應用光譜成像技術顯現和增強指紋的研究*

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

光譜成像技術是近年來物證鑒定領域研究的熱點和重點方向之一，這項技術能夠在記錄物證空間分布狀態的同時，充分挖掘和利用不同物質自身特有的光譜信息，實現對痕跡物證定性定量定位信息的全面檢驗。通過成像光譜儀記錄被檢驗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射光亮度分布或熒光亮度分布，形成由許多單色光影像構成的光譜影像集。王桂強研究員于2004年在國內最早對光譜成像技術在物證鑒定領域的應用進行了理論研究（如圖1所示）[1]。由于激發光源、濾波器件、信號接收器件等關鍵設備的差異，光譜成像技術可以根據光譜響應范圍大致劃分為紫外波段光譜成像技術、可見波段光譜成像技術以及紅外波段光譜成像技術?；诓煌ǘ喂庾V成像技術的特點和性能，研究潛在指紋的顯現方法以及增強肉眼難以分辨的微弱指紋，是國內外法庭科學工作者共同關心的問題之一。

二、國內外研究動態

國外研究人員于上世紀90年代中期就開始有意識地將光譜成像技術應用于物證鑒定領域[2]，但由于技術方法和儀器設備性能所限，所取得的研究結果與實際應用具有一定的差距。隨著陣列檢測器、高效濾光鏡特別是計算機技術的快速發展，進入本世紀后，各國物證鑒定研究人員重新認識了光譜成像檢驗技術的巨大潛力。2003年澳大利亞的Claude Roux等人[3]使用液晶可調波長濾光鏡（LCTF）光譜成像裝置進行了顯現指印紋線的初步實驗研究，成為物證鑒定領域廣泛研究光譜成像檢驗技術的開端。隨后，David L．Exline等[4]使用LCTF配合可見熒光方法檢驗了10美元假鈔上的汗潛指紋，與傳統光學檢驗方法相比，指印紋線顯現質量有很大提高。Edward G．Bartick等[5]率先使用FTIR光譜成像方法根據脂肪酸、酯、蛋白質氨基酸等多種人體大量分泌的化學物質顯現指印紋線。

我國物證鑒定科研人員基于窄波段分色照相技術，根據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，在顯現和增強指紋方面，已經開展了大量的實驗研究工作，所應用的理論和技術方法與光譜成像技術具有很高的關聯性和相似性，為我國物證鑒定領域開展光譜成像技術研究提供了堅實的科研基礎。公安部物證鑒定中心在“十一五”和“十二五”國家科技支撐計劃期間先后承擔了“光譜成像與圖像檢驗關鍵技術研究”、“物證檢驗與溯源關鍵技術與裝備研發”兩項科研課題，深入系統地研究了應用光譜成像技術檢驗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聯合開發的“物證鑒定成像光譜影像分析軟件”（MISystem2.0）被認定為具有國際先進水平的科研成果，于2012年獲得公安部科技進步二等獎。經過研究人員的不懈努力，光譜成像技術在物證鑒定領域的應用于研究，逐漸得到了越來越多刑事技術專家的關注和認可，特別是在指紋顯現與增強技術中的應用，一直是各項研究工作的重點。

三、主要研究成果

（一）應用可見波段光譜成像技術檢驗指紋

在可見光譜范圍（400nm～720nm），我國的科研技術人員已經總結歸納了比較成熟的針對指紋等痕跡物證的光譜成像檢驗技術方法[6]，成功消除了指紋下簽字筆字跡的干擾[7]，解決了消除指紋復雜背景這一類的技術難題（圖2）。在顯現深色客體表面的血指紋（圖3）、增強微弱茚三酮指紋（圖4）等方面，可見光譜成像技術也顯示出了明顯的優勢?？梢姴ǘ喂庾V成像技術能夠廣泛應用于各種有色指紋的增強和顯現工作，在文件檢驗工作中也有比較好的檢驗效果。在使用可見波段光譜成像技術檢驗指紋等痕跡物證的過程中，最重要的要點是選取能夠代表痕跡物證的光譜基準點。實驗結果表明選擇物質濃度低的區域作為光譜基準點對光譜成像識別該種物質的處理效果優于選擇物質濃度高的區域作為光譜基準點的處理效果。若待檢樣本有明確光譜信息，需要消除成像范圍內背景及其他噪聲對待檢樣本的干擾，如不同化學成分物質鑒別、微量物證搜尋與定位，應選擇成分單一、濃度較低的目標物質區域作為光譜基準點。另一方面，廣泛選取各種濃度區域的同種物質作為光譜基準點識別該種物質的處理效果最好。若待驗樣本表面形態模糊不清，需要增強反差以最大限度反映樣本形態特征，如增強指紋等，應充分選擇不同濃度目標物質區域作為光譜基準點。

（二）應用紅外波段光譜成像技術檢驗指紋

各種痕跡物質在紅外波段具有更加豐富的光譜信息，從理論上分析，光譜成像技術在此波段具有更高的檢驗能力。目前已經開展的研究工作主要包括應用近紅外光譜成像技術（650nm～950nm）顯現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）光譜成像技術顯示出區分不同物質成分的巨大優勢，為檢驗指紋表面殘留物質，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的應用具有廣闊的發展空間，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的發展現狀，目前傅里葉紅外光譜成像技術對于檢材的平整度要求比較高，是今后研究工作的重點方向。

（三）應用紫外波段光譜成像技術檢驗指紋

我國法庭科學領域在紫外照相技術方面一直處于國際領先地位，如何使光譜成像技術與紫外照相技術相結合，發揮更大的作用，是我國刑事影像技術人員不斷努力的方向[8,9]。通過大量的實驗研究，技術人員使用SpectroCamTM轉輪式全波段CCD光譜成像物證分析儀，已經成功解決了紫外光譜區存在色差的技術難題，在消除指紋復雜背景干擾等方面取得了比較理想的顯現效果（圖8）。紫外波段光譜成像技術能夠廣泛應用于檢驗未經處理的潛在指紋，特別在顯現滲透性客體表面潛在指紋方面具有明顯優勢，也能夠為確定指紋遺留物質在紫外光譜范圍的光學特征提供準確數據資料。在操作中，需要對激發光源進行校準，以保證所得到實驗數據的準確性。

四、研究展望

光譜成像技術是法庭科學領域新興的研究方向和內容，通過已有的研究表明，這項技術能夠為物證鑒定工作提供更加豐富的物理化學信息，尤其在指紋的顯現和增強檢驗工作中，與傳統光學方法相比，具有明顯的優勢。在今后的科研工作以及實際辦案應用過程中，紫外多光譜成像技術，將發揮出越來越重要的作用；紅外光譜成像技術則可以為判斷指紋供體特征提供真實可靠的數據信息，使法庭科學的檢驗方法由單一物證檢驗向多學科專業融合檢驗方向發展，分析方法由圖形比對向圖譜共同認定方向發展。今后應重點研究光譜成像儀器設備的國產替代化，早日實現光譜成像技術在各級刑事技術部門的全面推廣與應用。

[1]王桂強.光譜成像檢驗技術.刑事技術,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．應用光譜成像技術消除捺印指印下簽字筆背景實驗研究.吉林大學學報(理學版),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.