铸就法律之剑

清华大学自动化系教授 边肇祺

 

    在北京市公安局里流传着这样一个故事，某单元楼住宅被盗，上午10点刑警接到报案，12点时，他们就出现在罪犯的面前。正在乐滋滋享受午餐的犯罪嫌疑人目瞪口呆，直称干警定有“神人”相助。那么这个“神人”是谁呢？它就是指纹自动识别系统。

 

 

    我们在电影和戏剧里经常有这样的场景：大堂之上，一案审结时，只听官老爷大喝一声“画押来！”，师爷就把一张供词铺于下跪的犯人面前，犯人用拇指蘸上红色，颤抖着按在纸上。纸上的这个指纹就是他对纸上所写供认不讳的证据。

 

    这至少说明古人已知道各人的指纹互不相同，能够把他们区别开来。现在大量的证据也表明，人的指纹具有唯一性和不变性，而且指纹的获取又很方便，所以它就成了进行人身鉴定的一种重要手段。

 

    摊开手掌，观察自己的十个手指，会发现每个手指指纹的纹路都有不同的形态，长的叫“簸箕”，圆的叫“斗”，有经验的指纹专家甚至可以把它们分成二十几类纹型。如果有兴趣，还可以拿放大镜仔细看一看，会发现手指上布满了枝枝杈杈，有的纹线突然中断、有的从一根分成两根，有的是由两根合到一处，如果能标出中断点、分叉点之类的细节点的位置，再去和其他手指或者其他的指纹做一个比较，就会发现，根据这些细节点就可以很容易地把两个人分开。它们也就成了你随身携带的永不丢失的身份证。

 

    人们有了这个安全可靠的身份证，在可以预期的将来也许真的会用它来完成许多事情。设想一下，有一天你回到家里，在门旁一小块玻璃上轻轻一按，门就自动打开；到商店买完东西，或是餐馆吃过饭，在出门时一按即可付款；登陆计算机网络只需一按，而不必担心被人窃取了密码……

 

    但是，对于犯罪分之来说，这可不是一个好消息。早在七十年代以前，人们就开始通过匹配指纹来破案了。每个有犯罪前科的人都要在指纹卡上留下自己十个手指的印记，储存在公安局的档案柜里。要是哪天他出去后还不老实，又干出偷偷摸摸的勾当，而且不幸在现场留下了指纹，那可对不起了，有经验的指纹专家拿去和库里的指纹一对，“哦，明白了，就是你小子，又犯事了。”他就又进去了。

 

    指纹既然有这么大的魔力，能让亲者快，仇者痛，真是再好不过的身份证了。

 

 

    在过去人工进行指纹的比对时，上面说的事实并不容易发生。想一想，公安局多年积累下来成千上万的指纹卡片，放它们的柜子能堆整整一面墙，要从中找出一个同样的指纹真如大海捞针一般。以前，往往是只针对重大案件，组织很多人员，借助放大镜，一张一张去搜索。虽说可以根据现场的指纹进行一个分类，只在同类的指纹卡中去寻找，且不说数量还是十分巨大，就说指纹上那么多细节点，专家拿着放大镜一张一张的看，人眼还有个疲劳呢，要是赶上正到关键的那张眼晕了一下，那就全白费了。要是哪个罪犯真赶上第一张就被查出来了，那他的命也太不好了。

 

    有计算机的帮助就不同了。把指纹卡上的指纹都储存在计算机中，拿来现场指纹，输入计算机，进行细节点的提取，然后和数据库中的指纹进行比对，几分钟可能就把相似的指纹找出来了。所以篇头所说的那种情况并不希奇，“神人”也没什么神秘的。

 

    美国在七十年代就推出了应用于公共安全的指纹实用系统。我国在八十年代曾经考虑从美国引进此项先进技术，但由于价格昂贵以及政治上的一些原因未能实现。为了自主掌握此项关系到社会安全的指纹自动识别技术，早在八十年代，清华大学自动化系信息教研组就和北京市公安局刑事科学技术研究所一起承担了北京市“七五”重点攻关项目――指纹自动识别系统的研制工作。后来，在第一代系统的基础上，教研组又和北京市刑事科学技术研究所及常州市公安局一起承担了国家“八五”大容量和中小容量的指纹自动识别系统的研制工作。

 

    说来轻松，可是真要把指纹自动识别应用于刑侦破案可不是一件容易的事情。

 

    指纹识别时，首先，需要从指纹中提取出准确的细节点位置和所处的纹线方向，这需要经过对图像的增强（滤波），二值化，细化和后修复等几个环节来完成；其次，要根据这些细节点的信息去和数据库中的指纹进行匹配。

 

    如果指纹清晰还好说，可是从现场取得的指纹往往模糊不清（罪犯可没那么老实，规规矩矩地把整个指纹清晰的留下来），很多残缺不全，往往还有又一摸的痕迹（一按、一摸是人抓取物体时的一般习惯）。对于这种指纹，提取细节点本来就很困难，提取出来也不会很多，要用很少量的细节点去进行指纹的匹配也有困难。所以，到目前为止，所有产品化了的指纹自动识别系统都是从指纹库中提出与被识别指纹最为相似的少量指纹，然后由专家作最后确认。而且还要有一个友好的人机界面，以在处理和比对时，能够方便地使操作人员对模糊不清的区域的处理结果包括中心点、纹型和细节特征等进行修改，以及对系统提供的比对结果进行分析和认定。

 

    而且，指纹系统要推广使用，必须具有大容量的数据库，全国应该实现联网，这样无论罪犯流窜到哪里作案，都逃不脱法律的制裁。

 

    在不断的研究和探索过程中，研究组通过大量的实验，不断提出新的算法，使整个系统性能不断完善。在算法方面，较早地实现了基于Gabor函数的图像增强算法，以在此基础上求取指纹的连续方向图和对图像进行二值化。由于Gabor函数滤波要求根据纹线的特点确定合适的模板，为了加快处理速度，又发展了快速离散方向图求取方法，以及不过分依赖纹线参数的快速二值化方法。鉴于中心点和细节特征准确性对指纹比对结果有重大的影响，提出了一种不同于常规的用Poincare指数求中心点的方法，以及在模糊图像情况下如何系统地从细节特征候选集中筛选出真实的细节特征的算法。在比对算法方面，研究组首先研究了一种恢复现场指纹中心点的新方法，在此基础上通过计算匹配点对的平方误差和，以及无细节特征区域对匹配得分的增强效果，能在细节特征数不多的情况下仍然达到较高的正确性。在系统集成方面，设计了库存容量从几万人到几十万人的规模大小不一的计算机系统，根据用户的不同要求，可以在不同型号工作站以及微机上运行，并且实现了多机并行工作，以提高运行速度。此外还利用已有的网络技术，为某些省市的指纹数据库共享提供了远程查询可靠的手段。

 

    十年磨一剑，指纹自动识别系统最终研制成功。“七五”指纹系统在北京市得到了实际应用，取得了很好的社会效益。这是国内第一个使用的不是靠人工编码的指纹自动识别系统，一九九二年获得北京市科学技术进步一等奖。“八五”指纹系统获得国家科技进步二等奖，以及江苏省科技进步一等奖。

 

    辉煌的背后是辛勤的汗水，是艰辛的努力，是研究组全体人员十年如一日的工作，也是对国家安全事业使命感的驱使。

 

 

    在过去几年里，指纹自动识别系统不断在全国五十多个省市和地区推广应用，累计破案在上千以上，成都、盐城、景德镇、徐州等地公安部门都报道过利用指纹自动识别系统成功破获大案要案的例子，指纹自动识别系统成了公安人员的好帮手。该项目因此获得公安部一九九八年科技进步二等奖。

 

    随着指纹数据库的不断扩展，全国大范围联网的实现，以及指纹系统本身识别能力的提高，它必将成为一把真正震慑敌胆的利剑。

 

 

    当前国际上利用人的特征进行人身鉴定已经成为模式识别的热点研究领域，也有着美好的应用前景。而指纹自动识别正是其中及其重要的一环，前面做过的憧憬很快就可能变成现实。

 

    不过，由于上面提及的指纹系统在计算机网络、金融、保险、人口以及安全管理等许多方面这方面的应用基本上是完全自动进行的，不可能有人的介入，且涉及到社会各方面人士，指纹的状况更是千差万别，并在许多情况下，必须用芯片加以实现，这就要求进一步研究新的算法以在国际国内竞争中使我们的研究工作进入先进的行列。

 

    研究组正在努力朝着这个方向前进，为创造祖国美好的明天贡献我们的力量。