足迹比对检验系统图像处理与痕迹比对计算机.docx
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足迹比对检验系统图像处理与痕迹比对计算机
足迹比对检验系统—图像处理与痕迹比对
摘要
传统的人工对比足迹方法，费时费力，对比误差较大，需要有丰富的工作经验，鉴于以上实际情况，开发利用计算机自动鉴定足迹的软件是十分必要的。
足迹对比鉴定系统在VisualC++6.0开发环境下开发，使用SQLServer2000数据库管理文件目录，通过图像处理技术，对采集的足迹图像进行样本提取，特征分析，对比鉴定。
本系统分为四个大模块：
资源录入，动力特征，对比分析，数据和文件管理。
资源录入模块用于录入由图像采集设备得到的足迹图像，和生成分析图像需要的足迹边界模板；动力特征模块用于对足迹样本进行图像处理，提取关键特征并保存；对于已经完成特征分析的各个足迹样本，对比分析模块按照它们的特征进行对比，分析差异；数据和文件管理模块可以对规模庞大的库存图像数据进行有效方便的管理。
本文只阐述动力特征和对比分析两个模块的设计。
关键词：
足迹对比VisualC++6.0SQLServer2000图像处理
ABSTRACT
Withthetraditionalandartificialmethod,tocontrastfootprintisahardworkthatwastealotoftimeandenergy.Apartfromthis,theworkneedsourmissionarytohaverichexperience.Evenif,theystillmakemanyerrorsinthework.inviewofabove-mentioned,itisnecessarytodevelopasoftwarethatcouldcontrastfootprintwithcomputer.
TheFootprintContradistinctionSystemwasdevelopedintheenvironmentofVisualC++6.0,anditmanagethefilemenuwithSQLServer2000.Withimageprocessingtechniques,thesystemcoulddrawsamplefromtheimageofthefootprint,andthendosomefeatureanalysisonthesample,atlast,itcomparesmanydifferentfeaturesoffootprints,andtofixiftheyweremadebythesameperson.
Thesystemcontains4module:
resourceenter,featureanalysis,featurecontrastandmanagementfordataandfile.Thefirstmodule,resourceenter,isusedtogetimagefromequipment,apartfromthis,thismodulecouldcreatesometemplatesforthefollowinganalysis’need.Thesecondmodule,featureanalysis,isusedtodosomeprocessonaimagewhichgotfromthefirstmodule.Inotherwords,thismodulegetsomepivotalcharactersoftheimageandsavethem.Fortheimages,whichhavefinishedbeinganalyzed,thethirdmodulecouldcontrasttheirdifferencesbytheirfeatures.Atlast,thefourthmodule,managementfordataandfile,couldsupportaconvenientandeffectivemanagementonthehugeimagedata.
Thispaperwillexpoundthedesignoffeatureanalysisandfeaturecontrast.
Keywords：
contrastfootprintVisualC++6.0SQLServer2000imageprocessingtechniques
一前言
1.1课题研究背景
足迹是人的赤脚或穿着鞋袜的脚走路或站立在地面或其它物体上所形成的痕迹总称。
足迹在案发现场的遗留率很高，可以通过足迹来作为侦破案件的证据，世界上许多国家的警察机关对犯罪现场遗留足迹的研究和利用都很重视。
足迹识别是一项古老和复杂的技术，我国在数千年前，就有记录和利用犯罪分子遗留足迹的历史，到了新中国成立以后，足迹比对检验更是广泛地应用于刑案侦查和司法认定，是案件侦破的主要线索之一。
1.2课题的国内外发展
由于足迹识别在案件侦破中的地位的重要性，我国痕检专家、学者多年来一直致力于足迹识别的研究，我国公安部在2002年度进行的重大科研项目《足迹检验科学性研究》，此项研究将大大提高足迹识别在侦破案件中的使用率，从而大幅度提高足迹检验的水平。
目前，我国足迹检验既有传统的方法，也有许多新的方法和手段。
所谓传统的方法，即从五十年代沿续并不断完善的形象特征检验。
加根据现场遗留鞋印判断鞋子的大小、种类，然后同侦查部门提供的嫌疑鞋印比较，进行鞋子的认定或否定。
再有根据现场遗留赤足印与嫌疑人赤足印样本比较，可以直接认定作案人。
足迹检验新方法的研究，主要针对犯罪人在作案后将鞋毁弃的情况下，如何利用现场遗留足迹认定犯罪人。
专家们努力从步法和反映用力特征的“鞋底常态磨损”上进行了新的探索。
现代足迹检验技术已经实现了由人工识别向电脑自动识别的过渡，现代的足迹检验技术对原来的手段有所突破，但也不是全能的，所以我国专家还在继续研究足迹识别的更优算法。
不仅中国重视足迹识别的研究，世界上其他国家也很重视足迹识别的发展。
例如英国有独立的足学研究中心谢菲尔德，谢菲尔德足学研究中心主要研究足部生理解剖结构、人体行走运动、足迹（包括鞋外底在各种客体上和足在鞋内底上形成的足迹）的形成、现场足迹的发现和提取技术、赤足迹特征标划和测量、赤足迹比对检验、鞋的检验和比对等方面，经过多年来的研究已经形成了有关足迹识别的一套理论。
1.3课题研究意义
人工比对足迹的工作单调，枯燥，往往要花费很多时间，而且容易出项错误的判断，时至今日，现代足迹检验技术已经实现了由人工识别向电脑自动识别的过渡，足迹识别已经完全离不开计算机了，优秀的算法可以提高鉴别精度和速度，现在的足迹系统大大降低海量人工鉴别的劳动力和误差率。
1.4课题目标和任务
足迹比对检验系统的研究目标是建立一个自动化的足迹比对检验系统，而且使足迹检验技术更加科学、精确，提高足迹检验鉴定的证据价值和法律效力。
经过本小组的讨论，将足迹比对检验系统分为四个模块，分别为资源录入，动力特征，比对分析，数据和文件管理，其中本人负责动力特征和比对分析这两个模块。
这两个模块的核心部分主要从如下几个方面考虑：
1.足迹图像的模板匹配，使案犯现场的足迹与样本库中的模板进行匹配，要求精确性高的匹配。
2.将案发现场的足迹进行处理，足迹图像的高度图像和花纹图像，为足迹的动力分析做准备。
3.在已创建的足迹的高度图像和花纹图像的基础上，进行足迹图像的动力特征分析；
4.将案发现场的足迹图像与嫌疑人的足迹进行对比，要求足迹比对的精确性。
二系统分析
2.1可行性分析
2.1.1技术可行性
足迹比对检验系统采用MicrosoftVisualC++6.0作为前台开发工具和SQLServer2000作为后台数据库。
MicrosoftVisualC++6.0是一个功能强大的可视化软件开发工具，具有功能强大，通用行强和易于扩充等特点，越来越多地被用为应用程序的前端开发工具。
采用C++来进行图像编程的主要原因是，与Java和C#等现代编程语言相比，C++在程序的运行效率、内存使用的可控性和编程的灵活性上具有优势。
图像处理需要进行大量的数据运算，经常使用复杂、费时的算法，因此图像处理程序的运行效率非常重要。
C++代码被编译成汇编语言，可以直接在处理器上运行，效率很高。
对庞大的图像数据进行处理需要使用大量的内存，而计算机的物理内存往往是有限的，因此需要有效的控制内存的操作。
C++直接控制内存的分配和释放，能有效的控制内存的使用。
C++中大量的使用指针，使得编程的灵活性很高，便于程序员施展技巧来提高程序的效率。
SQLServer2000是Microsoft公司推出的大型数据库系统，是目前广为使用的大型关系型数据库系统之一，具有以下几个主要特点：
1.真正的客户机/服务器体系结构。
2.图形化用户界面，使系统管理和数据库管理更加直观、简单。
3.丰富的编程接口工具，为用户进行程序设计提供了更大的选择余地。
4.SQLServer与WindowsNT完全集成，利用了WindowsNT的许多功能，如发送和接收消息、管理登录安全性等。
5.具有很好的伸缩性，可跨越多种版本的Windows操作系统及大型多处理器等平台。
6.提供了数据仓库功能。
2.1.2经济可行性
传统的足迹识别完全是靠手工操作的，从图像采集，图像处理，图像识别，无一不是人工处理的，需要大量的劳动力与工作量，而且由于人为的原因造成一些错误。
新的足迹对比检验系统充分发挥了计算机技术，从整体上提高工作效率和减小人工误差，更有利于案件的侦破。
2.1.3操作可行性
本系统操作简单，且其使用者公安部门的工作人员，他们具备使用计算机的基本能力。
因此对系统的操作是可行的。
通过对技术，经济，操作可行性的充分研究，确定了足迹比对检验系统的开发是必要的、可行的。
2.2需求分析
2.2.1功能需求
本系统为了解决人工识别足迹的误差性和弥补其它类似软件的缺陷，开发出高质量的系统，图像处理与痕迹比对子系统分为动力特征模块和对比分析模块。
其中足迹的动力特征分析是本文研究的重点，足迹的动力特征主要是抓住行走时支撑阶段的七个部位，这七个部位为：
落脚、后跟、脚弓、前掌、趾掌间、趾、起脚。
对这七个部位进行分析，表示出脚掌力的转移特点，最后将这些特点进行比较。
动力特征模块利用系统已具备的图像资源和模板资源，对指定的足迹图像样本进行图像处理，提取足迹的动力特征，并将这些特征作为后续对比工作的参照标准。
本模块又分为三个功能子模块：
1.生成边界模板
对足迹样本进行处理时，需要明确足迹的轮廓范围。
本模块为足迹生成一个标明轮廓的模板，即边界模板。
2.建立高度图像
为了进行动力特征的标记，需要对足迹样本先进行一定的图像处理，经过这个处理，足迹的力度变化应当清晰的显现出来。
3.生成动力特征
经过前面的图像处理，在本模块就可以记录足迹的动力特征，为后面的对比分析做准备。
对比分析模块将若干个足迹图像样本的动力特征成批地进行比对，并标示出它们的差异部位和差异的大小。
本模块的具体实现模块是对比足迹特征。
2.2.2数据需求
由于系统的应用场所是公安部门，本模块对图像进行处理时，所需的足迹图像主要来源于案发现场的足迹图像和嫌疑人的足迹图像，足迹图像可以由任意图像采集设备获取，如：
摄像头，数码相机，扫描仪等。
图像保存为常用BMP、JPG、GIF格式。
此外，还应当根据市场上常见的鞋型，特别制作一些鞋型图像，用来建立模板库。
2.2.3性能需求
传统的人工操作误差性高，而且工作单调，枯燥，往往要花费很多时间，不利于案件的侦破。
新的足迹对比检验系统利用计算机的强大功能，不仅降低了人工鉴别的劳动力，而且可以降低人工鉴定的误差率，提高了足迹识别的证据价值和法律效力，便于发挥足迹在案件侦破的作用。
三总体设计
3.1系统设计
3.1.1系统结构设计
足迹比对检验系统的具体结构如图3-1所示：
图3-1足迹比对检验系统的结构图
系统共分为四个基本处理模块：
资源录入，动力特征，对比分析，数据和文件管理。
这四个基本模块又分为十个小模块，分别为图像输入，创建模板，模板差值，生成边界文件，建立高度图像，生成动力特征，对比足迹特征，登录密码，文件管理，模板管理。
3.1.2数据流图
足迹比对检验系统的数据流图如图3-2所示：
图3-2足迹比对检验系统的数据流图
根据系统设计的要求，图像处理模块的数据流图如图3-3所示：
图3-3图像处理模块的数据流图
痕迹比对模块的数据流图如图3-4所示：
图3-4痕迹比对模块的数据流图
3.2数据结构设计
3.2.1IMG,HT,TOL图像结构
IMG,HT和TOL是本系统所使用的自定义图像格式，它们都是BYTE类型的二维数组矩阵，尺寸为固定的512*512，呈正方形。
其中，图像录入模块将从设备得到的任意BMP，JPG，GIF格式图像文件转换为IMG图像，HT和TOL分别是在动力特征模块中生成的高度图像和花纹图像。
3.2.2模板结构
在系统中，将足迹的边线信息保存在模板结构中，所谓足迹的边线就是由一条封闭的曲线所包围的足迹轮廓。
模板结构为：
typedefstruct{
intleft[512];
intright[512];
}MODEL;
它包括2个长度为512的一维数组，数组的下标表示IMG图像中竖方向的坐标位置，数组的单元值表示在指定竖方向的某一行的横坐标。
比如left[120]=154，表示IMG图像中坐标为（154,120）的位置上存在边线的一个点。
left[]和right[]分别存储边线的左半部分和右半部分，它们共同围成一个封闭的边线模板。
以上所述是基本“库存模板”，在特征分析模块中，系统根据具体足迹样本的形态，选取近似的基本“库存模板”，经过变换生成与足迹样本吻合的“边界模板”。
边界模板的结构为：
typedefstruct{
chartype[20];
intlength;
charlr;
MODELmodel;
}BOD;
边界模板结构中，type[]是鞋的型号，length是足迹长度，lr表示左脚或右脚，model是该样本的边界模板数据。
3.2.3数据库读写信息结构
以下2个数据结构分别用于从数据库读写信息，结构与数据库中2个表的属性一致。
typedefstructtagDATA_IMG{
charname[20];
intdate_year;
intdate_month;
intdate_date;
charaddr[50];
charcollecter[10];
intfin;
charsec[100];
tagDATA_IMG*next;
}DATA_IMG;//IMG表的数据信息
typedefstructtagDATA_KU{
chartype[20];
intlength;
charname[20];
tagDATA_KU*next;
}DATA_KU;//KU表的数据信息
3.2.4特征分析报告结构
先定义XY结构，用于表示系统中各类点的位置
typedefstruct{
intx;
inty;
}XY;
下面是特征分析报告，表示足迹特征
typedefstruct{
charname[20];
intlength;
boolwholeless[7];
XYpos;
XYeach[7];
}HEIGHT;
3.2.5数据库登录账户和密码
typedefstruct{
charname[50];
charorder[50];
}LOAD_INFO;
3.3数据库表设计
3.3.1ER图设计
E-R即“实体-联系”。
它的基本思想是在数据库设计过程中增加一个中间步骤，先设计一个概念性数据模型，这个概念性数据模型在E-R方法中被称作“企业模式”（或“组织模式”）。
它是现实世界的纯粹反映，与数据库的具体实现无关，它抛开了实现过程的具体细节，与现实世界和用户思维很相似，能比较准确、比较自然地反映现实世界，能为不熟悉计算机的用户所接受，便于设计人员和用户的沟通。
系统的ER图如图3-5所示：
图3-5足迹比对检验系统的ER图
3.3.2数据库表设计
本系统所有功能实现依赖大量数据，包括从案发现场采集来的数据和数据库中保存的数据。
根据ER图的设计，为系统建立2张数据库表，具体表详细信息如下：
1.IMG文件管理数据库表，用来记录足迹图像的信息，以便管理足迹图像。
表3-1足迹图像IMG表
字段名
字段类型
字段长度
允许空
文件名（主键）
char
20
否
采集时间_年
int
4
否
采集时间_月
int
4
否
采集时间_日
int
4
否
采集地点
char
50
否
采集人
char
10
否
特征分析
int
4
否
备注
char
100
是
2.KU模板文件管理数据库表，用来记录足迹模板的信息，以便管理模板库。
表3-2足迹模板KU表
字段名
字段类型
字段长度
型号（主键）
char
20
鞋长（主键）
int
4
模板名
char
20
3.4文件系统设计
整个系统在处理过程中，会产生6种存储文件，分别是：
IMG文件，HT文件，TOL文件，MOD文件，BOD文件和LIN文件。
IMG文件存储BYTEimg_data[512][512],这是一个512*512的8位灰度图像数据信息.
是最原始的待处理的图像文件。
HT文件即高度图像，文件结构同IMG，存储BYTEht_data[512][512],512*512的8位灰度图像数据信息,是处理后的高度图像信息。
TOL文件即花纹图像，文件结构同IMG，存储BYTEtol_data[512][512],512*512的8位灰度图像数据，是处理后的花纹图像信息。
MOD文件，是普通模板文件，存储MODEL数据结构。
BOD文件，是边界模板数据文件，存储BOD数据结构。
LIN文件存储分析数据，即LIN数据结构。
其中本人负责的模块涉及HT文件，TOL文件，BOD文件，LIN文件的创建。
3.5类结构设计
系统的核心是一个基类CDataSourse,由基类衍生出7个子类，分别封装实现7个子模块功能，其中高度图像，边界模板，标识特征，对比分析分别由Cmod_display，Cmod_border，Cmod_part，Cmod_ex来实现。
基类CDataSourse完成基本的数据库连接和访问工作，和文件读写工作，这些功能由子类继承使用，以下是CDataSourse的核心功能函数：
读写文件：
boolFile_read_IMG（）;//读取IMG文件
boolFile_write_IMG（）;//存储IMG文件
boolFile_read_KU（）;//读取MOD文件
boolFile_write_KU（）;//存储MOD文件
boolFile_read_BOD（）;//读取BOD文件
boolFile_write_BOD（）;//存储BOD文件
boolFile_read_HT（）;//读取HT文件
boolFile_write_HT（）;//存储HT文件
boolFile_read_TOL（）;//读取TOL文件
boolFile_write_TOL（）;//存储TOL文件
数据库访问：
voidSer_insert_IMG（）;//向表IMG插入记录
voidSer_insert_KU（）;//向表KU插入记录
DATA_IMG*Ser_select_IMG_menu（）;//返回IMG文件目录
DATA_KU*Ser_select_KU_menu（）;//返回表KU目录
boolSer_update_IMG（constchar*name）;
boolSer_delete_IMG（constchar*name）;
boolSer_select_IMG（constchar*name）;
boolSer_delete_KU（constchar*name,intlength）;
boolSer_delete_KU（constchar*name）;
四系统实现
4.1动力特征模块设计
4.1.1生成边界模板
如图4-1所示，是本模块的人机交互界面。
界面中黑色区域为图像显示区域，右边提供完备的按钮完成所有操作，界面左下角有提示信息，明确当前工作所在的步骤，还有提示当前打开的文件名
图4-1生成边界模板界面
边界模板模块的相关功能由类Cmod_border封装，操作过程分为以下几个步骤：
1.打开IMG文件
这是一个通用功能模块，由基类CDataSourse封装，点击按钮弹出如图4-1所示的对话框。
系统先访问数据库，获取全部文件信息列表并显示，当文件数量庞大时，用户可根据需要按文件名查询文件，也可限定搜索条件列出需要的文件目录，搜索条件包括指定日期区间，指定采集人，指定采集地点，限定条件后点击“按条件列表”按钮，系统就给出符合搜索条件的文件目录。
用户也可以点击“其他IMG”按钮，自行在计算机中查找需要的IMG文件。
图4-2打开IMG文件的界面
2.切换模板
对于已经打开的IMG文件，要从库存模板中选取一个与图像中足迹边界轮廓相似的
模板。
这个操作无需工作人员手动查找，点击按钮“切换模板”即可自动切换下一个库存模
板，图像中用红线表示边线模板，如图4-3所示：
图4-3切换模板的界面
3.模板变换
变换操作包括：
左右翻转，缩放，平移，旋转。
左右翻转就是把左脚模板翻转为右脚模板，或者把右脚模板翻转为左脚模板，这样就不必在模板入库时为每种型号准备左右2种模板。
缩放操作就是将模板按一定比例放大或缩小，以匹配足迹边缘轮廓。
平移操作包括上下左右四个方向的移动，由图中有箭头的按钮完成。
旋转操作包括逆时针旋转和顺时针旋转，当图像或模板因为足迹不正而无法匹配时，可以旋转模板使它们吻合。
4.保存
经过模板变换的调整工作之后，确认模板与足迹轮廓完全吻合，就可以保存了，点“保存边界模板”按钮，生成的边界模板就会保存到文件名与打开的IMG文件相同，后缀为BOD的文件，这个文件也在IMG文件夹中。
最终匹配效果如图4-4所示：
图4-4最终匹配界面
在这个模块中，模板旋转算法比较复杂，其具体步骤是：
先确定一个旋转中心，可以是模板的几何中心，即先找到模板上限TOP
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