摘要：槍彈痕跡是典型的立體痕跡，但在傳統檢驗過程中由于設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的發展，立體痕跡已經可以數據化，這為新檢驗方法的出現提供了基礎。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據，并在此基礎上提出了一種對其進行三維測量及檢驗的方法。這種方法相對于傳統方法而言使用了更多立體痕跡中的信息，同時由于檢驗過程的全程數字化，在理論上也具有更高的可靠性。如果一些相關的技術性問題得以解決，這種測量檢驗方法的應用前景將十分廣闊。

關鍵詞：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，痕跡形態表現為線條痕跡和凹陷痕跡。其痕跡相對細微，需用立體顯微鏡和比較顯微鏡進行觀察和檢驗，在二維圖像上根據痕跡特征進行直觀對照比對和線條接合比對^[1]。使用這些方法檢驗時，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，檢驗主體很難做到全方位地認識痕跡特征；對特征相符與否的認定是檢驗主體基于經驗作出的判斷，主觀性較強且缺乏定量的科學依據。

在傳統檢驗過程中之所以會存在這些問題，最根本的原因是傳統的檢驗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，對立體痕跡進行三維掃描和數據化處理并在此基礎上進行三維特征比對的檢驗方法具有明顯的優勢：首先，非接觸式的三維掃描是一種無損提取方法；其次，三維掃描技術已達到很高的精度，能充分滿足痕跡檢驗的要求；最后，依據三維數據進行的特征檢驗是一種數字化的定量檢驗，這種檢驗方法可在不同時間不同地點重復進行，其客觀性很強^[2]。

基于以上優勢，國內外學者先后在槍彈痕跡檢驗三維檢驗方面開展了研究。張新寶等人研制了一種大量程光學共焦跟蹤式非接觸三維彈頭痕跡檢測儀，并討論了這個測量系統的原理、結構、控制以及實驗結果^[3]。謝峰等人采用非接觸式位移傳感器研制的檢測系統對彈頭上的痕跡進行了痕跡的定量化檢驗^[4]。魯靜在李德華教授的指導下進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關鍵算法研究，取得了一定進展^[5]。據筆者所知，國內還有多個機構正在研制槍彈痕跡三維檢驗系統。

工業上材料表面微觀形貌觀察和測量的需求促使工業顯微鏡技術已經發展到了很高的水平，激光共聚焦顯微鏡可以很好地實現高分辨率的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中利用該設備及相關技術方法，具有技術相對成熟、起點高、減少重復開發的優點，而且此顯微鏡作為通用儀器可用于其他物證的檢驗。

1.實驗器材及數據的采集

1.1實驗器材

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。

1.2數據的采集

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行三維掃描的過程較快，測量后除可生成一個bmp位圖文件外，還有一個對應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據文件

2.共聚焦顯微鏡的功能及用于槍彈痕跡檢驗的方法

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種觀察數據文件的方式。共聚焦技術在樣品焦平面反射入顯微鏡的光線需經過微小的針孔才能成像的光學系統，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，樣品所有點均被同時照射成像，入射光線既照射了焦平面，又照射了上下左右相鄰點，并同時成像，因此信噪比低。共聚焦方式則采用點照明方式，入射光線和發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，當針孔大小合適時，便可獲得高清晰高分辨的圖像。共聚焦顯微技術采用了408nm短波長半導體激光，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備采集的槍彈痕跡圖像明顯優于光學顯微鏡。

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、網格線表示3D圖像，從而使檢驗人員可以更準確地確定痕跡特征的價值。

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。

在測量三維數據時，可使用觀測軟件在數據圖像上選擇一條觀測線（如圖3中數據圖像上的縱向直線所示），則左側會顯示出與之相對應的深度數值曲線。如果觀測線稍有不同，則對應的深度數值曲線會出現明顯變化（如圖3中2個圓形區域中所示）。因此，觀測線可作為測量痕跡特征的指標之一使用。

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

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

2.3特征比對

在對立體痕跡的三維數據進行特征比對時，首先應選擇帶有明顯特征的觀測線。在此基礎上，應在觀測線對應的深度數值曲線變化非常劇烈的小領域內選取極值點作為特征點，并且特征點應達到一定的數量以確保比對結果。當特征點選定后，可根據特征點的數量及其在深度數值曲線上的位置、特征點之間的距離（如圖5中所示）以及深度數值曲線的形態作為指標進行比對，比對的結果可以用數值方式表示。

圖3觀測線及與之對應的深度數值曲線

圖4進一步觀測及詳細測量結果

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用于槍彈痕跡檢驗相對于傳統方法而言具有非常明顯的優勢，但目前將其應用到實踐中還存在一些待解決的問題。

3.1三維觀察應用于鑒定的方法問題

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

3.2檢驗鑒定數據化表達問題

由于激光掃描共聚焦顯微鏡測量的數據非常精確，據該廠商提供的數據，其XY（橫向）分辨率達0.12μm，Z軸（縱向）分辨率為10nm。在如此精度下，槍彈痕跡直接的數據比對會表現出絕對的差異性，即樣本之間不可能同一。因此在對這樣的數據進行特征比對時應適當選取一個閾值，而如何選取合理有效的閾值就是一個待解決的問題。特別是對槍彈痕跡三維數據的變化規律需進行應用基礎研究。

3.3應用于計算機自動識別的問題

由實驗結果可知，運用共聚焦顯微鏡系統可直接得到精確的槍彈痕跡的二維和三維數據，但這些數據量很大，如何進行特征值抽取、計算機自動選取觀測線和特征點的原則和方法、其相應的算法、應用平臺的建立等有待于進一步研究。