一种三维测量和检验枪弹痕迹的方法

 摘要：枪弹痕迹是典型的立体痕迹，但在传统检验过程中由于设备等因素的限制通常不能充分利用立体痕迹中所包含的全部信息。随着近年来三维扫描技术的发展，立体痕迹已经可以数据化，这为新检验方法的出现提供了基础。本文利用激光扫描共聚焦显微镜采集了射击弹头弹壳上立体痕迹的三维数据，并在此基础上提出了一种对其进行三维测量及检验的方法。这种方法相对于传统方法而言使用了更多立体痕迹中的信息，同时由于检验过程的全程数字化，在理论上也具有更高的可靠性。如果一些相关的技术性问题得以解决，这种测量检验方法的应用前景将十分广阔。

关键词：枪弹痕迹；激光扫描共聚焦显微镜；三维特征比对；

0.引言

枪弹痕迹是典型的立体痕迹，痕迹形态表现为线条痕迹和凹陷痕迹。其痕迹相对细微，需用立体显微镜和比较显微镜进行观察和检验，在二维图像上根据痕迹特征进行直观对照比对和线条接合比对^[1]。使用这些方法检验时，由于受到观察角度、打光角度以及拍摄角度等因素的影响，造成特征信息损失，检验主体很难做到全方位地认识痕迹特征；对特征相符与否的认定是检验主体基于经验作出的判断，主观性较强且缺乏定量的科学依据。

在传统检验过程中之所以会存在这些问题，最根本的原因是传统的检验方法没有充分合理地利用立体痕迹中所包含的有效信息。相比较而言，对立体痕迹进行三维扫描和数据化处理并在此基础上进行三维特征比对的检验方法具有明显的优势：首先，非接触式的三维扫描是一种无损提取方法；其次，三维扫描技术已达到很高的精度，能充分满足痕迹检验的要求；最后，依据三维数据进行的特征检验是一种数字化的定量检验，这种检验方法可在不同时间不同地点重复进行，其客观性很强^[2]。

基于以上优势，国内外学者先后在枪弹痕迹检验三维检验方面开展了研究。张新宝等人研制了一种大量程光学共焦跟踪式非接触三维弹头痕迹检测仪，并讨论了这个测量系统的原理、结构、控制以及实验结果^[3]。谢峰等人采用非接触式位移传感器研制的检测系统对弹头上的痕迹进行了痕迹的定量化检验^[4]。鲁静在李德华教授的指导下进行了基于三维激光彩色扫描仪的公安子弹综合检测软件系统关键算法研究，取得了一定进展^[5]。据笔者所知，国内还有多个机构正在研制枪弹痕迹三维检验系统。

工业上材料表面微观形貌观察和测量的需求促使工业显微镜技术已经发展到了很高的水平，激光共聚焦显微镜可以很好地实现高分辨率的2D观察、高精度非接触的表面测量以及3D表面形貌观察。因此，直接在枪弹痕迹检验中利用该设备及相关技术方法，具有技术相对成熟、起点高、减少重复开发的优点，而且此显微镜作为通用仪器可用于其他物证的检验。

1.实验器材及数据的采集

1.1实验器材

射击弹头、弹壳各5枚，奥林巴斯OLS3100激光扫描共聚焦显微镜系统。

1.2数据的采集

使用激光扫描共聚焦显微镜对射击弹头弹壳上的立体痕迹进行三维扫描的过程较快，测量后除可生成一个bmp位图文件外，还有一个对应ols格式的文件，如图1中所示。

图1使用激光扫描共聚焦显微镜测量生成的数据文件

2.共聚焦显微镜的功能及用于枪弹痕迹检验的方法

2.1二维和三维观察

激光扫描共聚焦显微镜附带的测量软件提供了二维和三维2种观察数据文件的方式。共聚焦技术在样品焦平面反射入显微镜的光线需经过微小的针孔才能成像的光学系统，通过阻断干涉和杂散光来提高图像清晰度。一般显微镜采用场光源，光线属散射型。在观察的视野内，样品所有点均被同时照射成像，入射光线既照射了焦平面，又照射了上下左右相邻点，并同时成像，因此信噪比低。共聚焦方式则采用点照明方式，入射光线和发射光线对于物镜焦平面是共轭的，这样来自焦平面上下的光线均被针孔阻挡，当针孔大小合适时，便可获得高清晰高分辨的图像。共聚焦显微技术采用了408nm短波长半导体激光，更短的波长保证了更高的分辨率，图2（a）中所示是用该显微镜240倍率下采集的92式手枪射击弹壳弹匣口抛壳痕迹（小旗痕）的二维图像，从直观效果可以看出该设备采集的枪弹痕迹图像明显优于光学显微镜。

其三维观察方式如图2（b），可提供痕迹特征全方位的信息，包括剖面信息可用等高线、网格线表示3D图像，从而使检验人员可以更准确地确定痕迹特征的价值。

图2共聚焦显微镜下240倍小旗痕图像

2.2二维和三维测量

共聚焦显微镜可方便地进行二维和三维测量，二维测量主要是几何量的测量，如线宽、直径等；三维测量可测体积、面积、表面积等。

在测量三维数据时，可使用观测软件在数据图像上选择一条观测线（如图3中数据图像上的纵向直线所示），则左侧会显示出与之相对应的深度数值曲线。如果观测线稍有不同，则对应的深度数值曲线会出现明显变化（如图3中2个圆形区域中所示）。因此，观测线可作为测量痕迹特征的指标之一使用。

观察深度曲线，找到其中变化比较剧烈的部分进行详细测量，可以得到精确测量的结果，其中不仅包含长、宽和深度三个维度的数据，还包含角度等其他有用数据（如图4所示）。

此外，在测量后还可以再次以三维方式对数据进行观察，并确定痕迹特征，这时观测线将显示为“观测面”（如图5所示）。

2.3特征比对

在对立体痕迹的三维数据进行特征比对时，首先应选择带有明显特征的观测线。在此基础上，应在观测线对应的深度数值曲线变化非常剧烈的小领域内选取极值点作为特征点，并且特征点应达到一定的数量以确保比对结果。当特征点选定后，可根据特征点的数量及其在深度数值曲线上的位置、特征点之间的距离（如图5中所示）以及深度数值曲线的形态作为指标进行比对，比对的结果可以用数值方式表示。

图3观测线及与之对应的深度数值曲线

图4进一步观测及详细测量结果

图5以三维方式观察并确定痕迹特征

3.讨论

虽然共聚焦显微镜技术用于枪弹痕迹检验相对于传统方法而言具有非常明显的优势，但目前将其应用到实践中还存在一些待解决的问题。

3.1三维观察应用于鉴定的方法问题

三维形貌观察直接应用于痕迹鉴定尚无应用。由于噪声等因素的影响，得到的三维形貌是否真实反映了痕迹的原貌，可否做为同一认定的依据等，需经过论证并取得共识。

3.2检验鉴定数据化表达问题

由于激光扫描共聚焦显微镜测量的数据非常精确，据该厂商提供的数据，其XY（横向）分辨率达0.12μm，Z轴（纵向）分辨率为10nm。在如此精度下，枪弹痕迹直接的数据比对会表现出绝对的差异性，即样本之间不可能同一。因此在对这样的数据进行特征比对时应适当选取一个阈值，而如何选取合理有效的阈值就是一个待解决的问题。特别是对枪弹痕迹三维数据的变化规律需进行应用基础研究。

3.3应用于计算机自动识别的问题

由实验结果可知，运用共聚焦显微镜系统可直接得到精确的枪弹痕迹的二维和三维数据，但这些数据量很大，如何进行特征值抽取、计算机自动选取观测线和特征点的原则和方法、其相应的算法、应用平台的建立等有待于进一步研究。