多光譜成像系統在指紋分析中的應用研究

胡 帥張前上顧 燁李 炳沈強達張 青

（1.江蘇警官學院，江蘇 南京210031；2.江蘇省公安廳，江蘇 南京210024）

0 引言

長久以來，指紋分析技術一直是執法機構及法醫學家在犯罪證據解析中采用的重要手段[1]。隨著刑事科學技術的發展，指紋分析技術已經發展成為一門涉及物理、化學、生物等多學科領域的綜合性專業技術。指紋分析作為刑事偵查過程中一個環節，極其重要，能否及時準確地采集到清晰有效的指紋將直接影響到指紋的比對以及整個偵查破案的方向。而傳統的物理、化學等指紋顯現方法在具體實踐中仍存在諸多弊端，特別是粗糙表面及混色客體表面上的指紋用物理方法較難顯現清楚[2]。為了最大限度地提高指紋的采集率和利用率，實驗人員將利用多光譜成像系統對指紋進行分析研究。

多光譜成像是通過多光譜成像儀記錄被檢物體在一定光譜范圍內密集均勻分布的多個窄波段單色光的反色光亮度分布或熒光亮度分布，形成由許多單色光構成的影像集[3]。通過對采集的多光譜影像集進行圖像分析與處理，可以對潛在、微弱指紋進行有效地顯現和增強。將多光譜成像技術應用于物證形態檢驗特別是指紋分析領域是近年來國內外法庭科學工作者共同關心和研究的問題之一，相信多光譜成像技術的出現及其突出優勢將使痕跡檢驗學的發展進入一個嶄新的階段。

1 實驗器材和方法

1.1 實驗裝置

美國CRi Nuance多光譜細胞成像系統：波長范圍：450-950nm，帶寬：20nm，光學組件：60mm焦距鏡頭，CCD：2/3in，像素：130萬像素，獲取影像時間：3-5s。

惠普HPZ2000 Workstation臺式電腦。

美國CRi NuanceTMImaging System Version2.10.0軟件。

1.2 實驗方法

為配合多光譜成像儀的使用，CRI目前共開發了2種分析方法（classify）和去混合方法（unmix）。這2種方法都是以CCD照相機所采集的光譜影像集為分析對象，基于光譜影像集合成后得到的偽彩色圖像（與數碼照相機記錄影像效果相同），根據各個像點在不同波長上亮度值的不同進行分析。這2種方法只能對光譜影像集進行分析，對于單色亮度影像則只能通過對RGB值、亮度、對比度的調整來使圖像質量有所提高[4]。

實驗中采用用鹵鎢燈均勻照明方法；曝光時間由CRI專用軟件測定；光圈設置為8；起始波長為450nm,終止波長為950nm,波長步進為10nm；連續曝光。

2 實驗內容

2.1 不同顏色的粗糙單色卡紙表面紅色印泥指紋的顯現增強實驗

2.1.1 樣本的采集在粗糙紅色卡紙、淡藍色卡紙表面各輕按捺一枚紅色印泥指紋，置于室內（溫度約20℃，濕度約50%），存放時間為2-3d。

2.1.2 實驗步驟

將粗糙紅色卡紙表面紅色印泥指紋、淡藍色卡紙表面印泥指紋樣本分別置于多光譜成像儀CCD相機視野中進行對焦曝光，獲得RGB原圖；調節波長450-950mm,步長10mm，再次對樣本進行曝光，對顯示屏所成像圖進行顏色賦值：指紋處賦黑色，背景紅色卡紙、淡藍色卡紙分別賦白色，用分類方法分別得出一組圖片，選取顯現效果最佳的一張作為現圖。

2.2 不同顏色的單色透明塑料板表面紅色印泥指紋的顯現增強實驗

2.2.1 樣本的采集

在紅色透明塑料板、黃色透明塑料板表面各輕按捺一枚紅色印泥指紋，置于室內（溫度約20℃，濕度約50%），存放時間為2-3d。

2.2.2 實驗步驟

將紅色透明塑料板表面紅色印泥指紋、黃色透明塑料板表面紅色印泥指紋樣本分別置于多光譜成像儀CCD相機視野中進行對焦曝光，獲得RGB原圖；調節波長450-950mm,步長10mm，再次對樣本進行曝光，對顯示屏所成像圖進行顏色賦值：對于印有紅色印泥的紅色塑料板樣本，指紋處賦黑色，背景紅色透明塑料板賦白色，用分類方法分別得出一組圖片，選取顯現效果最佳的一張作為現圖；對于印有紅色印泥的黃色塑料板樣本，指紋處賦白色，背景黃色透明塑料板賦黑色，用分類方法分別得出一組圖片，選取顯現效果最佳的一張作為現圖。

2.3 光滑紅色卡紙上暗紅色果汁指紋的顯現增強實驗

2.3.1 樣本的采集

用手指蘸取少量暗紅色果汁，稍干后在光滑紅色卡紙上輕按捺一枚指紋，置于室內（溫度約20℃，濕度約60%），存放時間為1d。

2.3.2 實驗步驟

將樣本置于多光譜成像儀CCD相機視野中進行對焦曝光，獲得RGB原圖；調節波長450-950mm,步長10mm，再次對樣本進行曝光，對顯示屏所成像圖進行顏色賦值：指紋處賦黑色，背景紅色卡紙賦白色，用分類方法得出一組圖片，選取顯現效果最佳的一張作為現圖。

2.4 《江蘇警官學院院報》紙表面紅色印泥指紋的顯現增強實驗（具體：淡黃色底、紅色欄目字體、紅色印泥指紋）

2.4.1 樣本的采集

在該報紙上（如圖所示位置）輕按捺一枚紅色印泥指紋，置于室內（溫度約15℃，濕度約58%）約2h。

2.4.2 實驗步驟

將樣本置于多光譜成像儀CCD相機視野中進行對焦曝光，獲得RGB原圖；調節波長450-950mm,步長5mm,再次對樣本進行曝光,對顯示屏所成像圖進行顏色賦值：紅色欄目字與指紋重疊處賦黑色，紅色欄目字賦黃色，結果色設粉紅色，用去混合方法得出一組圖片，選取顯現效果最佳的一張作為現圖。

3 實驗結果與討論

實驗結果

3.1 不同顏色的粗糙單色卡紙表面紅色印泥指紋的顯現增強實驗結果

粗糙紅色卡紙表面模糊紅色印泥指紋樣本在多光譜成像系統的操作下，紅色印泥指紋與紅色卡紙背景能被很好地區別開來，生成白底黑色指紋圖且指紋顯現較清晰，見圖1、圖2；粗糙淡藍色卡紙表面紅色印泥指紋樣本在多光譜成像系統的操作下，部分不清晰的指紋紋路能被清晰顯現，生成黑底白色指紋圖且顯現出的指紋特征明顯，見圖3、圖4。

圖1 粗糙紅色卡紙表面紅色印泥指紋RGB原圖

圖2 粗糙紅色卡紙表面紅色印泥指紋經多光譜成像系統顯現增強圖

圖3 粗糙淡藍色卡紙表面紅色印泥指紋RGB原圖

圖4 粗糙淡藍色卡紙表面紅色印泥指紋經多光譜成像系統顯現增強圖

3.2 不同顏色的單色透明塑料板表面紅色印泥指紋的顯現增強實驗結果

紅色透明塑料板表面紅色印泥指紋樣本在多光譜成像系統的操作下，紅色印泥指紋紅色透明塑料板背景能被很好地區別開來，生成十分清晰且特征明顯的黑底白指紋圖，見圖5、圖6；在黃色透明塑料板表面紅色印泥指紋樣本的RGB原圖中，大部分紅色指紋紋路模糊，該樣本在多光譜成像系統的操作下，模糊的紅色指紋紋路能被清晰顯現，生成特征較明顯的黑底白指紋圖，見圖7、圖8。

圖5 紅色透明塑料板表面紅色印泥指紋RGB原圖

圖6 紅色透明塑料板表面紅色印泥指紋經多光譜成像系統顯現增強圖

圖7 黃色透明塑料板表面紅色印泥指紋RGB原圖

圖8 黃色透明塑料板表面紅色印泥指紋經多光譜成像系統顯現增強圖

3.3 光滑紅色卡紙上暗紅色果汁指紋的顯現增強實驗結果

起初，用肉眼觀察光滑紅色卡紙表面暗紅色果汁指紋樣本，暗紅色果汁指紋與光滑紅色卡紙背景“融為一體”，無法對其進行區分，但該樣本在多光譜成像系統的操作下，暗紅色果汁指紋與光滑紅色卡紙背景能被很好地區別開來，排除了樣本背景的干擾，生成白底黑色指紋圖且指紋紋路清晰、特征明顯，見圖9、圖10。

圖9 光滑紅色卡紙表面暗紅色果汁指紋RGB原圖

圖10 光滑紅色卡紙表面暗紅色果汁指紋經多光譜成像系統顯現增強圖

3.4 《江蘇警官學院院報》紙表面紅色印泥指紋的顯現增強實驗結果

樣本中的紅色印泥指紋在多光譜成像系統的操作下，能排除淡黃色、紅色報紙背景的雙重干擾，特別是紅色欄目字背景與紅色印泥指紋能被很好地區別開來，生成特征明顯白底灰指紋圖，指紋紋路清晰完整，見圖11、圖12。

圖11 紅—淡黃混色紙張表面潛在的紅色印泥指紋RGB原圖

圖12 紅—淡黃混色紙張表面潛在的紅色印泥指紋經多光譜成像系統顯現增強圖

實驗1中粗糙紅色卡紙表面紅色印泥指紋的顯現增強，實驗2中紅色透明塑料板表面紅色印泥指紋的顯現增強以及實驗3中光滑紅色卡紙表面暗紅色果汁指紋的顯現增強實驗，均表明，雖然指紋顏色與背景顏色相同或相似，但由于紅色印泥或暗紅色果汁均與紅色背景的成分不同，所以兩類物質像點光譜曲線必然不同，應用分類方法，多光譜成像儀能將指紋和背景呈現出較大的反差，達到指紋顯現的理想效果。相似地，實驗1中粗糙淡藍色卡紙表面紅色印泥指紋的顯現增強，實驗2中黃色透明塑料板表面紅色印泥指紋的顯現增強也表明，由于指紋與背景的成分、顏色均有較大差異，所以樣本在多光譜成像儀的分析下所得出的光譜曲線存在著十分明顯的差異，模糊指紋更易于得到清晰顯現。

實驗4中《江蘇警官學院院報》紙上紅色印泥指紋的顯現增強表明，采用去混合的分析方法，復雜背景表面的指紋雖然已經得到顯現，但是效果較微弱，指紋顯現并不是十分理想。實驗中需要時刻調整各成分物質顏色的賦值，使指紋與復雜背景形成強烈的反差，從而去除背景，使指紋清晰可見。

大量實驗證明，顏色賦值要有所選擇，需要經過不斷的調整和總結進行校準以獲取指紋顯現的最佳效果。

同時，實驗人員還可以發現，多光譜成像系統能夠廣泛應用于檢驗未經處理的潛在指紋，無論對滲透性客體表面潛在指紋的顯現，還是對非滲透性客體表面潛在指紋的顯現，多光譜成像系統均顯示出突出的優勢。

4 實驗結論

在實驗過程中，實驗人員成功運用了分類及去混合兩大分析方法和鹵鎢燈均勻照明方法。分類分析方法操作簡單、方便，對于肉眼難以分辨的同種顏色不同物質有較靈敏的區分效果[5]，適用于顯現單色客體表面潛在指紋，分析結果直觀，說服力很強；去混合分析方法可克服系統自帶軟件自身的缺陷，對復雜客體表面潛在指紋進行較為理想的分析，雖然對操作具有較高的要求，但分析結果精確，特別對顯現模糊指紋有較好的效果。鹵鎢燈均勻照明方法能最大限度地減少物質反射光空間分布差異對光譜特征的影響[6]，增強實驗效果。

多光譜成像系統可以對多種滲透性或非滲透性客體表面潛在指紋進行顯現增強。從指紋的顯現時間、精確度、利用率等方面考慮，利用多光譜成像系統分析指紋較傳統指紋分析方法體現出巨大優勢。因而，多光譜成像系統的出現使指紋分析技術變得更為科學精準，大大推動了刑事科學技術的發展。

［1］岳楨干.美國ChemImage公司制成用于指紋分析的高光譜成像系統[J].紅外,2009,12:44.

［2］孟慶霞,李洪,龐其昌,王瑋東.可視多光譜指紋檢測系統設計[J].暨南大學學報:自然科學版,2005,26（5）:1000-9965（2005）05-0642-04.

［3］王桂強.光譜成像檢驗技術[J].刑事技術,2004,1:7-12.

［4］王桂強.刑事影像新體系[J].刑事技術,2003,5:30-35.

［5］黃威,王桂強.光譜成像在物證檢驗中的初步實驗研究[J].刑事技術,2006,2:3-7.

［6］黃威,王桂強.光譜成像在物證檢驗中的初步實驗研究[J].刑事技術,2006,2:3-7.