡特征圖2痕跡斜角1.痕跡線條數(shù)量特征提取通過數(shù)字圖像處理能夠得到整幅圖像上的直線特征，在兩條邊沿直線間的直線即為所求直線。統(tǒng)計得出直線的數(shù)量。2.痕跡線條寬度特征提取采取最小二乘擬合得到痕跡邊沿直線的方程。計算兩條線段沿軸方向的寬度，得到最大寬度和最小寬度。3.痕跡截線特征提取垂直邊沿截取彈頭痕跡會產(chǎn)生一條曲線，本文稱作截線。截線由一些齒狀的曲線構(gòu)成，反映了痕跡的凸凹細(xì)節(jié)，對于痕跡的自動比對有主要意義。當(dāng)間隔彈頭底部相等的截線有一定的類似度，則能夠以為彈頭是同一槍支發(fā)射的。本文將點云轉(zhuǎn)化為深度圖像，截線的提取是在圖像上進行的。截線提取的步驟設(shè)計如下：〔1〕圖像對齊。分別確定兩幅圖像中痕跡的邊沿直線。采取直線提取技術(shù)，獲得痕跡邊沿的直線，計算旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣，將兩幅圖像對齊，即處于同一個坐標(biāo)系中。〔2〕擬合得到對齊后兩幅圖像中邊沿直線的方程。第一幅圖像中的兩條直線方程為：，；第二幅圖像中兩條直線方程為：，?！?〕采樣。首先確定截線的條數(shù)，在邊沿上均勻的選擇個點。對于每個點，沿著軸方向，從該點開始向同一圖像中另一邊沿方向采樣，記錄經(jīng)過點的坐標(biāo)及像素值。采樣停止的條件是到達(dá)直線。這樣，能夠獲取一幅圖像的條長度不等的截線。對另一幅圖像進行一樣的操作。操作時，要求采樣點和第一幅圖像中的采樣點相對應(yīng)。這樣能夠得到兩幅圖像對應(yīng)位置的截線。如此圖3所示。圖3截線比照圖〔二〕痕跡的分區(qū)根據(jù)痕跡的表現(xiàn)形態(tài)，可分為下面三個區(qū)域：如此圖4所示。圖4痕跡分區(qū)圖一是前區(qū)痕跡。這個區(qū)域起始于彈頭圓弧段末的膛線痕跡起端，延伸到彈頭圓柱部的前部。這個區(qū)域線痕淺小，一般不明顯，不宜進行線條比對。二是中區(qū)痕跡。這個區(qū)域涉及到彈頭圓柱部的大部分。這個區(qū)域的擦痕常較少，以至出現(xiàn)無線痕的空白區(qū)。假如槍管磨損嚴(yán)重，空白區(qū)的面積會減少，以至消失，且呈魚鱗狀。三是尾區(qū)痕跡。在膛線痕跡的尾區(qū)會構(gòu)成較多的小線紋痕跡，線痕明顯、特征穩(wěn)定且出現(xiàn)率高。它是彈頭圓柱部末端脫離槍口前霎時因彈頭的初始擾動，與膛線末端劇烈摩擦的結(jié)果。由于存在這種初始擾動，使彈頭軸線與槍管軸線不重合，也導(dǎo)致彈頭上數(shù)條膛線痕跡中某一條膛線痕跡更為清楚明晰、明顯、粗大的原固。取一組示例數(shù)據(jù)〔77t1-1812492的c1和77t2-1812492的c1〕，在三個區(qū)中分別計算三種特征的類似度。其中，前兩種特征在三個區(qū)域內(nèi)基本一致，因而，重點比較截線特征的類似度。在前區(qū)、中區(qū)、尾區(qū)各取一條截線，計算類似度，得出尾區(qū)類似度最大，中區(qū)其次，前區(qū)最差。截線特征及類似度比較如以下圖5所示。下面分別是尾區(qū)、中區(qū)、前區(qū)痕跡截線:〔三〕類似度比對方案1.痕跡線條數(shù)量特征類似度若有兩幅圖像，設(shè)圖像1中直線條數(shù)為，圖像2中直線條數(shù)為，定義痕跡線條數(shù)量特征類似度為：〔3-1〕2.痕跡線條寬度特征類似度設(shè)圖像1中邊沿最寬為，最窄為，圖像2中邊沿最寬為，最窄為，定義痕跡線條寬度特征類似度為：〔3-2〕3.痕跡截線特征類似度計算截線類似度的方法構(gòu)建為：〔1〕取第對截線。一對截線指分屬兩幅圖像，且截線的采樣位置一樣的兩條截線?！?〕差分。將對應(yīng)位置的像素做差得：〔3-3〕〔3〕定義一個閾值，將第對截線相應(yīng)像元的類似度定義為〔如此圖6所示〕：〔3-4〕〔4〕截線類似度。將截線類似度定義為：〔3-5〕當(dāng)類似度高于閾值時，以為是同一槍所發(fā)的子彈。4.加權(quán)類似度計算綜合上述三種特征，定義一個總的類似度計算公式：；；〔3-6〕圖6截線類似度示意圖四、槍彈頭痕跡自動比對步驟將上述研究的槍彈頭痕跡自動比對的各種技術(shù)集成起來，提出一種基于深度圖像的槍彈頭痕跡自動比對的方案，其步驟為：〔1〕在三維可視化平臺中交互去噪并濾波；〔2〕將三維點云生成二維深度圖像；〔3〕采取改良型自適應(yīng)中值濾波算法處理深度圖像中的椒鹽噪聲；〔4〕采取非線性的灰度變換方法加強圖像的比照度；〔5〕應(yīng)用Hough變換和最小二乘擬合提取特征直線；〔6〕坐標(biāo)變換；〔7〕提取三種特征；〔8〕計算三種類似度得到加權(quán)類似度；〔9〕根據(jù)類似度確認(rèn)發(fā)射該彈頭的槍支。以下為參考文獻[1]任慶華.痕跡學(xué).北京：科學(xué)出版社，2005.[2]楊少波.彈頭痕跡攝像與辨別系統(tǒng)(碩士論文).華中科技大學(xué)，2004.[3]尤金·B·布勞克.刑事偵查百年奇觀.大眾出版社，1989.107～120.[4]周長發(fā)