應(yīng)用光譜成像技術(shù)顯現(xiàn)和增強(qiáng)指紋的研究*

黃威 羅旭東

1.公安部物證鑒定中心 2.廣州星博科儀有限公司

一、引言

光譜成像技術(shù)是近年來物證鑒定領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)方向之一，這項(xiàng)技術(shù)能夠在記錄物證空間分布狀態(tài)的同時(shí)，充分挖掘和利用不同物質(zhì)自身特有的光譜信息，實(shí)現(xiàn)對痕跡物證定性定量定位信息的全面檢驗(yàn)。通過成像光譜儀記錄被檢驗(yàn)物體在一定光譜范圍內(nèi)密集均勻分布的多個(gè)窄波段單色光的反射光亮度分布或熒光亮度分布，形成由許多單色光影像構(gòu)成的光譜影像集。王桂強(qiáng)研究員于2004年在國內(nèi)最早對光譜成像技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了理論研究（如圖1所示）[1]。由于激發(fā)光源、濾波器件、信號接收器件等關(guān)鍵設(shè)備的差異，光譜成像技術(shù)可以根據(jù)光譜響應(yīng)范圍大致劃分為紫外波段光譜成像技術(shù)、可見波段光譜成像技術(shù)以及紅外波段光譜成像技術(shù)?；诓煌ǘ喂庾V成像技術(shù)的特點(diǎn)和性能，研究潛在指紋的顯現(xiàn)方法以及增強(qiáng)肉眼難以分辨的微弱指紋，是國內(nèi)外法庭科學(xué)工作者共同關(guān)心的問題之一。

二、國內(nèi)外研究動態(tài)

國外研究人員于上世紀(jì)90年代中期就開始有意識地將光譜成像技術(shù)應(yīng)用于物證鑒定領(lǐng)域[2]，但由于技術(shù)方法和儀器設(shè)備性能所限，所取得的研究結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用具有一定的差距。隨著陣列檢測器、高效濾光鏡特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，進(jìn)入本世紀(jì)后，各國物證鑒定研究人員重新認(rèn)識了光譜成像檢驗(yàn)技術(shù)的巨大潛力。2003年澳大利亞的Claude Roux等人[3]使用液晶可調(diào)波長濾光鏡（LCTF）光譜成像裝置進(jìn)行了顯現(xiàn)指印紋線的初步實(shí)驗(yàn)研究，成為物證鑒定領(lǐng)域廣泛研究光譜成像檢驗(yàn)技術(shù)的開端。隨后，David L．Exline等[4]使用LCTF配合可見熒光方法檢驗(yàn)了10美元假鈔上的汗?jié)撝讣y，與傳統(tǒng)光學(xué)檢驗(yàn)方法相比，指印紋線顯現(xiàn)質(zhì)量有很大提高。Edward G．Bartick等[5]率先使用FTIR光譜成像方法根據(jù)脂肪酸、酯、蛋白質(zhì)氨基酸等多種人體大量分泌的化學(xué)物質(zhì)顯現(xiàn)指印紋線。

我國物證鑒定科研人員基于窄波段分色照相技術(shù)，根據(jù)不同痕跡物證的光譜特征，使用單色儀作為輸出光源，配合單色光濾色鏡，在顯現(xiàn)和增強(qiáng)指紋方面，已經(jīng)開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，所應(yīng)用的理論和技術(shù)方法與光譜成像技術(shù)具有很高的關(guān)聯(lián)性和相似性，為我國物證鑒定領(lǐng)域開展光譜成像技術(shù)研究提供了堅(jiān)實(shí)的科研基礎(chǔ)。公安部物證鑒定中心在“十一五”和“十二五”國家科技支撐計(jì)劃期間先后承擔(dān)了“光譜成像與圖像檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究”、“物證檢驗(yàn)與溯源關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)”兩項(xiàng)科研課題，深入系統(tǒng)地研究了應(yīng)用光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)痕跡物證的新方法與新思路。其中，由公安部物證鑒定中心與武漢大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的“物證鑒定成像光譜影像分析軟件”（MISystem2.0）被認(rèn)定為具有國際先進(jìn)水平的科研成果，于2012年獲得公安部科技進(jìn)步二等獎。經(jīng)過研究人員的不懈努力，光譜成像技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用于研究，逐漸得到了越來越多刑事技術(shù)專家的關(guān)注和認(rèn)可，特別是在指紋顯現(xiàn)與增強(qiáng)技術(shù)中的應(yīng)用，一直是各項(xiàng)研究工作的重點(diǎn)。

三、主要研究成果

（一）應(yīng)用可見波段光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)指紋

在可見光譜范圍（400nm～720nm），我國的科研技術(shù)人員已經(jīng)總結(jié)歸納了比較成熟的針對指紋等痕跡物證的光譜成像檢驗(yàn)技術(shù)方法[6]，成功消除了指紋下簽字筆字跡的干擾[7]，解決了消除指紋復(fù)雜背景這一類的技術(shù)難題（圖2）。在顯現(xiàn)深色客體表面的血指紋（圖3）、增強(qiáng)微弱茚三酮指紋（圖4）等方面，可見光譜成像技術(shù)也顯示出了明顯的優(yōu)勢。可見波段光譜成像技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于各種有色指紋的增強(qiáng)和顯現(xiàn)工作，在文件檢驗(yàn)工作中也有比較好的檢驗(yàn)效果。在使用可見波段光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)指紋等痕跡物證的過程中，最重要的要點(diǎn)是選取能夠代表痕跡物證的光譜基準(zhǔn)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明選擇物質(zhì)濃度低的區(qū)域作為光譜基準(zhǔn)點(diǎn)對光譜成像識別該種物質(zhì)的處理效果優(yōu)于選擇物質(zhì)濃度高的區(qū)域作為光譜基準(zhǔn)點(diǎn)的處理效果。若待檢樣本有明確光譜信息，需要消除成像范圍內(nèi)背景及其他噪聲對待檢樣本的干擾，如不同化學(xué)成分物質(zhì)鑒別、微量物證搜尋與定位，應(yīng)選擇成分單一、濃度較低的目標(biāo)物質(zhì)區(qū)域作為光譜基準(zhǔn)點(diǎn)。另一方面，廣泛選取各種濃度區(qū)域的同種物質(zhì)作為光譜基準(zhǔn)點(diǎn)識別該種物質(zhì)的處理效果最好。若待驗(yàn)樣本表面形態(tài)模糊不清，需要增強(qiáng)反差以最大限度反映樣本形態(tài)特征，如增強(qiáng)指紋等，應(yīng)充分選擇不同濃度目標(biāo)物質(zhì)區(qū)域作為光譜基準(zhǔn)點(diǎn)。

（二）應(yīng)用紅外波段光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)指紋

各種痕跡物質(zhì)在紅外波段具有更加豐富的光譜信息，從理論上分析，光譜成像技術(shù)在此波段具有更高的檢驗(yàn)?zāi)芰ΑＤ壳耙呀?jīng)開展的研究工作主要包括應(yīng)用近紅外光譜成像技術(shù)（650nm～950nm）顯現(xiàn)滲透性客體表面潛在油污指紋（圖5），非滲透性客體表面化妝品指紋（圖6）等，均已取得比較理想的效果。在中紅外波段（400cm-1～4000cm-1）光譜成像技術(shù)顯示出區(qū)分不同物質(zhì)成分的巨大優(yōu)勢，為檢驗(yàn)指紋表面殘留物質(zhì)，推斷指紋供體特征提供了豐富的信息（圖7）。紅外波段光譜成像技術(shù)的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展空間，尤其為痕跡物證供體特征判斷提供了新的思路和方法。受制紅外光譜成像儀檢測器和接收器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，目前傅里葉紅外光譜成像技術(shù)對于檢材的平整度要求比較高，是今后研究工作的重點(diǎn)方向。

（三）應(yīng)用紫外波段光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)指紋

我國法庭科學(xué)領(lǐng)域在紫外照相技術(shù)方面一直處于國際領(lǐng)先地位，如何使光譜成像技術(shù)與紫外照相技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮更大的作用，是我國刑事影像技術(shù)人員不斷努力的方向[8,9]。通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，技術(shù)人員使用SpectroCamTM轉(zhuǎn)輪式全波段CCD光譜成像物證分析儀，已經(jīng)成功解決了紫外光譜區(qū)存在色差的技術(shù)難題，在消除指紋復(fù)雜背景干擾等方面取得了比較理想的顯現(xiàn)效果（圖8）。紫外波段光譜成像技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于檢驗(yàn)未經(jīng)處理的潛在指紋，特別在顯現(xiàn)滲透性客體表面潛在指紋方面具有明顯優(yōu)勢，也能夠?yàn)榇_定指紋遺留物質(zhì)在紫外光譜范圍的光學(xué)特征提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)資料。在操作中，需要對激發(fā)光源進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證所得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

四、研究展望

光譜成像技術(shù)是法庭科學(xué)領(lǐng)域新興的研究方向和內(nèi)容，通過已有的研究表明，這項(xiàng)技術(shù)能夠?yàn)槲镒C鑒定工作提供更加豐富的物理化學(xué)信息，尤其在指紋的顯現(xiàn)和增強(qiáng)檢驗(yàn)工作中，與傳統(tǒng)光學(xué)方法相比，具有明顯的優(yōu)勢。在今后的科研工作以及實(shí)際辦案應(yīng)用過程中，紫外多光譜成像技術(shù)，將發(fā)揮出越來越重要的作用；紅外光譜成像技術(shù)則可以為判斷指紋供體特征提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)信息，使法庭科學(xué)的檢驗(yàn)方法由單一物證檢驗(yàn)向多學(xué)科專業(yè)融合檢驗(yàn)方向發(fā)展，分析方法由圖形比對向圖譜共同認(rèn)定方向發(fā)展。今后應(yīng)重點(diǎn)研究光譜成像儀器設(shè)備的國產(chǎn)替代化，早日實(shí)現(xiàn)光譜成像技術(shù)在各級刑事技術(shù)部門的全面推廣與應(yīng)用。

[1]王桂強(qiáng).光譜成像檢驗(yàn)技術(shù).刑事技術(shù),2004,1:7-12.

[2]Mercado AG, Janni J, Gilbert B．Image Analysis of Explosives Fingerprint Contamination Using a Raman Imaging Spectrometer.[J]Proc Soc Photo Opt Instrum Eng, 1995,2511:142152.

[3]David L．Exline, Christie Wallace, Claude Roux, etc．Forensic Applications of Chemical Imaging: Latent Fingerprint Detection Using Visible Absorption and Luminescence [J]．J Forensic Sci,2003, 48(5):1-7.

[4]David L．Exline, Rebecca L．Schuler, Patrick J．Treado, etc.Improved Fingerprint Visualization Using Luminescence and Visible Reflectance Chemical Imaging [J]．Forensic Science Communications, 2003, 5(3):37-46.

[5]Bartick E, Schwartz R, Bhargava R, Schaeberle M, Fernandez D,Levin I．Spectrochemical Analysis and Hyperspectral Imaging of Latent Fingerprints．In: Baccino E, editor．Proceedings of the 16th Meeting of the International Association of Forensic Sciences; 2002 September 27; Montpellier, France．Bologna, Italy:Monduzzi Editore, IPD, 2002:6164.

[6]Huang Wei, Wang Guiqiang, Xu Xiaojing, etc．Research on Selecting Region of Interest in the Application of Spectral Imaging in Forensic Science [J]．Advanced Materials Research,2011,174: 89-92.

[7]黃威,許小京,俞濤等．應(yīng)用光譜成像技術(shù)消除捺印指印下簽字筆背景實(shí)驗(yàn)研究.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版),2008,46(6):1164-1170.

[8]Huang Wei, Yang Zhichao, Xu Xiaojing, etc．Potential Fingerprints Detection Using UV Spectral Imaging [J]．Proc．of SPIE, 2012, 8558(09):1-7.

[9]Huang Wei, Xu Xiaojing, Wang Guiqiang．Detection of Latent Fingerprints by Ultraviolet Spectral Imaging [J]．Proc．of SPIE, 2013,9044(45): 1-9.