黃子煜，黃 偉

(福建警察學(xué)院, 福建 福州 350007)

0 引言

指掌紋捺印包括十指平面捺印、三面捺印、掌紋捺印等，是刑事犯罪偵查活動中必不可少的一個環(huán)節(jié)，同時也是一項(xiàng)技術(shù)性要求很強(qiáng)的專業(yè)工作。指掌紋捺印的質(zhì)量直接影響到指紋的分析、編碼、儲存、比對和鑒定的結(jié)果[1-2]。長期以來人身指掌紋采集通常由人工完成，這對捺印人員提出了較高的要求，需要掌握指紋學(xué)專業(yè)知識和捺印操作的專業(yè)訓(xùn)練，這有賴于捺印人的經(jīng)驗(yàn)。如果沒有經(jīng)過系統(tǒng)的學(xué)習(xí)培訓(xùn)，對捺印指紋學(xué)知識一知半解，沒有正確掌握捺印操作中的方法和技巧，往往會導(dǎo)致所捺印的樣本不滿足檢驗(yàn)鑒定要求[3]。潘自勤等研究表明，指紋的邊緣形態(tài)、寬窄、細(xì)點(diǎn)線受捺印壓力等形成條件的影響變化較大[4]。另外，辦案實(shí)踐中可能涉及的被捺印人員類型非常復(fù)雜，包含了各個行業(yè)的人員，其手指皮膚情況也很復(fù)雜, 為獲取高質(zhì)量的捺印指紋，還需要工作人員具體情況具體對待，細(xì)心總結(jié)經(jīng)驗(yàn)不斷摸索，才能取得理想的效果[5]。

在公安實(shí)踐中，人工捺印方法的缺陷主要包括：受捺印人的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和操作細(xì)節(jié)的影響比較大，捺印效果很難控制[6]，常因捺印力度或速度不均勻，或被捺印人配合度不高、遇特殊捺印對象（如僵化的尸體）等情況，從而造成指掌紋模糊不清、捺印不完整、出現(xiàn)變形等情況[7]，從而嚴(yán)重影響了指掌紋證據(jù)采集的質(zhì)量，使得很多指紋無法正常建人計(jì)算機(jī)指紋自動識別系統(tǒng)中，在比對案件時無法使用，給偵查工作帶來很大的困難[8]。

隨著時代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，指掌紋自動捺印技術(shù)走入我們的視線之中。而現(xiàn)有采用光學(xué)掃描法等的自動捺印設(shè)備存在體積較大不易攜帶、程序設(shè)置復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，同時這種光學(xué)掃描方法所采集的指紋還存在丟失細(xì)節(jié)特征或增加偽特征等特征變異問題，直接影響指紋的采集質(zhì)量及指紋檢索的精度[9]，使現(xiàn)場指掌紋的自動捺印技術(shù)的推廣應(yīng)用受到了很大限制。

因此，研究指掌紋自動捺印的新方法和新裝置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文提出了一種基于氣動壓痕原理的指掌紋自動捺印方法，設(shè)計(jì)一款面向便攜、可控、低成本的現(xiàn)場指掌紋自動捺印裝置，以期為案件現(xiàn)場取證工作提供科學(xué)、高效的指掌紋樣本收集手段，提高采集的質(zhì)量和效率。

1 裝置構(gòu)建方法和設(shè)計(jì)思路

如前文所述，目前用于法庭證據(jù)和檢驗(yàn)鑒定的指掌紋樣本仍采用油墨捺印的方式進(jìn)行采集[9]，為更好與法庭證據(jù)形式相適應(yīng)，我們在進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)時，采用油墨捺印法進(jìn)行指掌紋信息轉(zhuǎn)移原理的基礎(chǔ)上，對捺印操作的實(shí)現(xiàn)過程和自動化裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1.1 擬解決的主要技術(shù)問題

1.1.1 捺印操作和效果

由于人的手指有彈性, 在指掌紋捺印過程中（特別是三面捺?。┯昧Σ煌斐傻淖冃我膊煌琜8]。這不但對捺印人操作規(guī)范要求高，還常常由于被捺印人在捺印過程中的不適應(yīng)或不配合等原因，造成的指掌紋樣本紋線出現(xiàn)扭曲變形、不清晰、不完整等情況；而對于尸體指紋的捺印，還存在客體僵化等情況，手指間不易分開，難以拉伸，捺印工作更加困難、合格率更低，且一人難以完成[1]，這些情況大大影響了傳統(tǒng)手印樣本采集的可靠性和準(zhǔn)確性。

1.1.2 現(xiàn)場便攜捺印

針對光學(xué)掃描法等自動捺印設(shè)備體積大、成本高，無法適用于現(xiàn)場的指紋捺印需求的情況，設(shè)計(jì)一款在現(xiàn)場條件下使用的快速、可靠的指掌紋自動捺印裝置十分必要。

1.2 裝置設(shè)計(jì)思路

通過對指掌紋自動捺印方法進(jìn)行了深入研究，提出了如下的指掌紋自動捺印裝置的設(shè)計(jì)方案：裝置基于氣動壓痕原理，先將轉(zhuǎn)印材料設(shè)置于氣動壓痕包裹帶上，通過微型氣泵對氣動包裹帶充氣，使蘸有油墨的待捺印手指/手掌與轉(zhuǎn)印材料進(jìn)行充分接觸、均勻受力，壓力通過薄膜壓力傳感器實(shí)時反饋至控制系統(tǒng)，從對氣泵的充放氣進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)指掌紋的自動捺印。

裝置自動捺印流程設(shè)計(jì)示意圖、應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2所示。

圖1 裝置自動捺印流程設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 schematic diagram of the automatic printing process design of the device

圖2 自動捺印裝置應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖Fig.2 structure drawing of automatic printing device for finger-palm marks

2 裝置控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

裝置的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)遵循模塊化設(shè)計(jì)思路，各個部分相對獨(dú)立，具有標(biāo)準(zhǔn)接口，主要分為：電源模塊、主板模塊、通訊模塊、顯示模塊等，功能結(jié)構(gòu)見圖3所示，主要部件包括MCU、按鍵模塊、顯示電路模塊、存儲器、以及通訊接口等。

圖3 硬件功能結(jié)構(gòu)Fig.3 structure of hardware function

2.1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

主板控制模塊（MCU）基于ARM芯片STM32實(shí)現(xiàn)，它可以作為一種連接紐帶，將執(zhí)行模塊與控制模塊相連，實(shí)現(xiàn)智能化控制[10]。主板CPU采用STM32S103單片機(jī)，該單片機(jī)包含12 MHz的晶振、內(nèi)嵌出廠前調(diào)校的8MHz RC振蕩電路、內(nèi)部40 kHz的RC振蕩電路、用于CPU時鐘的PLL、POR、PDR和可編程的電壓探測器（PVD）[11]。

系統(tǒng)的電源為+5V，單片機(jī)為+3.3V供電，因此，對提供的電源電壓（+12V）要進(jìn)行直流降壓設(shè)計(jì)，在電路中采用專用開關(guān)電源芯片TPS5430、LT1763穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)降壓電路模塊設(shè)計(jì)。

2.2 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

基于實(shí)現(xiàn)指掌紋自動捺印的設(shè)計(jì)目標(biāo)，即只需將要捺印的手指/手掌（蘸有油墨）放置在裝置氣動包裹帶所圍成的圓柱面內(nèi)部，待捺印部位置于轉(zhuǎn)印材料對應(yīng)位置上，接通電源，啟動微型氣泵對氣動包裹帶充氣；氣動包裹帶隨著充氣量的增加逐步鼓起，對指掌紋形成擠壓，同時通過設(shè)置于氣動包裹帶內(nèi)側(cè)的薄膜壓力傳感器，實(shí)時監(jiān)測轉(zhuǎn)印材料與指掌紋間的相互作用的壓力大小，并實(shí)時反饋至控制系統(tǒng)，達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力值后穩(wěn)定一定時間，使轉(zhuǎn)印材料與指掌紋乳突紋線上的油墨進(jìn)行可控、精確的接觸加壓控制，實(shí)現(xiàn)指掌紋在轉(zhuǎn)印材料上形成清晰、均勻的紋線效果；之后釋放包裹帶氣體，解除壓力后啟動包裹帶收縮，并與手指/手掌分離，將手指/手掌取出即可完成自動捺印過程，轉(zhuǎn)印材料上即獲得被捺印客體的指掌紋。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.4 the flow chart of this system

其中，我們以PWM的方式實(shí)時調(diào)節(jié)微型氣泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度[12]，從而實(shí)現(xiàn)對氣動壓痕包裹帶的充氣量和充氣速度的精確控制。

采用這種方法，整個指掌紋的捺印過程可自動完成，并實(shí)現(xiàn)捺印過程中壓力、時間等參數(shù)的可控、精準(zhǔn)控制。

2.3 顯示模塊設(shè)計(jì)

顯示模塊采用DMG80480C043_02WN （DWIN Technologies）電阻觸摸屏進(jìn)行開發(fā)。該顯示器串口屏的軟件設(shè)計(jì)主要在 DWIN DGUS開發(fā)軟件下完成。軟件界面功能主要包括氣動壓痕包裹帶預(yù)設(shè)壓力值的輸入、壓力數(shù)值顯示、壓力系數(shù)設(shè)置（包含斜率k和截距b，可將壓力傳感器電位信號的標(biāo)定為壓力值）、氣泵電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示等，軟件設(shè)計(jì)開放界面如圖5所示。

圖5 串口屏軟件設(shè)計(jì)界面Fig.5 design interface of software for serial screen

3 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的基于氣動壓痕原理的指掌紋自動捺印裝置，在捺印原理和實(shí)現(xiàn)方法上進(jìn)行了創(chuàng)新，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）自動采集方式不需要捺印人與被捺印人進(jìn)行肢體接觸，在避免被捺印人不配合的情況下也能讓其在心理上有較好的接受度，最重要的是這種捺印過程不會受到捺印雙方手指移動、情緒等主觀因素的影響，捺印的一致性、穩(wěn)定性都得到較好的提升。（2）通過本裝置有望實(shí)現(xiàn)手指三面捺印、十指平面捺印和全手掌三種捺印方式，可以提取到被捺印人的指背紋路等更豐富的指掌紋生物特征信息。（3）相比較于光學(xué)掃描方法等其他自動指掌紋捺印儀器，本裝置構(gòu)成簡單，體積較小，操作上較為簡易，方便快捷，同時與傳統(tǒng)的油墨捺印方法在中介物質(zhì)的采用方面也是一致的，能夠較好適應(yīng)現(xiàn)場指掌紋快速自動捺印的實(shí)踐需要。

當(dāng)然，本裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中，由于研究條件所限，裝置的控制精度和穩(wěn)定性方面還有待提高，今后我們將逐步完善裝置的各個部分的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，并通過捺印實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步提高指掌紋自動捺印的性能和質(zhì)量，以期為案件現(xiàn)場勘查和人身指掌紋生物樣本信息采集工作提供快速、可靠、便攜的指掌紋物證信息采集新技術(shù)和新手段。