可見光譜成像技術(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]首次公開提出將可見光譜成像系統(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)器視覺系統(tǒng)，日益得到專家們的關(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)，通過在可見光光譜波段內(nèi)進(jìn)行連續(xù)光譜調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)畫幅式光譜成像，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、可見光譜成像系統(tǒng)

可見光譜成像系統(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、峰值光譜透過率以及帶外抑制等問題，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同色的手印樣品，如紅色背景上的血手印，見圖2。

圖2 光譜圖像的像素點(diǎn)定位分析法

分類法：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，通過軟件程序，將影像中具有相似光譜亮度曲線的所有物質(zhì)歸類，并定義為一種顏色或亮度，將與其光譜診斷曲線相差較大的坐標(biāo)點(diǎn)歸于異類物質(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-分類聯(lián)用法：將去混合后的紋線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，可見光譜成像技術(shù)在微弱紋線特征手印及復(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。利用紋線中血跡與背景物質(zhì)化學(xué)成分上的巨大差異，采用分類與去混合聯(lián)用的方法使二者區(qū)分開來(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)合分類處理分析方法，可取得較為滿意的效果。

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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