基于相位敏感譜域光學(xué)相干層析術(shù)的潛指紋獲取方法*

鮑 文 丁志華 王 川 梅勝濤

(浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗室，杭州 310027)

(2012年6月24日收到;2013年1月30日收到修改稿)

1 引言

指紋具有特異性和穩(wěn)定性特點(diǎn)，利用物體表面遺留的指紋，通過科學(xué)鑒定，可以直接認(rèn)定遺留指紋的具體人[1]，所以指紋被稱為“證據(jù)之首”.但是，隨著形勢的發(fā)展和犯罪手段的日趨改變，近幾年來，在我們接觸到的實(shí)際案件中很少遇到條件較好的指紋，更多見的是條件較差的潛指紋.由于其對比度低、變化大、面積小、特征少且不穩(wěn)定，給檢驗工作帶來了很大困難.現(xiàn)有提取潛指紋的方法大多操作繁瑣且精度不高[2-4].所以在世界范圍內(nèi)，潛指紋的探測仍然是一個被重點(diǎn)關(guān)注的研究課題[5].

獲取物體表面遺留指紋的方法可分為物理方法、化學(xué)方法、光學(xué)方法三大類.最常用、最方便的方法是物理方法中的粉末法.即用玻璃纖維刷或毛刷將各種粉末刷到指紋區(qū)域，其通過物理機(jī)械或靜電作用與乳突紋線上的指紋殘留物發(fā)生吸附，從而顯出遺留指紋[6].然而，用粉末刷刷顯指紋時，容易對指紋紋線造成破壞，并且刷顯時粉末顆粒懸浮于空氣中，容易進(jìn)入呼吸道，對工作者造成較大的毒副作用，且粉末法提取過程慢，現(xiàn)場會留有痕跡，可能會影響偵查.化學(xué)方法主要有碘熏法、茚三酮法等，有過程繁瑣、指紋顯現(xiàn)效果不好等缺陷.現(xiàn)行的光學(xué)指紋獲取方法主要為紫外光照射法，其對遺留指紋圖案的光學(xué)對比度要求較高，而且，紫外線會對指紋顆粒中的DNA等成分有損壞，對后續(xù)偵查有一定影響[7-9].

光學(xué)相干層析術(shù)[10,11](opticalcoherence tomography，OCT)是一種非侵入、非接觸微米級分辨率的成像技術(shù)，它基于光學(xué)相干門來獲得組織內(nèi)部的層析結(jié)構(gòu).SD-OCT是第二代OCT技術(shù)，相比第一代時域OCT技術(shù)，在成像速度、信噪比和靈敏度等方面具有明顯優(yōu)勢[12,13]，在眼科成像領(lǐng)域已發(fā)揮重要作用.由于OCT系統(tǒng)能夠?qū)ι锝M織進(jìn)行高分辨率的實(shí)時在體成像，所以原則上可以用OCT系統(tǒng)直接對手指成像[14]，得到手指的三維結(jié)構(gòu)圖像，實(shí)現(xiàn)三維指紋信息的獲取.但將OCT技術(shù)直接用于潛指紋信息獲取的研究則鮮有報道.

本文報道一種基于SD-OCT相位信息提取光滑物體表面遺留指紋的方法.利用希爾伯特(Hilbert)變換提取干涉光譜的相位信息，并經(jīng)相位解包裹等處理，得到指紋的“高度”信息，從而實(shí)現(xiàn)指紋的顯現(xiàn).

2 方法

本文采用的SD-OCT系統(tǒng)原理圖如圖1所示.寬帶光源的光經(jīng)耦合器分光分別抵達(dá)參考臂和樣品臂，從參考臂和樣品臂返回的光在耦合器匯合并發(fā)生干涉，該干涉信號在快速光譜儀中被分為對應(yīng)于不同波長的干涉光譜信號，由線陣CCD接收.

圖1中樣品部分的放大圖顯示了光滑物體表面遺留指紋圖案中指紋點(diǎn)與非指紋點(diǎn)對入射樣品光的不同反射情況.在闡述本文的方法之前，我們先來了解一下光滑物體表面遺留指紋圖案的特征.圖2為利用共焦顯微鏡(OLS4000)采集得到的玻璃平板上刻意留下的指紋圖案.可以看出，因乳突紋線上的指紋殘留物遺留在玻璃平板上，形成了與指紋圖案相對應(yīng)的高度分布.如果要能探測到這種高度分布就能確定指紋的特征，但由于指紋殘留的油脂顆粒尺度在微米量級(如圖中標(biāo)注的顆粒高度為1.5μm)，現(xiàn)行SD-OCT系統(tǒng)的軸向分辨率很難區(qū)分這種細(xì)微高差.因此，基于OCT結(jié)構(gòu)圖像的方法不能實(shí)現(xiàn)遺留指紋的識別.

圖1 SD-OCT系統(tǒng)圖

圖2 OLS4000共聚焦顯微鏡采集的指紋圖案

鑒于指紋遺留物與其所在光滑表面共處于OCT軸向分辨單元內(nèi)，無法從結(jié)構(gòu)圖像中分辨出這種細(xì)節(jié)，但指紋點(diǎn)處的等效組合反射面與非指紋點(diǎn)處的單一反射面對應(yīng)的干涉相位不同，為此，本文采用相位信息來獲取遺留指紋圖案的等效高差分布.

光譜儀探測到的干涉光譜可表達(dá)為

這里k為波數(shù)，S(k)為寬帶光源的光譜強(qiáng)度，ρR和ρS分別為參考臂和樣品臂的反射系數(shù)，Δd是參考臂和樣品臂的光程差，由它來表征光滑表面遺留指紋圖案的高差分布，θ為兩干涉臂的初始相位差.

(1)式中第一項為參考臂反射光光強(qiáng)，第二項為樣品臂反射光光強(qiáng)，第三項為參考臂和樣品臂的干涉項，包含了相位信息，去直流項后得到干涉項

故Δd可通過擬合φ-k曲線后，求其斜率得到.需要指出：指紋遺留物與其所處表面的反射率不同，所以基于等效組合反射面相位信息得到的高度并非油脂顆粒的實(shí)際高度，但這并不影響遺留指紋圖案的正確提取

圖3展示了表面輪廓等效高度測量的光譜相位提取過程.圖3(a)為從玻璃樣品表面特定位置處返回樣品光與參考光的干涉光譜，(b)為去除直流項后的干涉光譜，(c)為對(b)實(shí)施Hilbert變換得到的局部相位分布圖，(d)為對(c)解包裹后的相位.對解包裹后的相位進(jìn)行直線擬合，擬合直線的斜率即與探測點(diǎn)的等效高度相對應(yīng).利用OCT探頭對遺留指紋所在的表面進(jìn)行二維掃描，即可獲得指紋的等效高度分布圖，由此便可提取出指紋圖案.

圖3 表面輪廓等效高度測量的光譜相位提取過程 (a)對應(yīng)于玻璃平板表面的干涉光譜;(b)去除直流項后的干涉光譜;(c)包裹相位(局部放大);(d)解包裹后相位(局部放大)

3 實(shí)驗

實(shí)驗采用本實(shí)驗室已建立的835 nm中心波段的SD-OCT系統(tǒng).該系統(tǒng)的光譜分辨率為0.0674 nm，軸向掃描 (A-scan)速度為 29 kHz，軸向分辨率為7.5μm，最大成像深度為2.56 mm，最大信噪比為115 dB.

待測量指紋樣品如圖4所示，它由Canon DS126231 相機(jī)拍攝得到，可以看出，(a)，(b)，(c)的對比度由大到小.

圖 4 3個對比度不同的指紋樣品 (a)，(b)，(c)為 Canon DS126231相機(jī)拍攝的對比度從大到小的玻璃表面指紋圖樣

圖5 樣品干涉光譜 (a)為樣品表面兩個點(diǎn)的干涉光譜;(b)為(a)中非指紋點(diǎn)干涉光譜的局部放大圖;(c)為指紋點(diǎn)干涉光譜的局部放大圖

下面先以圖4(a)的指紋為例，分析指紋點(diǎn)的干涉光譜和相位.圖5(a)為圖4(a)中典型指紋點(diǎn)與非指紋點(diǎn)的干涉光譜，紅色為典型非指紋點(diǎn)的干涉光譜，即玻璃平板的干涉光譜，藍(lán)色為典型指紋點(diǎn)的干涉光譜，由局部放大圖5(b)，(c)可以看出指紋點(diǎn)由于存在指紋油脂顆粒散射等因素，干涉光譜較為混亂.

干涉光譜去掉直流項后進(jìn)行Hilbert變換即得相位信息，如圖6所示，(a)，(b)分別為玻璃表面指紋點(diǎn)和非指紋點(diǎn)的相位信息，顯然指紋點(diǎn)的相位比非指紋點(diǎn)的相位混亂得多;然后，對相位信息解包裹，得到圖7所示解包裹相位曲線和擬合直線，可見指紋點(diǎn)由于指紋顆粒散射和相位泄漏等因素導(dǎo)致曲線線性度很差，這是指紋點(diǎn)與非指紋點(diǎn)的區(qū)別，得到擬合直線斜率即可對應(yīng)得到前文所述的遺留指紋采樣點(diǎn)的等效高度.整個平面的高差圖即為遺留指紋圖案，如圖8(a)所示.

圖6 兩個探測點(diǎn)的相位信息 (a)指紋點(diǎn)的相位信息(局部放大);(b)非指紋點(diǎn)的相位信息(局部放大)

為了證明相位方法獲取指紋信息的敏感性，我們針對圖4中三個不同對比度的遺留指紋，分別通過上述相位方法得到指紋圖案，如圖8(a)，(b)，(c)所示.

由此可見相機(jī)下對比度很低的遺留指紋利用SD-OCT相位提取方法，也能高對比重建指紋圖案因此，SD-OCT相位方法是重現(xiàn)潛指紋的潛在技術(shù).

圖7 解包裹后的相位(局部放大)

圖8 基于相位方法重建的指紋圖案 (a)，(b)，(c)分別對應(yīng)圖4(a)，(b)，(c)中的方框區(qū)域

4 結(jié)論

本文提出了一種提取并重建光滑表面遺留指紋的新方法，即利用SD-OCT系統(tǒng)的相位敏感性得到光滑表面上遺留的指紋信息，該方法可以避免指紋表面的破壞和對工作者造成的毒副作用，也不會在取樣表面留下痕跡，是一種非接觸式的無損檢測技術(shù)，不會對后續(xù)的進(jìn)一步偵查產(chǎn)生任何負(fù)面影響.該方法基于SD-OCT的相位敏感性，使用希爾伯特變換對去直流干涉光譜進(jìn)行處理得到相位信息，對相位解包裹并直線擬合基于擬合，直線的斜率提取等效高度信息，進(jìn)而形成指紋圖案.實(shí)驗結(jié)果表明，利用該方法可以高質(zhì)量重建低光學(xué)對比度的潛指紋，即利用OCT系統(tǒng)干涉光譜相位的敏感性可以對潛指紋進(jìn)行對比度的有效增強(qiáng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)潛指紋的準(zhǔn)確識別.

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