隱性字跡的快速光譜顯現與高光譜分類技術研究

李云鵬，代雪晶，王 猛，王 丹，高 毅，王鳴久，師鑫林，李明澤

中國刑事警察學院，遼寧 沈陽 110854

引 言

隱性字跡的無損光學顯現是司法文件檢驗鑒定中的難題，其中最典型的三類隱性字跡是擦除、密寫、掩蓋字跡。隱性字跡顯現的一般原理是根據隱性字跡的光致發光特性或在某波段的吸收和反射特性不同，形成字跡與紙張的亮度反差進而顯現字跡形態。但當前對不同類型隱性字跡的顯現方法研究中[1-4]，大多使用激光、多波段光源入射檢材，然后通過切換濾光片進行嘗試性顯現的方法進行研究。較少通過字跡光譜特性與微觀形貌對字跡顯現機理進行深入分析，因而實際文件檢驗工作中隱性字跡顯現效率與檢驗精度均不高。

可擦筆擦除字跡常見于票據等文件的造假。Chayal等[5]采用312～365 nm紫外波段對支票上的熱敏墨水擦除字跡進行顯現，并采用-10 ℃低溫重新使擦除字跡上色恢復擦除字跡。Ghazy等[6]比較了可擦墨水和消失墨水之間的差異，對兩種墨水的時間穩定性、表面形貌，以及化學成分進行了深入分析。Eldebss等[7]研究可擦墨水的形態、成分，及其筆劃和線條特點，并采用紅外成像的方法對其進行顯現；密寫字跡主要采用特制的不可見墨水進行書寫[8]。Sushma Upadhyay等[9]研究了果汁、蔬菜汁密寫字跡的物理和化學顯現方法。楊玉柱等[10]對白色A4紙表面遺留的“醋+檸檬”密寫字跡、“醋+蔥汁”密寫字跡、小蘇打水密寫字跡等隱性字跡進行了無損光學顯現，經過一系列實驗對比分析，得出采用445 nm激光光致發光可以比較廣泛的顯現隱性字跡；在掩蓋與涂抹字跡的顯現研究方面，Pandey[11]采用VSC-6000型文檢儀，配合LED聚光燈和投光燈在掩蓋字跡的顯現中得到較好的效果，并使用文檢儀對擦除字跡和消退字跡的顯現進行了研究。侯進令等[12]分別采用反射光譜成像技術對黑色簽字筆涂抹掩蓋字跡的提取效率進行了研究。

為提高擦除、密寫、掩蓋三類隱性字跡的檢驗效率與分類精度。提出兩種方法：(1)采用熒光分光光度計與紫外-可見-近紅外分光光度計對不同種類字跡進行了光譜特性分析，并采用350倍光學顯微鏡對隱性字跡微觀形貌進行觀測，據此對三類字跡的顯現機理進行深入分析，提出一種無損、高效的隱性字跡光學顯現方法。(2)采用基于液晶可調諧濾光器(liquid crystal tunable filter，LCTF)的高光譜成像儀采集字跡高光譜圖像，并采用支持向量機(support vector machines, SVM)分類算法分析光譜圖像，實現三類不同隱性字跡的同時顯現與分類，并得到較高顯現效率與分類精度。前者對環境和設備要求低，適合現場臨場顯現與檢驗；后者要求暗環境和高光譜成像設備，適合實驗室顯現與檢驗。

1 實驗部分

1.1 隱性字跡的樣品

擦除字跡、密寫字跡、掩蓋字跡顯現方法的樣品，詳情如表1所示。

表1 三類隱性字跡樣品明細

擦除字跡采用熱敏可擦筆進行實驗。熱敏可擦筆的原理是熱敏反應[13]，字跡經摩擦生熱后發生油墨分離，顏色變為透明。分別選用市面常見的兩種熱敏可擦筆晨光AKP61115和百樂LFBK-23EF-B進行實驗。密寫字跡一般采用無色熒光筆或者無色果汁進行密寫，本工作采用昂彩隱形熒光筆AS9和檸檬汁進行實驗。掩蓋字跡的樣本采用晨光中性筆AGP13608涂抹覆蓋百樂走珠筆V5書寫的字跡，進行百樂走珠筆字跡的顯現。此外，還準備有寶克中性筆PC-880、白雪走珠筆PVN-166、得力記號筆6824、奧德美可擦筆GP-3106。

1.2 字跡的熒光光譜與反射光譜測量

采用美國Agilent公司生產的Cary Eclipse型熒光分光光度計檢測字跡的熒光和發射光譜。激發狹縫為5 nm、發射狹縫為5 nm，PMT電壓為550 V。采用PerkinElmer Lambda1050+紫外-可見-近紅外分光光度計進行樣品的反射和透射光譜測量。

1.3 字跡的顯現設備

基于佳能60D開發的獵鷹紅紫外數碼相機1臺；多波段光源1套，光源波段：365, 415, 440, 465, 490, 515, 540, 565, 590和615 nm；濾光片中心波長分別是365, 700, 730, 800, 850和950 nm。

1.4 字跡的微觀形貌表征

字跡微觀形貌的表征采用日本HIROX三維數字顯微鏡RX-100。

1.5 高光譜成像與分類

采用成像光譜儀對字跡進行光譜成像。成像光譜儀型號：美國Cambridge Research & Instrumentation，Inc.(CRI)公司Nuance Multispecreal Imaging System；液晶可調波長濾光鏡(LCTF)，波段范圍：420～720 nm，最小間隔波長1 nm；配備有科學級CCD數字照相機，具體參數為：140萬像素，像元大小：6.45 μm。

采用ENVI光譜圖像處理軟件處理光譜圖像，采集不同特征點的光譜曲線，并用監督分類方法中支持向量機分類器對擦除字跡、密寫字跡、掩蓋字跡三類字跡進行顯現與分類。

2 隱性字跡顯現與光譜分析

2.1 熱敏可擦筆字跡的顯現與光譜分析

熱敏可擦筆的原理是熱敏反應，這種筆油墨有三種成分：生色材料、顯色劑和變色溫度調整劑。常溫時，生色材料和顯色劑結合，字跡正常顯示油墨顏色。當油墨因摩擦溫度升高到40 ℃以上時，溫度調整劑會抑制生色材料和顯色劑的結合，油墨顏色在生色材料和顯色劑分離時消失。如圖1(a)和(d)為擦除前的字跡，經過橡皮摩擦生熱后字跡消失，如圖1(b)和(e)所示。

圖1 百樂、晨光熱敏可擦筆字跡擦除前(a),(d); 擦除后(b),(e)；熒光顯現效果(c),(f)

為有效顯現擦除字跡，采用Cary Eclipse型熒光分光光度計對兩種品牌字跡的激發和熒光光譜進行測量。如圖2所示，熱敏可擦筆的熒光譜中心波長主要是716 nm，采用716 nm進行監測，得到的熱敏可擦筆激發譜中主要有三個激發波長：255, 335和367 nm。從圖2可以看到，在相同的測試參數下，百樂的激發譜和熒光譜強度均高于晨光，但中心波長峰位一致，說明兩種可擦筆油墨的主要成分是一致的，可以采用相同顯現方法進行顯現。常用的紫外光源主要有254和365 nm兩個波長，本實驗選用365 nm作為激發光源，紅紫外相機配合730 nm濾光片進行成像。得到熒光字跡顯現效果如圖1(c)和(f)所示，兩個樣本均呈現“暗背景、亮字跡”的顯現效果，百樂可擦筆由于熒光強度更強，得到字跡反差效果更明顯。由于熱敏可擦筆的擦除字跡的原理并不是去除有色油墨，而是通過摩擦生熱讓顯色劑失效，所以字跡經過橡皮摩擦變色后，油墨仍滲透于紙張之內，經過365 nm紫外光激發可產生強烈熒光。采用HIROX三維數字顯微鏡觀測字跡的擦除位置，如圖3(a)所示為筆跡擦除和未擦除交界位置的顯微照片，擦除位置仍可觀測到滲透入紙張內未充分變色的油墨，其他擦除油墨已經完全變為透明色。如圖3(b)所示為墨跡完全擦除區域的微觀形貌，可見油墨基本變為透明色，局部位置還有沒有變色的墨跡點。

圖2 熱敏可擦筆的激發譜與熒光譜，激發譜是在716 nm監測下測量的，熒光譜是在365 nm光源激發下測量的

圖3 筆跡后半段被擦除位置微觀形貌(a)，擦除筆跡位置的微觀形貌(b)，顯微鏡350倍放大

2.2 密寫字跡的顯現與光譜分析

常見密寫字跡主要使用檸檬汁、蔥汁等水果蔬菜汁液，以及熒光筆、小蘇打水等化學藥劑[10]，這類藥劑也叫不可見墨水，被用于情報傳遞或者賭場中對卡牌進行標記[11，14]。本工作主要研究檸檬汁和熒光筆兩種密寫字跡的顯現方法。檸檬汁和熒光筆的墨跡在可見光下是透明的，如圖4(a)和(c)分別為昂彩密寫筆字跡原貌、檸檬汁字跡原貌，兩種字跡用肉眼無法直接觀測。

為有效顯現密寫字跡，采用熒光分光光度計對兩種字跡的激發和熒光光譜進行測量。如圖5(a)所示，黑色曲線為昂彩密寫筆447 nm檢測下激發譜，從300～400 nm長波紫外波段，都可以產生較強的熒光，紅色曲線為365 nm激發下密寫筆的熒光譜，其熒光范圍主要分布在400～500 nm，熒光中心波長為447 nm。根據上述光譜曲線研究，選用365 nm作為激發光對昂彩AS9密寫筆進行光學顯現，采用450 nm濾光片觀測，如圖4(b)所示，字跡可以清晰顯現出來。

圖4 昂彩筆跡原貌(a)，昂彩筆跡熒光顯現(b)；檸檬汁字跡原貌(c)，檸檬汁字跡熒光顯現(d)

值得注意的是，與正常光致發光攝影“暗背景亮字跡”的現象不同，該檢材是“亮背景暗字跡”，這是因為白紙在紫外光激發下會產生強烈熒光，如圖5(a)藍色曲線所示，白紙在365 nm激發下在400～500 nm產生強烈熒光，且熒光強度是字跡熒光強度的2.5倍，因而熒光顯現為“亮背景暗字跡”。檸檬汁與白紙在365 nm的熒光曲線如圖5(b)所示，檸檬汁在700～740 nm有較強的熒光，而白紙在這一波段范圍并沒有熒光，因此采用365 nm紫外光源激發，使用730 nm濾光片成像可以有效的對檸檬汁密寫字跡進行顯現，如圖4(d)所示，“暗背景亮字跡”的“檸檬汁”三個字清晰可見。此外，采用長波紫外反射成像的方式對檸檬汁字跡進行顯現也可以得到較好的效果。如圖6(a)所示為檸檬汁和白紙在250～700 nm波段的反射譜，可見白紙和檸檬汁在250～420 nm波段反射率差異較大，采用365 nm長波紫外成像，可以有效顯現檸檬汁字跡，如圖6(c)所示，該方法與光致發光方法得到的圖4(d)比較，紫外反射成像字跡反差效果略遜于光致發光攝影。此外，圖6(c)右側略暗是因為光源在檢材一側照射造成的，檢材近光源的一側光強會較強，遠光源的一側會暗一些。

圖5 昂彩密寫筆和白紙的熒光激發譜和熒光發射譜(監測波長447 nm，激發波長365 nm)

圖6 白紙與檸檬汁的反射光譜(a)，檸檬汁字跡原貌(b)，365 nm波長激發與觀測下，檸檬汁字跡(c)

2.3 掩蓋字跡的顯現與光譜分析

對于同色涂抹掩蓋字跡，由于不同字跡的顏色、成分、理化特性較為接近，所以該類字跡的檢驗鑒定一直是文件檢驗領域的難題，國內外學者對不同品牌涂抹字跡的光譜顯現進行了深入研究[15]，但較少通過分析字跡光譜特性來研究掩蓋字跡的顯現機理。本工作對晨光中性筆AGP13608和百樂走珠筆V5兩種黑色簽字筆進行了研究。圖7(a)為晨光中性筆AGP13608所書寫字跡原貌，采用百樂走珠筆V5進行涂抹掩蓋，掩蓋后字跡如圖7(b)所示，字跡覆蓋后肉眼對字跡完全無法分辨。采用HIROX三維數字顯微鏡對圖7(b)紅色圈所標記位置進行觀測，如圖8所示，兩種字跡完全混合在一起滲入紙纖維中無法分辨，常規方法很難將兩種字跡分離。

圖7 晨光字跡原貌(a)，百樂掩蓋后(b)，紅外850 nm顯現(c)

圖8 掩蓋字跡顯微鏡×350倍局部放大

采用分光光度計對晨光中性筆、百樂走珠筆等6種不同品牌黑色簽字筆墨跡進行了250～2 500 nm透過率測試。圖9(a)為不同墨跡涂抹在玻璃片上的樣品所測得的通過率曲線，如圖9(a)所示，6種筆在250～700 nm透過率均在10%以下，所以在可見光范圍內所有筆的墨跡均呈現黑色。但在700～2 500 nm紅外波段，百樂走珠筆、白雪走珠筆、得力記號筆、奧德美可擦筆透過率均在60%，百樂走珠筆在該波段的透過率甚至接近100%，說明上述墨跡對于700～2 500 nm紅外線來說是透明或半透明的。而晨光中性筆與寶克中性筆在700～2 500 nm波段透過率均在20%以下，晨光中性筆在250～2 500 nm的透過率甚至接近0%，說明中性筆墨跡對250～2 500 nm波段范圍內的光均強烈吸收。

圖9 玻璃上不同品牌筆墨跡樣品透過率曲線(a)，紙上不同品牌筆墨跡樣品反射率曲線(b)

圖9(b)為上述6個不同品牌筆的墨跡在紙樣品上的反射率曲線，該曲線和圖9(a)玻璃上透過率曲線規律十分相似。6種筆在250～700 nm的反射率均較低。700～2 500 nm紅外線穿過百樂走珠筆、白雪走珠筆、得力記號筆、奧德美可擦筆4種筆的字跡后到紙上幾乎完全反射回來，因此這四種筆在700～2 500 nm紅外波段有較高的反射率，在1 500 nm之后反射率有所波動和下降是原因為白紙對大于1 500 nm波段的光波有所吸收。晨光和寶克中性筆依然在250～2 500 nm波段反射率低于20%。其中晨光中性筆在紙上反射率相對于在玻璃上透過率有所提升，這是因為晨光中性筆在紙上涂抹沒有完全覆蓋白紙所致。

綜上所述，中性筆墨跡強烈吸收遠紫外-可見光-近紅外波段光線，而走珠筆、記號筆、可擦筆等黑色簽字筆在近紅外波段有“透明窗口”。因此基于中性筆和其他筆在近紅外波段的吸收和反射性能不同，可以對不同類型的掩蓋字跡進行近紅外波段成像顯現。對百樂走珠筆所掩蓋的晨光中性筆字跡，采用700～2 500 nm波段的紅外成像均可以有效顯現。如圖7(c)所示，采用鎢絲燈光源，配合850 nm濾光片成像，晨光中性筆字跡得以有效顯現。此外，如果同種筆掩蓋的字跡，被掩蓋字跡和掩蓋字跡對紅外線的吸收反射是一樣的，因此無法有效顯現被掩蓋的字跡。

3 基于高光譜成像的隱性字跡分類

第2節中所述擦除、密寫、掩蓋三類隱性字跡的顯現主要是采用“多波段光源+干涉濾光片”的攝影方法，這種方法經濟、實用，對現場環境要求不高，適合現場臨場顯現與檢驗。但是對不同字跡需要切換不同的攝影方法，無法用一種方法實現不同類別隱性字跡的同時顯現，效率較低。為解決這一問題，采用基于LCTF的高光譜成像技術配合SVM分類算法對可擦筆擦出字跡、熒光密寫筆、檸檬汁三種不可見字跡進行同時顯現與分類。

3.1 隱性字跡光譜圖像采集與光譜曲線提取

高光譜技術由于獲得的物質光譜信息更為豐富，常用于指紋等痕跡物證的檢驗[16-17]。本工作將高光譜技術用于隱性字跡的檢驗，如圖10(a)所示為LCTF成像光譜儀與控制終端，配備光源為4個鎢絲燈，并配備一個紫外光源補充紫外光。圖11(a)所示三個箭頭所指示位置分別為晨光可擦筆擦出字跡、昂彩密寫筆字跡、檸檬汁字跡的原貌。采用成像光譜儀對該區域隱性字跡進行光譜圖像采集，400～720 nm每隔5 nm采集1張光譜圖像，共采集65張光譜圖像。根據樣品的高光譜圖像數據，采集不同字跡位置的光譜亮度曲線，如圖10(b)所示，白紙、昂彩密寫筆、檸檬汁光譜曲線重合度較高、差異較小，晨光可擦筆與寫指示箭頭的碳素筆光譜差異較大。

圖10 LCTF成像光譜儀(a)，不同種類字跡的光譜曲線(b)

3.2 隱性字跡光譜分類

采用ENVI光譜數據分析軟件對光譜圖像進行分析，以對不同隱性字跡進行分類顯現。文獻[18]采用ENVI軟件通過主成分分析等分類算法實現了對篡改字跡的檢測。本文采用監督分類-支持向量機算法(SVM)對三類隱性字跡進行顯現與分類。首先，將3.1中采集的高光譜圖像作為樣本導入，根據圖像光譜特征，通過人工判讀把圖像中的區域分為晨光可擦筆、昂彩密寫筆、檸檬汁、碳素筆、白紙5個類別。

然后，通過繪制多邊形ROI區域進行訓練樣本的選取，并對不同成分ROI區域進行顏色定義。最后，采用SVM算法對高光譜圖像進行分類，如圖11(b)，三種隱性字跡得以同時顯現。計算出不同樣本的可分離度，這個參數的取值范圍在0～2.0之間，大于1.9說明樣本可分離性好，1.8～1.9范圍間說明樣本可分離性合格，小于1.8說明樣本可分離性不高。如表2所示，圖像中不同字跡得成對成分分離度均大于1.8，除白紙與晨光可擦筆擦出字跡外其他材質的成分分離度均接近2，說明所采用的基于LCTF光譜儀的字跡分類方法可以對隱性字跡進行高效顯現與分類。

圖11 晨光可擦筆擦出字跡、昂彩密寫筆字跡、檸檬汁字跡(a)，基于高光譜圖像的分類結果(b)

表2 成對成分分離度

3.3 結果精度分析

為定量分析“高光譜圖像+SVM算法”對隱性字跡的分類精度，要對分類結果進行驗證。結果驗證時選擇驗證樣本ROI樣本位置要重新選擇，不可與分類樣本重合，再采用混淆矩陣的方法驗證本分類精度。混淆矩陣以矩陣的形式羅列出對各個成分分類結果的精度，如表3所示。用戶精度指圖像像素被正確分到A類的總數(對角線值)與分類器將整個圖像的像素分為A類的像素總數(混淆矩陣中A類行的總和)之比，本方法得到的用戶精度中只有晨光字跡的分類精度較低85.66%，其中310像素被錯誤分類到白紙，其余成分分類精度都在95%以上。生產者精度是指分類器將整個圖像的像素正確分為A類的像素數(對角線值)與A類真實參考總數(混淆矩陣中A類列的總和)之比，生產者精度中檸檬汁、晨光可擦筆的分類精度較低為92%左右，其余成分均在98%以上。從圖10(b)中不同種類字跡的光譜曲線即可看出，晨光可擦筆、檸檬汁、白紙的光譜曲線重合較多，因而這三類成分的分類精度略低。總精度等于被正確分類的像素數與總像素數之比，經計算可得本方法的分類總精度為99.284 4%。Kappa系數反映了真實像素與分類像素的一致程度，本方法分類的Kappa系數為0.959 1。因此，所提出的“高光譜圖像+SVM算法”可以對不同種類隱性字跡進行同時顯現和高精度區分。

表3 精度評價

4 結 論

對可擦筆擦除字跡、密寫字跡、掩蓋字跡三類隱性字跡的光譜特性、顯現與分類的研究，結論如下：

(1)可擦筆擦除字跡的研究中，晨光、百樂等可擦筆熱敏可擦筆的激發譜主要有三個激發波長255, 335和367 nm，熒光譜中心波長主要是716 nm，故選用365 nm作為激發光源，配合730 nm濾光片進行成像，可有效顯現晨光和百樂可擦筆的擦除字跡，百樂筆由于熒光強度更強，得到字跡反差效果更明顯。

(2)熒光筆、檸檬汁等密寫字跡的研究中，昂彩密寫筆激發波長為354 nm，熒光波長為447 nm，選用365 nm作為激發光源，采用450 nm濾光片觀測，字跡可以有效顯現，但白紙在紫外光激發下會產生強烈熒光，所以最終顯現為“亮背景暗字跡”。檸檬汁在365 nm激發下，產生熒光的中心波長為716 nm。此外，由于檸檬汁對200～400 nm紫外線有較強的吸收，采用365 nm進行長波紫外攝影也可以有效顯現檸檬汁密寫字跡。

(3)掩蓋字跡的研究中，在700～2 500 nm紅外波段，走珠筆、記號筆、可擦筆字跡透過率在60%以上，中性筆字跡透過率在20%以下。因此，可以根據不同筆跡在近紅外波段的透射和反射率差異，實現掩蓋字跡顯現。采用近紅外波段850 nm成像有效顯現了百樂走珠筆所覆蓋的晨光中性筆字跡。

(4)基于LCTF的高光譜成像技術對可擦筆擦出字跡、熒光密寫筆、檸檬汁三種不可見字跡在400～720 nm范圍進行光譜圖像采集，通過SVM分類算法對圖像中不同筆跡成分進行同時顯現與分類，本方法的分類總精度為99.284 4%，Kappa系數為0.959 1。

綜上所述，在隱性字跡的顯現研究中，對于可擦簽字筆、熒光筆、檸檬汁等不可見字跡采用365 nm長波紫外線進行檢驗是首選方法，而對于掩蓋字跡采用近紅外成像的方式進行顯現效果顯著。在隱性字跡的分類研究中，本文所提出的基于高光譜成像的SVM分類方法可以對可擦筆擦出字跡、熒光密寫筆、檸檬汁三種隱性字跡實現同時顯現與分類，該方法可以快速、高效的對隱性字跡進行顯現，并且有較高的分類精度，在未來有廣闊的應用前景。但由于時間有限，本文所采集的隱性字跡樣本還不夠豐富，后續工作中，會進一步建立隱性字跡樣本光譜庫，實現隱性字跡的智能化顯現與分類識別。