摘要：槍彈痕跡是典型的立體痕跡，但在傳統(tǒng)檢驗(yàn)過程中由于設(shè)備等因素的限制通常不能充分利用立體痕跡中所包含的全部信息。隨著近年來三維掃描技術(shù)的發(fā)展，立體痕跡已經(jīng)可以數(shù)據(jù)化，這為新檢驗(yàn)方法的出現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。本文利用激光掃描共聚焦顯微鏡采集了射擊彈頭彈殼上立體痕跡的三維數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上提出了一種對其進(jìn)行三維測量及檢驗(yàn)的方法。這種方法相對于傳統(tǒng)方法而言使用了更多立體痕跡中的信息，同時(shí)由于檢驗(yàn)過程的全程數(shù)字化，在理論上也具有更高的可靠性。如果一些相關(guān)的技術(shù)性問題得以解決，這種測量檢驗(yàn)方法的應(yīng)用前景將十分廣闊。

關(guān)鍵詞：槍彈痕跡；激光掃描共聚焦顯微鏡；三維特征比對；

0.引言

槍彈痕跡是典型的立體痕跡，痕跡形態(tài)表現(xiàn)為線條痕跡和凹陷痕跡。其痕跡相對細(xì)微，需用立體顯微鏡和比較顯微鏡進(jìn)行觀察和檢驗(yàn)，在二維圖像上根據(jù)痕跡特征進(jìn)行直觀對照比對和線條接合比對^[1]。使用這些方法檢驗(yàn)時(shí)，由于受到觀察角度、打光角度以及拍攝角度等因素的影響，造成特征信息損失，檢驗(yàn)主體很難做到全方位地認(rèn)識痕跡特征；對特征相符與否的認(rèn)定是檢驗(yàn)主體基于經(jīng)驗(yàn)作出的判斷，主觀性較強(qiáng)且缺乏定量的科學(xué)依據(jù)。

在傳統(tǒng)檢驗(yàn)過程中之所以會存在這些問題，最根本的原因是傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法沒有充分合理地利用立體痕跡中所包含的有效信息。相比較而言，對立體痕跡進(jìn)行三維掃描和數(shù)據(jù)化處理并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三維特征比對的檢驗(yàn)方法具有明顯的優(yōu)勢：首先，非接觸式的三維掃描是一種無損提取方法；其次，三維掃描技術(shù)已達(dá)到很高的精度，能充分滿足痕跡檢驗(yàn)的要求；最后，依據(jù)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行的特征檢驗(yàn)是一種數(shù)字化的定量檢驗(yàn)，這種檢驗(yàn)方法可在不同時(shí)間不同地點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行，其客觀性很強(qiáng)^[2]。

基于以上優(yōu)勢，國內(nèi)外學(xué)者先后在槍彈痕跡檢驗(yàn)三維檢驗(yàn)方面開展了研究。張新寶等人研制了一種大量程光學(xué)共焦跟蹤式非接觸三維彈頭痕跡檢測儀，并討論了這個(gè)測量系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)、控制以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果^[3]。謝峰等人采用非接觸式位移傳感器研制的檢測系統(tǒng)對彈頭上的痕跡進(jìn)行了痕跡的定量化檢驗(yàn)^[4]。魯靜在李德華教授的指導(dǎo)下進(jìn)行了基于三維激光彩色掃描儀的公安子彈綜合檢測軟件系統(tǒng)關(guān)鍵算法研究，取得了一定進(jìn)展^[5]。據(jù)筆者所知，國內(nèi)還有多個(gè)機(jī)構(gòu)正在研制槍彈痕跡三維檢驗(yàn)系統(tǒng)。

工業(yè)上材料表面微觀形貌觀察和測量的需求促使工業(yè)顯微鏡技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了很高的水平，激光共聚焦顯微鏡可以很好地實(shí)現(xiàn)高分辨率的2D觀察、高精度非接觸的表面測量以及3D表面形貌觀察。因此，直接在槍彈痕跡檢驗(yàn)中利用該設(shè)備及相關(guān)技術(shù)方法，具有技術(shù)相對成熟、起點(diǎn)高、減少重復(fù)開發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，而且此顯微鏡作為通用儀器可用于其他物證的檢驗(yàn)。

1.實(shí)驗(yàn)器材及數(shù)據(jù)的采集

1.1實(shí)驗(yàn)器材

射擊彈頭、彈殼各5枚，奧林巴斯OLS3100激光掃描共聚焦顯微鏡系統(tǒng)。

1.2數(shù)據(jù)的采集

使用激光掃描共聚焦顯微鏡對射擊彈頭彈殼上的立體痕跡進(jìn)行三維掃描的過程較快，測量后除可生成一個(gè)bmp位圖文件外，還有一個(gè)對應(yīng)ols格式的文件，如圖1中所示。

圖1使用激光掃描共聚焦顯微鏡測量生成的數(shù)據(jù)文件

2.共聚焦顯微鏡的功能及用于槍彈痕跡檢驗(yàn)的方法

2.1二維和三維觀察

激光掃描共聚焦顯微鏡附帶的測量軟件提供了二維和三維2種觀察數(shù)據(jù)文件的方式。共聚焦技術(shù)在樣品焦平面反射入顯微鏡的光線需經(jīng)過微小的針孔才能成像的光學(xué)系統(tǒng)，通過阻斷干涉和雜散光來提高圖像清晰度。一般顯微鏡采用場光源，光線屬散射型。在觀察的視野內(nèi)，樣品所有點(diǎn)均被同時(shí)照射成像，入射光線既照射了焦平面，又照射了上下左右相鄰點(diǎn)，并同時(shí)成像，因此信噪比低。共聚焦方式則采用點(diǎn)照明方式，入射光線和發(fā)射光線對于物鏡焦平面是共軛的，這樣來自焦平面上下的光線均被針孔阻擋，當(dāng)針孔大小合適時(shí)，便可獲得高清晰高分辨的圖像。共聚焦顯微技術(shù)采用了408nm短波長半導(dǎo)體激光，更短的波長保證了更高的分辨率，圖2（a）中所示是用該顯微鏡240倍率下采集的92式手槍射擊彈殼彈匣口拋殼痕跡（小旗痕）的二維圖像，從直觀效果可以看出該設(shè)備采集的槍彈痕跡圖像明顯優(yōu)于光學(xué)顯微鏡。

其三維觀察方式如圖2（b），可提供痕跡特征全方位的信息，包括剖面信息可用等高線、網(wǎng)格線表示3D圖像，從而使檢驗(yàn)人員可以更準(zhǔn)確地確定痕跡特征的價(jià)值。

圖2共聚焦顯微鏡下240倍小旗痕圖像

2.2二維和三維測量

共聚焦顯微鏡可方便地進(jìn)行二維和三維測量，二維測量主要是幾何量的測量，如線寬、直徑等；三維測量可測體積、面積、表面積等。

在測量三維數(shù)據(jù)時(shí)，可使用觀測軟件在數(shù)據(jù)圖像上選擇一條觀測線（如圖3中數(shù)據(jù)圖像上的縱向直線所示），則左側(cè)會顯示出與之相對應(yīng)的深度數(shù)值曲線。如果觀測線稍有不同，則對應(yīng)的深度數(shù)值曲線會出現(xiàn)明顯變化（如圖3中2個(gè)圓形區(qū)域中所示）。因此，觀測線可作為測量痕跡特征的指標(biāo)之一使用。

觀察深度曲線，找到其中變化比較劇烈的部分進(jìn)行詳細(xì)測量，可以得到精確測量的結(jié)果，其中不僅包含長、寬和深度三個(gè)維度的數(shù)據(jù)，還包含角度等其他有用數(shù)據(jù)（如圖4所示）。

此外，在測量后還可以再次以三維方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，并確定痕跡特征，這時(shí)觀測線將顯示為“觀測面”（如圖5所示）。

2.3特征比對

在對立體痕跡的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行特征比對時(shí)，首先應(yīng)選擇帶有明顯特征的觀測線。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)在觀測線對應(yīng)的深度數(shù)值曲線變化非常劇烈的小領(lǐng)域內(nèi)選取極值點(diǎn)作為特征點(diǎn)，并且特征點(diǎn)應(yīng)達(dá)到一定的數(shù)量以確保比對結(jié)果。當(dāng)特征點(diǎn)選定后，可根據(jù)特征點(diǎn)的數(shù)量及其在深度數(shù)值曲線上的位置、特征點(diǎn)之間的距離（如圖5中所示）以及深度數(shù)值曲線的形態(tài)作為指標(biāo)進(jìn)行比對，比對的結(jié)果可以用數(shù)值方式表示。

圖3觀測線及與之對應(yīng)的深度數(shù)值曲線

圖4進(jìn)一步觀測及詳細(xì)測量結(jié)果

圖5以三維方式觀察并確定痕跡特征

3.討論

雖然共聚焦顯微鏡技術(shù)用于槍彈痕跡檢驗(yàn)相對于傳統(tǒng)方法而言具有非常明顯的優(yōu)勢，但目前將其應(yīng)用到實(shí)踐中還存在一些待解決的問題。

3.1三維觀察應(yīng)用于鑒定的方法問題

三維形貌觀察直接應(yīng)用于痕跡鑒定尚無應(yīng)用。由于噪聲等因素的影響，得到的三維形貌是否真實(shí)反映了痕跡的原貌，可否做為同一認(rèn)定的依據(jù)等，需經(jīng)過論證并取得共識。

3.2檢驗(yàn)鑒定數(shù)據(jù)化表達(dá)問題

由于激光掃描共聚焦顯微鏡測量的數(shù)據(jù)非常精確，據(jù)該廠商提供的數(shù)據(jù)，其XY（橫向）分辨率達(dá)0.12μm，Z軸（縱向）分辨率為10nm。在如此精度下，槍彈痕跡直接的數(shù)據(jù)比對會表現(xiàn)出絕對的差異性，即樣本之間不可能同一。因此在對這樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征比對時(shí)應(yīng)適當(dāng)選取一個(gè)閾值，而如何選取合理有效的閾值就是一個(gè)待解決的問題。特別是對槍彈痕跡三維數(shù)據(jù)的變化規(guī)律需進(jìn)行應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

3.3應(yīng)用于計(jì)算機(jī)自動(dòng)識別的問題

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，運(yùn)用共聚焦顯微鏡系統(tǒng)可直接得到精確的槍彈痕跡的二維和三維數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)量很大，如何進(jìn)行特征值抽取、計(jì)算機(jī)自動(dòng)選取觀測線和特征點(diǎn)的原則和方法、其相應(yīng)的算法、應(yīng)用平臺的建立等有待于進(jìn)一步研究。