可見(jiàn)光譜成像技術(shù)在手印顯現(xiàn)中的應(yīng)用

齊宇頌，彭 穎，張明輝，劉鳳燕

（廣東警官學(xué)院，廣東 廣州 510725）

引言

光譜成像是一種結(jié)合光譜分析和數(shù)字成像的快速檢測(cè)技術(shù)，在光譜和空間兩個(gè)方面對(duì)樣品目標(biāo)進(jìn)行分析和識(shí)別，具有靈敏、快速、無(wú)損檢驗(yàn)等特點(diǎn)，直觀(guān)地描述不同成分在物質(zhì)中的分布情況，在物證檢驗(yàn)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

指紋具有人各不同、終身基本不變的特性，是一種認(rèn)定價(jià)值很高的生物識(shí)別證據(jù)。對(duì)手印檢材的顯現(xiàn)長(zhǎng)期采用物理或化學(xué)顯現(xiàn)方法，這種用單一且屬有損的顯現(xiàn)方法有時(shí)不能取得理想的效果，有的甚至毫無(wú)效果，還會(huì)破壞檢材，影響后續(xù)顯現(xiàn)和干擾DNA等其他物證技術(shù)的操作。因此，手印顯現(xiàn)的研究方向應(yīng)立足于開(kāi)發(fā)無(wú)損且更靈敏有效的顯現(xiàn)方法，并結(jié)合微量物證檢驗(yàn)、DNA檢驗(yàn)等其他物證檢驗(yàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)潛在手印中更多信息的獲取和利用[1-2]。2003年Exline等人[3]首次公開(kāi)提出將可見(jiàn)光譜成像系統(tǒng)用于物證檢驗(yàn)，并進(jìn)行了一系列的研究，自此手印檢驗(yàn)中應(yīng)用光譜圖像技術(shù)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，日益得到專(zhuān)家們的關(guān)注和認(rèn)可，并已成功應(yīng)用于一些實(shí)際的案例中。

一、基本原理

可見(jiàn)光譜成像系統(tǒng)，是利用液晶可調(diào)濾光片的雙折射效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種光譜成像技術(shù)，通過(guò)在可見(jiàn)光光譜波段內(nèi)進(jìn)行連續(xù)光譜調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)畫(huà)幅式光譜成像，獲取高光譜分辨率和高空間分辨率的光譜圖像。光譜成像在成像方式上，可分為直接成像方法和間接成像方法，前者主要記錄被檢驗(yàn)物體，在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的多個(gè)窄波段單色光的反射光亮度分布或熒光亮度分布，獲得由單色像構(gòu)成的光譜影像集；后者通過(guò)掃描面陣CCD圖像傳感器的每個(gè)像元，得到大量光譜和圖像的數(shù)據(jù)，再采用圖像重構(gòu)的方法得到光譜立方體。光譜立方體由二維空間和一維波長(zhǎng)構(gòu)成的三維數(shù)據(jù)陣，選擇一個(gè)獨(dú)立的像素可以得到樣品所有空間點(diǎn)對(duì)應(yīng)像素的光譜信息，選擇一個(gè)像平面可以得到樣品在某一特定波長(zhǎng)下的圖像信息，如圖1所示[4]。光譜成像根據(jù)分辨率的不同，分為多光譜圖像、高光譜圖像和超光譜圖像，多光譜圖像的光譜分辨率在100nm左右；高光譜圖像的光譜分辨率在10nm左右；超光譜圖像的光譜分辨率小于1nm。窄帶光譜成像能夠細(xì)致地表征物質(zhì)的成像差異,避免某個(gè)波段的信息差異被其他波長(zhǎng)的成像信息所掩蓋。

圖1 光譜成像的三維數(shù)據(jù)示意圖

二、可見(jiàn)光譜成像系統(tǒng)

可見(jiàn)光譜成像系統(tǒng)，它包括光源系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、圖像成像及記錄系統(tǒng)、圖像分析及處理系統(tǒng)等幾個(gè)部分，由光學(xué)物鏡、液晶可調(diào)濾光片（LCTF）、CCD照相機(jī)、光源和計(jì)算機(jī)等裝置構(gòu)成，其核心器件是液晶可調(diào)濾光片，它的功能類(lèi)似于一個(gè)高質(zhì)量的帶通式干涉濾光鏡。隨著電控液晶調(diào)節(jié)方法的采用，解決了通光面內(nèi)的均勻性、峰值光譜透過(guò)率以及帶外抑制等問(wèn)題，體現(xiàn)出精度高、易于實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)光譜成像技術(shù)的應(yīng)用起到了積極的推動(dòng)作用。

可見(jiàn)光譜成像系統(tǒng)的商業(yè)儀器，主要有美國(guó)CRI公司的Nuance多光譜成像儀和美國(guó)ChemImage公司的Condor高光譜成像系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)光譜工作范圍是410nm～720nm，光譜分辨率小于10nm，成像視場(chǎng)約為260mmx 250mm，并通過(guò)光學(xué)元件來(lái)增大視場(chǎng)。此外，國(guó)內(nèi)徐曉軒[6]、沈志學(xué)[7]等人也設(shè)計(jì)并研制出了具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高空間分辨率和較高光譜分辨率的可見(jiàn)光液晶光譜成像系統(tǒng)。

三、光譜圖像數(shù)據(jù)的處理與分析

光譜圖像數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)，是消除光譜圖像中背景和噪聲的影響，通過(guò)提取有效像素點(diǎn)識(shí)別出具有相似光譜特征的圖像區(qū)域，并將分類(lèi)和識(shí)別的結(jié)果轉(zhuǎn)化為可視的化學(xué)組成分布圖，以提高光譜圖像的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性。光譜圖像分析的目的，是獲得能夠最好地反映物證形態(tài)特征的結(jié)果影像，主要有以下幾種方法：

濾波法：因?yàn)樵胍粼诠庾V立方體中亮度隨波長(zhǎng)的改變不明顯，比較每幅單色影像，找出能夠最有效顯示有用形態(tài)細(xì)節(jié)的單色影像作為結(jié)果影像，這種方法簡(jiǎn)單易行，但較費(fèi)時(shí)，且容易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。

像素點(diǎn)定位法：在能明確區(qū)別手印物質(zhì)區(qū)域和背景物質(zhì)區(qū)域的單色圖像上，分別選取手印物質(zhì)的有效像素點(diǎn)和背景物質(zhì)的有效像素點(diǎn)，將兩者的光譜亮度曲線(xiàn)進(jìn)行疊加，然后選擇它們之間差異最大波段的單色影像作為結(jié)果影像，就可以使痕跡與背景之間呈現(xiàn)盡可能大的亮度反差。這種方法適用于化學(xué)成分不同但背景與紋線(xiàn)同色的手印樣品，如紅色背景上的血手印，見(jiàn)圖2。

圖2 光譜圖像的像素點(diǎn)定位分析法

分類(lèi)法：測(cè)量光譜影像中某個(gè)位置痕跡物質(zhì)的光譜亮度曲線(xiàn)，通過(guò)軟件程序，將影像中具有相似光譜亮度曲線(xiàn)的所有物質(zhì)歸類(lèi)，并定義為一種顏色或亮度，將與其光譜診斷曲線(xiàn)相差較大的坐標(biāo)點(diǎn)歸于異類(lèi)物質(zhì)，定義為反差較大的另一種顏色或亮度。這種方法可以使色調(diào)深淺不一但光譜性質(zhì)相近的痕跡物質(zhì)，呈現(xiàn)一致的色調(diào)并與背景呈現(xiàn)較大反差，同時(shí)還有助于消除色調(diào)均勻一致的背景干擾。

去混合法：將不含手印物質(zhì)的光譜圖像作為背景光譜，利用分析軟件將手印物質(zhì)和背景物質(zhì)所產(chǎn)生的混合光譜中的背景光譜去除,留下痕跡物質(zhì)相對(duì)單一的光譜,如圖3所示，目前的光譜分析軟件，可以處理多達(dá)在3種背景顏色上的痕跡去混合。在去混合的分析過(guò)程中，像素點(diǎn)的選擇有一定的技巧，背景應(yīng)選擇反差最大處，而手印宜以中等亮度為準(zhǔn)[8]。

圖3 光譜圖像的去混合分析法

去混合-分類(lèi)聯(lián)用法：將去混合后的紋線(xiàn)光譜定義為一種顏色，而將去混合后不同顏色的背景光譜定義為與紋線(xiàn)顏色反差較大的同一種顏色。這種方法能增大微弱痕跡與背景的反差，適合于微弱手印和復(fù)雜背景手印的顯現(xiàn)提取。

四、可見(jiàn)光譜成像系統(tǒng)在手印顯現(xiàn)中的應(yīng)用

光譜成像，可以利用每個(gè)像點(diǎn)的光譜信息進(jìn)行多種增強(qiáng)處理，從而使光譜成像的影像增強(qiáng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的影像處理方法。因此，在不破壞檢材的情況下進(jìn)行客體上遺留手印的拍攝、對(duì)經(jīng)化學(xué)試劑顯現(xiàn)后的微弱手印的增強(qiáng)，以及消除復(fù)雜背景對(duì)手印紋線(xiàn)的干擾等方面，光譜成像技術(shù)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

悉尼科技大學(xué)Payne等人，[9]比較研究了ChemImage公司的Condor光譜成像系統(tǒng)與常規(guī)數(shù)字成像方法，對(duì)滲透性和非滲透性客體材料上的汗?jié)撌钟　FO顯現(xiàn)手印、茚三酮顯現(xiàn)手印、“502”膠顯現(xiàn)及其染色處理后的手印在可視化上的區(qū)別，同時(shí)對(duì)不同手印光譜成像的數(shù)據(jù)分析與處理流程進(jìn)行了研究與探討。結(jié)果表明，可見(jiàn)光譜成像技術(shù)在微弱紋線(xiàn)特征手印及復(fù)雜背景手印的顯現(xiàn)與增強(qiáng)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

公安部王桂強(qiáng)、黃威研究小組使用CRI公司的Nuancemacro光譜成像儀，對(duì)玻璃、紙張等不同紅色背景上的血手印以及復(fù)印紙上的微弱印油手印進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。利用紋線(xiàn)中血跡與背景物質(zhì)化學(xué)成分上的巨大差異，采用分類(lèi)與去混合聯(lián)用的方法使二者區(qū)分開(kāi)來(lái)，尤其是干涸血手印，光譜成像顯示出了靈敏、便捷的優(yōu)點(diǎn)。此外，針對(duì)復(fù)印紙上的微弱印油手印，采用去混合方法可以形成反差明顯的深色背景上的淺色紋線(xiàn)圖像，相比于傳統(tǒng)的藍(lán)綠光分色照相和熒光照相，提供了一種有效的新方法。

杭州公安局于2008年引入可見(jiàn)光譜成像系統(tǒng)，并在實(shí)際案例中進(jìn)行了初步的嘗試[10]。對(duì)于兇殺案件中塑料包裝紙上多色背景干擾的血手印，利用光譜影像處理軟件直接翻看單幅影像，520nm的影像可滿(mǎn)足檢驗(yàn)要求。這對(duì)未知光譜性質(zhì)物質(zhì)檢材上的手印，光譜成像技術(shù)的拍攝效果優(yōu)于常規(guī)分光照相方法。在另一起兇殺案件中的塑料開(kāi)關(guān)面板上的潛血手印，若采用紫外反射技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)拍攝，面板上留有的陳舊潛汗手印會(huì)干擾目標(biāo)手印的顯現(xiàn)固定，而利用光譜成像技術(shù)，結(jié)合分類(lèi)處理分析方法，可取得較為滿(mǎn)意的效果。

茚三酮法顯現(xiàn)滲透性客體上潛在汗液手印，是目前公安基層業(yè)務(wù)部門(mén)普遍使用的一種方法，但顯現(xiàn)的手印易受背景的干擾，反差效果弱。上海市公安局物證鑒定中心黃曉春等人[11]利用Nuance-macro光譜成像儀采集茚三酮顯現(xiàn)手印的光譜影像集，選擇恰當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)點(diǎn)，運(yùn)用光譜影像分析軟件去混合分析方法對(duì)手印圖像進(jìn)行優(yōu)化處理，可以減弱背景干擾，增強(qiáng)圖像反差，使部分潛在紋線(xiàn)顯現(xiàn)出來(lái)，從而形成一種適用于提取茚三酮顯現(xiàn)手印的圖像優(yōu)化方法。

五、結(jié)語(yǔ)

可見(jiàn)光譜成像技術(shù)作為一種新的物證檢驗(yàn)技術(shù)，既能通過(guò)光譜分析對(duì)物體表面上的各種物質(zhì)進(jìn)行比對(duì)鑒別，又能顯示被比對(duì)物質(zhì)的圖像分布形態(tài)，具有樣品處理便捷、直接成像無(wú)損、成像靈敏度高等特點(diǎn)，已經(jīng)成為物證檢驗(yàn)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)課題。而且隨著光譜成像硬件、軟件成本的不斷下降,以及光譜圖像數(shù)據(jù)處理算法的不斷改進(jìn),可見(jiàn)光譜成像技術(shù)必將發(fā)揮更大的作用，進(jìn)一步推動(dòng)刑事科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

目前在手印檢驗(yàn)中應(yīng)用可見(jiàn)光譜成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在運(yùn)用光譜成像技術(shù)對(duì)常見(jiàn)客體上汗?jié)撌钟〉臒o(wú)損拍攝，同色背景上微弱色差手印的檢驗(yàn)拍攝，化學(xué)試劑顯現(xiàn)后微弱手印或微弱區(qū)域的增強(qiáng)處理，消除或減弱復(fù)雜背景對(duì)手印紋線(xiàn)的影響和干擾。但是，根據(jù)檢材的特點(diǎn)選用不同的方法進(jìn)行后期影像的分析處理，是手印顯現(xiàn)中應(yīng)用可見(jiàn)光譜成像技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而這需要在實(shí)踐中不斷加以摸索和總結(jié)。此外，深度挖掘現(xiàn)場(chǎng)手印的痕跡信息，提高手印的應(yīng)用價(jià)值，為偵查提供更多線(xiàn)索，也是拓展光譜成像技術(shù)在手印檢驗(yàn)中應(yīng)用的研究方向。

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