基于足跡圖像的性別特征分析的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及刑偵技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于足 跡圖像的性別特征分析的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 足跡是刑偵辦案中最常見(jiàn)的"手足工槍"四大類痕跡之一。隨著犯罪形式的變化以 及犯罪特點(diǎn)日趨智能型，作案人的反偵察意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，犯罪現(xiàn)場(chǎng)能提取到的手印痕跡數(shù) 量大大減少，因此，足跡分析在偵查破案過(guò)程中的重要性越來(lái)越突出。在當(dāng)前復(fù)雜的社會(huì)環(huán) 境影響下，因各種原因而誘發(fā)的女性犯罪呈明顯上升態(tài)勢(shì)，因此利用足跡準(zhǔn)確分析出性別， 進(jìn)而確定偵查方向尤為重要。人的性別不同，其體型、生理結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)能均有明顯差別，這 些差別在足跡中均有不同程度的反映，這就為根據(jù)足跡分析性別提供了依據(jù)?；谧阚E圖 像進(jìn)行性別分析所使用的特征有足長(zhǎng)、足寬、壓力分布均勻程度等，測(cè)量足長(zhǎng)、足寬相對(duì)容 易，壓力分布均勻程度則主要靠檢驗(yàn)人員的主觀判斷；且這些特征的綜合使用中，也多為定 性描述，缺乏量化指標(biāo)，因此一般檢驗(yàn)人員難于掌握這項(xiàng)技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于足跡圖像的性別特征分析的方法及裝 置，通過(guò)建立科學(xué)的模型，將人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行量化，避免足跡檢驗(yàn)人員主觀影響及人為誤差的 引入，從而達(dá)到快速、定量、準(zhǔn)確、客觀地性別特征分析的目的。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于足跡圖像的性別特征分 析的方法，包括如下步驟：
[0005] S1.對(duì)足跡圖像進(jìn)行多層壓力面提??；
[0006] S2.根據(jù)足跡的多層壓力面圖像，得到至少下述足跡形態(tài)結(jié)構(gòu)特征：足長(zhǎng)、足寬、 各層壓力面的面積；
[0007] S3.建立足跡形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與性別之間的數(shù)學(xué)模型，向該數(shù)學(xué)模型輸入上述形態(tài) 結(jié)構(gòu)特征，得到該足跡所有人的性別特征；具體步驟為：
[0008] S3. 1.建立性別與足長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型：樣本X至總體G的馬氏距離為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于足跡圖像的性別特征分析的方法，其特征在于，包括如下步驟：
51. 對(duì)足跡圖像進(jìn)行多層壓力面提取；
52. 根據(jù)足跡的多層壓力面圖像，得到至少下述足跡形態(tài)結(jié)構(gòu)特征：足長(zhǎng)、足寬、各層 壓力面的面積；
53. 建立足跡形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與性別之間的數(shù)學(xué)模型，向該數(shù)學(xué)模型輸入上述形態(tài)結(jié)構(gòu) 特征，得到該足跡所有人的性別特征；具體步驟為： S3. 1.建立性別與足長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型：樣本x至總體G的馬氏距離為
其中：y和2分別為總體G的均值和協(xié)方差矩陣；x為足長(zhǎng)，男、女的足長(zhǎng)分別為服從 正態(tài)分布聚1(/^1,!7￡〕和~2(|^￡12-〕的總體Gi、G2，別為Gi、G2的均值，町、分別 為方差； 根據(jù)公式（1)計(jì)算得到測(cè)試足跡足長(zhǎng)到總體匕、62的距離dpdy
使用公式（2)，獲取足跡所有人的性別特征。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于足跡圖像的性別特征分析的方法，其特征在于，步驟 3. 1替換為： 建立性別與足跡的長(zhǎng)寬比的數(shù)學(xué)模型： 足跡的長(zhǎng)寬比r=足長(zhǎng)/足寬 （3) 男、女的足跡長(zhǎng)寬比分別為服從正態(tài)分布』V3(|t3/ff32〕:和馬〇4,ff42〕的總體G3、G4，其中 y3、y4分別為63、64的均值，〇32、〇4 2分別為63、64的方差；參考公式（1)計(jì)算得到測(cè)試足 跡長(zhǎng)寬比與總體G3、G4的馬氏距尚d3、d4;
(4) 使用公式（4)計(jì)算獲取足跡所有人的性別特征。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于足跡圖像的性別特征分析的方法，其特征在于，步驟 S3. 1替換為： 建立性別與多層壓力面相鄰層間壓力變化率的數(shù)學(xué)模型：記Spi= 1，2, . . .，n，為第i層的足跡壓力面的面積，相鄰層間的足跡壓力面的面積相對(duì)變化率為 ASi= (S^-S^/Sj,i= 1,2, . . . ,n-1 (5) 其變異系數(shù)為 cv= 〇 /y(6) 其中，y、〇分別為{AS)的均值和方差； 給定閾值T，變異系數(shù)cv大于閾值T，則判斷該足跡所有人為男性，否則判斷該足跡所 有人為女性。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于足跡圖像的性別特征分析的方法，其特征在于，步驟 S3. 1替換為： 使用權(quán)利要求1-3中各步驟的S3. 1，得到3個(gè)性別屬性，以0代表男性，1代表女性，計(jì) 算上述3種數(shù)學(xué)模型的性別屬性之和s，若s< 1，則判斷該足跡所有人為男性；否則，判斷 該足跡所有人為女性。
5. 如權(quán)利要求1或4所述的一種基于足跡圖像的性別特征分析的方法，其特征在于，步 驟S1中多層壓力面提取的步驟為： S1. 1.對(duì)赤足或穿襪足跡圖像預(yù)處理：將赤足或穿襪足跡圖像進(jìn)行濾波，該圖像濾波 的公式如下： I=F*G I(i，j) = 2m2nF(i，j)G(i-m，j-n) (7) 其中，*表示卷積，F(xiàn)表示原始穿鞋足跡圖像，G表示濾波器，I表示濾波后的足跡圖像， (i，j)表示當(dāng)前像素位置，m、n分別表示濾波窗口在x、y方向的大??； S1. 2?壓力面提取： S1. 2. 1.對(duì)預(yù)處理后的足跡圖像進(jìn)行雙邊濾波操作，可用如下公式表示：
其中，Wp是加權(quán)函數(shù)，定義如下
IF是雙邊濾波后的足跡圖像，I表示預(yù)處理步驟中濾波后的足跡圖像，x表示圖像I中 當(dāng)前像素的位置坐標(biāo)，D為以x為中心的當(dāng)前雙邊濾波窗口，f；是平滑亮度差異的值域核 函數(shù)，gz是平滑空間差異的空間核函數(shù)； 51. 2. 2.量化分級(jí)：首先對(duì)雙邊濾波后的足跡圖像進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換，從RGB空間轉(zhuǎn)換 到Lab空間；取亮度通道L，對(duì)其按照足跡壓力面層數(shù)n進(jìn)行量化；然后將Lab模式圖像再 轉(zhuǎn)換到RGB空間，得到足跡多層壓力面分布圖像； 其中：步驟S1. 1中的濾波器定義為：
其中，u、v是坐標(biāo)變量，〇是標(biāo)準(zhǔn)偏差。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種基于足跡圖像的人身特征分析的方法，其特征在于，步驟 S2中獲得足跡形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的方法為： 52. 1.建立足跡坐標(biāo)系：取多層壓力面分布圖像中的壓力最外層，做掌區(qū)和跟區(qū)的內(nèi)、 外兩側(cè)的公切線，設(shè)掌區(qū)、跟區(qū)的內(nèi)側(cè)最凸點(diǎn)分別為A、B，掌區(qū)、跟區(qū)的外側(cè)最凸點(diǎn)分別為 C、D，則兩公切線AB、CD的夾角的角平分線為足跡中心線，足跡中心線與跟區(qū)下緣的交點(diǎn)為 0,將足跡調(diào)整到其中心線豎直且腳尖向上，則在足跡所在平面中，以0為原點(diǎn)，以中心線為 Y軸，豎直向上為Y軸正方向，水平向右為X軸正方向，建立足跡坐標(biāo)系； S2. 2.計(jì)算足跡形態(tài)結(jié)構(gòu)特征：壓力面最外層的上緣凸點(diǎn)T，為赤足的拇趾前緣點(diǎn)，點(diǎn)T與原點(diǎn)0的連線在足跡中心線方向上投影的長(zhǎng)度為足長(zhǎng)； 掌區(qū)內(nèi)、外兩側(cè)最凸點(diǎn)的連線AC的長(zhǎng)度為足寬； 跟區(qū)內(nèi)、外兩側(cè)最凸點(diǎn)的連線BD的長(zhǎng)度為跟寬； 最外層足跡壓力面在線段AC、BD所夾的部分，且該部分內(nèi)外兩段輪廓在足跡中心線垂 直方向上的最短距離麗為弓寬a; 取足跡多層壓力面分布圖像中的次外層壓力面，得該層上的掌區(qū)壓力區(qū)域，該區(qū)域外 輪廓在足跡中心線方向上的最低點(diǎn)，為掌區(qū)壓力區(qū)域的下緣凸點(diǎn)S。
7. 如權(quán)利要求1或4所述的一種基于足跡圖像的性別特征分析的方法，其特征在于，步 驟S1中多層壓力面提取的步驟為： S1. 1.對(duì)穿鞋足跡圖像預(yù)處理：使用圖像濾波操作去除穿鞋足跡圖像中鞋底花紋的干 擾，濾波器的尺度根據(jù)花紋的尺寸自適應(yīng)地確定；步驟S1中，圖像濾波的公式如下： I=F*G I(i，j) = 2m2nF(i，j)G(i-m，j-n) (10) 其中，*表示卷積，F(xiàn)表示原始穿鞋足跡圖像，G表示濾波器，I表示濾波后的足跡圖像， (i，j)表示當(dāng)前像素位置，m、n分別表示濾波窗口在x、y方向的大小； 濾波器定義為：
其中，u、v是坐標(biāo)變量，〇是標(biāo)準(zhǔn)偏差； 自適應(yīng)確定濾波器尺度的方法為：首先將穿鞋足跡圖像進(jìn)行二值化操作，使穿鞋足跡 圖像中每個(gè)獨(dú)立花紋對(duì)應(yīng)于二值圖像中的一個(gè)對(duì)象；計(jì)算所有對(duì)象的面積，并去掉面積小 于穿鞋足跡圖像0.05%的對(duì)象，得到有效對(duì)象；計(jì)算每個(gè)有效對(duì)象的等效半徑，即與該對(duì) 象具有相同面積的圓的半徑，此半徑是表征該對(duì)象對(duì)應(yīng)花紋的形狀參數(shù)，取所有有效對(duì)象 等效半徑的平均值作為濾波器的尺度〇。 S1. 2.對(duì)自適應(yīng)濾波后的足跡圖像進(jìn)行雙邊濾波操作，用如下公式表示：
其中，Wp是加權(quán)函數(shù)，定義如下
IF是雙邊濾波后的足跡圖像，I表示自適應(yīng)濾波后的足跡圖像，x表示圖像I中當(dāng)前像 素的位置坐標(biāo)，D為以x為中心的當(dāng)前雙邊濾波窗口，f；是平滑亮度差異的值域核函數(shù)，gs 是平滑空間差異的空間核函數(shù)； 51. 3.量化分級(jí)：首先對(duì)雙邊濾波后的足跡圖像進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換，從RGB空間轉(zhuǎn)換到 Lab空間；取亮度通道L，對(duì)其按照足跡壓力面層數(shù)n進(jìn)行量化；然后將Lab模式圖像再轉(zhuǎn)換 到RGB空間，得到足跡多層壓力面分布圖像。
8. 如權(quán)利要求7所述的一種基于足跡圖像的人身特征分析的方法，其特征在于：步驟 S2中獲得足跡形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的方法為： 52. 1.建立足跡坐標(biāo)系：取多層壓力面分布圖像中的壓力最外層，做掌區(qū)和跟區(qū)的內(nèi)、 外兩側(cè)的公切線，設(shè)掌區(qū)、跟區(qū)的內(nèi)側(cè)最凸點(diǎn)分別為A、B，掌區(qū)、跟區(qū)的外側(cè)最凸點(diǎn)分別為C、D，則兩公切線AB、CD的夾角的角平分線為足跡中心線，足跡中心線與跟區(qū)下緣的交點(diǎn)為 0,將足跡調(diào)整到其中心線豎直且腳尖向上，則在足跡所在平面中，以0為原點(diǎn)，以中心線為 Y軸，豎直向上為Y軸正方向，水平向右為X軸正方向，建立足跡坐標(biāo)系； S2. 2.計(jì)算足跡形態(tài)結(jié)構(gòu)特征：由外向內(nèi)的次外層壓力面輪廓的最上緣凸點(diǎn)T，為赤足 的拇趾前緣點(diǎn)，點(diǎn)T與原點(diǎn)0的連線在足跡中心線方向上投影的長(zhǎng)度為足長(zhǎng)； 掌區(qū)內(nèi)、外兩側(cè)最凸點(diǎn)的連線AC的長(zhǎng)度為足寬； 跟區(qū)內(nèi)、外兩側(cè)最凸點(diǎn)的連線BD的長(zhǎng)度為跟寬； 最外層足跡壓力面在線段AC、BD所夾的部分，且該部分內(nèi)外兩段輪廓在足跡中心線垂 直方向上的最短距離麗為弓寬a; 取足跡多層壓力面分布圖像中由外向內(nèi)的第三層壓力面，得該層上的掌區(qū)壓力區(qū)域， 該區(qū)域外輪廓上與坐標(biāo)原點(diǎn)〇的垂直距離最近的點(diǎn)為掌區(qū)壓力區(qū)域的下緣凸點(diǎn)S。
9. 一種基于足跡圖像的性別特征分析的裝置，其特征在于，包括： 多層壓力面提取裝置，用于對(duì)足跡圖像進(jìn)行多層壓力面提??； 足跡形態(tài)結(jié)構(gòu)特征得到裝置：用于根據(jù)足跡的多層壓力面圖像，得到至少下述足跡形 態(tài)結(jié)構(gòu)特征：足長(zhǎng)、足寬、各層壓力面的面積； 數(shù)學(xué)模型建立與性別分析裝置，用于建立足跡形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與性別之間的數(shù)學(xué)模型， 向該數(shù)學(xué)模型輸入上述形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，得到該足跡所有人的性別特征。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于足跡圖像的性別特征分析的方法及裝置，屬于刑偵領(lǐng)域，包括如下步驟：S1.對(duì)足跡圖像進(jìn)行多層壓力面提??；S2.根據(jù)足跡的多層壓力面圖像，得到至少下述足跡形態(tài)結(jié)構(gòu)特征：足長(zhǎng)、足寬、各層壓力面的面積；S3.建立足跡形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與性別之間的數(shù)學(xué)模型，向該數(shù)學(xué)模型輸入上述形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，得到該足跡所有人的性別特征。發(fā)明對(duì)性別特征分析可自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)，性別特征分析穩(wěn)定、精確。
【IPC分類】G06K9-00, G06K9-46
【公開(kāi)號(hào)】CN104573678
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510058919
【發(fā)明人】陳偉卿, 何曉光, 金瑋
【申請(qǐng)人】大連恒銳科技股份有限公司
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年2月3日