齐宇颂，彭 颖，张明辉，刘凤燕

（广东警官学院，广东 广州 510725）

引言

光谱成像是一种结合光谱分析和数字成像的快速检测技术，在光谱和空间两个方面对样品目标进行分析和识别，具有灵敏、快速、无损检验等特点，直观地描述不同成分在物质中的分布情况，在物证检验领域具有广泛的应用前景。

指纹具有人各不同、终身基本不变的特性，是一种认定价值很高的生物识别证据。对手印检材的显现长期采用物理或化学显现方法，这种用单一且属有损的显现方法有时不能取得理想的效果，有的甚至毫无效果，还会破坏检材，影响后续显现和干扰DNA等其他物证技术的操作。因此，手印显现的研究方向应立足于开发无损且更灵敏有效的显现方法，并结合微量物证检验、DNA检验等其他物证检验技术，实现潜在手印中更多信息的获取和利用[1-2]。2003年Exline等人[3]首次公开提出将可见光谱成像系统用于物证检验，并进行了一系列的研究，自此手印检验中应用光谱图像技术的机器视觉系统，日益得到专家们的关注和认可，并已成功应用于一些实际的案例中。

一、基本原理

可见光谱成像系统，是利用液晶可调滤光片的双折射效应来实现的一种光谱成像技术，通过在可见光光谱波段内进行连续光谱调谐，实现画幅式光谱成像，获取高光谱分辨率和高空间分辨率的光谱图像。光谱成像在成像方式上，可分为直接成像方法和间接成像方法，前者主要记录被检验物体，在可见光谱范围内的多个窄波段单色光的反射光亮度分布或荧光亮度分布，获得由单色像构成的光谱影像集；后者通过扫描面阵CCD图像传感器的每个像元，得到大量光谱和图像的数据，再采用图像重构的方法得到光谱立方体。光谱立方体由二维空间和一维波长构成的三维数据阵，选择一个独立的像素可以得到样品所有空间点对应像素的光谱信息，选择一个像平面可以得到样品在某一特定波长下的图像信息，如图1所示[4]。光谱成像根据分辨率的不同，分为多光谱图像、高光谱图像和超光谱图像，多光谱图像的光谱分辨率在100nm左右；高光谱图像的光谱分辨率在10nm左右；超光谱图像的光谱分辨率小于1nm。窄带光谱成像能够细致地表征物质的成像差异,避免某个波段的信息差异被其他波长的成像信息所掩盖。

图1 光谱成像的三维数据示意图

二、可见光谱成像系统

可见光谱成像系统，它包括光源系统、分光系统、图像成像及记录系统、图像分析及处理系统等几个部分，由光学物镜、液晶可调滤光片（LCTF）、CCD照相机、光源和计算机等装置构成，其核心器件是液晶可调滤光片，它的功能类似于一个高质量的带通式干涉滤光镜。随着电控液晶调节方法的采用，解决了通光面内的均匀性、峰值光谱透过率以及带外抑制等问题，体现出精度高、易于实时控制等优点，对光谱成像技术的应用起到了积极的推动作用。

可见光谱成像系统的商业仪器，主要有美国CRI公司的Nuance多光谱成像仪和美国ChemImage公司的Condor高光谱成像系统[5]，该系统光谱工作范围是410nm～720nm，光谱分辨率小于10nm，成像视场约为260mmx 250mm，并通过光学元件来增大视场。此外，国内徐晓轩[6]、沈志学[7]等人也设计并研制出了具有结构简单、高空间分辨率和较高光谱分辨率的可见光液晶光谱成像系统。

三、光谱图像数据的处理与分析

光谱图像数据处理的主要任务，是消除光谱图像中背景和噪声的影响，通过提取有效像素点识别出具有相似光谱特征的图像区域，并将分类和识别的结果转化为可视的化学组成分布图，以提高光谱图像的准确性、可靠性和稳定性。光谱图像分析的目的，是获得能够最好地反映物证形态特征的结果影像，主要有以下几种方法：

滤波法：因为噪音在光谱立方体中亮度随波长的改变不明显，比较每幅单色影像，找出能够最有效显示有用形态细节的单色影像作为结果影像，这种方法简单易行，但较费时，且容易产生视觉疲劳。

像素点定位法：在能明确区别手印物质区域和背景物质区域的单色图像上，分别选取手印物质的有效像素点和背景物质的有效像素点，将两者的光谱亮度曲线进行叠加，然后选择它们之间差异最大波段的单色影像作为结果影像，就可以使痕迹与背景之间呈现尽可能大的亮度反差。这种方法适用于化学成分不同但背景与纹线同色的手印样品，如红色背景上的血手印，见图2。

图2 光谱图像的像素点定位分析法

分类法：测量光谱影像中某个位置痕迹物质的光谱亮度曲线，通过软件程序，将影像中具有相似光谱亮度曲线的所有物质归类，并定义为一种颜色或亮度，将与其光谱诊断曲线相差较大的坐标点归于异类物质，定义为反差较大的另一种颜色或亮度。这种方法可以使色调深浅不一但光谱性质相近的痕迹物质，呈现一致的色调并与背景呈现较大反差，同时还有助于消除色调均匀一致的背景干扰。

去混合法：将不含手印物质的光谱图像作为背景光谱，利用分析软件将手印物质和背景物质所产生的混合光谱中的背景光谱去除,留下痕迹物质相对单一的光谱,如图3所示，目前的光谱分析软件，可以处理多达在3种背景颜色上的痕迹去混合。在去混合的分析过程中，像素点的选择有一定的技巧，背景应选择反差最大处，而手印宜以中等亮度为准[8]。

图3 光谱图像的去混合分析法

去混合-分类联用法：将去混合后的纹线光谱定义为一种颜色，而将去混合后不同颜色的背景光谱定义为与纹线颜色反差较大的同一种颜色。这种方法能增大微弱痕迹与背景的反差，适合于微弱手印和复杂背景手印的显现提取。

四、可见光谱成像系统在手印显现中的应用

光谱成像，可以利用每个像点的光谱信息进行多种增强处理，从而使光谱成像的影像增强能力远远高于常规的影像处理方法。因此，在不破坏检材的情况下进行客体上遗留手印的拍摄、对经化学试剂显现后的微弱手印的增强，以及消除复杂背景对手印纹线的干扰等方面，光谱成像技术具有不可比拟的优势。

悉尼科技大学Payne等人，[9]比较研究了ChemImage公司的Condor光谱成像系统与常规数字成像方法，对渗透性和非渗透性客体材料上的汗潜手印、DFO显现手印、茚三酮显现手印、“502”胶显现及其染色处理后的手印在可视化上的区别，同时对不同手印光谱成像的数据分析与处理流程进行了研究与探讨。结果表明，可见光谱成像技术在微弱纹线特征手印及复杂背景手印的显现与增强，具有明显的优势。

公安部王桂强、黄威研究小组使用CRI公司的Nuancemacro光谱成像仪，对玻璃、纸张等不同红色背景上的血手印以及复印纸上的微弱印油手印进行实验研究。利用纹线中血迹与背景物质化学成分上的巨大差异，采用分类与去混合联用的方法使二者区分开来，尤其是干涸血手印，光谱成像显示出了灵敏、便捷的优点。此外，针对复印纸上的微弱印油手印，采用去混合方法可以形成反差明显的深色背景上的浅色纹线图像，相比于传统的蓝绿光分色照相和荧光照相，提供了一种有效的新方法。

杭州公安局于2008年引入可见光谱成像系统，并在实际案例中进行了初步的尝试[10]。对于凶杀案件中塑料包装纸上多色背景干扰的血手印，利用光谱影像处理软件直接翻看单幅影像，520nm的影像可满足检验要求。这对未知光谱性质物质检材上的手印，光谱成像技术的拍摄效果优于常规分光照相方法。在另一起凶杀案件中的塑料开关面板上的潜血手印，若采用紫外反射技术进行检验拍摄，面板上留有的陈旧潜汗手印会干扰目标手印的显现固定，而利用光谱成像技术，结合分类处理分析方法，可取得较为满意的效果。

茚三酮法显现渗透性客体上潜在汗液手印，是目前公安基层业务部门普遍使用的一种方法，但显现的手印易受背景的干扰，反差效果弱。上海市公安局物证鉴定中心黄晓春等人[11]利用Nuance-macro光谱成像仪采集茚三酮显现手印的光谱影像集，选择恰当的基准点，运用光谱影像分析软件去混合分析方法对手印图像进行优化处理，可以减弱背景干扰，增强图像反差，使部分潜在纹线显现出来，从而形成一种适用于提取茚三酮显现手印的图像优化方法。

五、结语

可见光谱成像技术作为一种新的物证检验技术，既能通过光谱分析对物体表面上的各种物质进行比对鉴别，又能显示被比对物质的图像分布形态，具有样品处理便捷、直接成像无损、成像灵敏度高等特点，已经成为物证检验领域中的热点课题。而且随着光谱成像硬件、软件成本的不断下降,以及光谱图像数据处理算法的不断改进,可见光谱成像技术必将发挥更大的作用，进一步推动刑事科学技术的发展。

目前在手印检验中应用可见光谱成像技术的优势，主要体现在运用光谱成像技术对常见客体上汗潜手印的无损拍摄，同色背景上微弱色差手印的检验拍摄，化学试剂显现后微弱手印或微弱区域的增强处理，消除或减弱复杂背景对手印纹线的影响和干扰。但是，根据检材的特点选用不同的方法进行后期影像的分析处理，是手印显现中应用可见光谱成像技术的一个重要环节，而这需要在实践中不断加以摸索和总结。此外，深度挖掘现场手印的痕迹信息，提高手印的应用价值，为侦查提供更多线索，也是拓展光谱成像技术在手印检验中应用的研究方向。

[1]U.S.Department of Justice.Forensic sciences:review of status and needs.Gaithersburg.MD:AS Corporation,1999:1-71.

[2]Nicole J.Crane,Edward G.Bartick,Rebecca S.Perlman,et al.Infrared Spectroscopic Imaging for Noninvasive Detection of Latent Fingerprints[J].J Forensic Sci.,2007,52(1):48-53.

[3]Exline D L,Wallace C,Roux C,et al.Forensic applications of chemical imaging:latent fingerprint detection using visible absorption and luminescence[J].J Forensic sci.,2003,48(5):1047-1053.

[4]Nischan M L,Joseph R M,Libby J C，et al.Active Spectral Imaging[J].Lincoln Laboratory，2003,14(1):131-143.

[5]ChemImage Corp.Fingerprint analysis goes hyperspectral[J].Laser Foucus World,2009(8):25-26.

[6]徐晓轩，林海波,俞钢等.小型线形可变滤光片分光的可见成像光谱仪及其特性研究 [J].光谱学与光谱分析,2002,22(5):713-717.

[7]沈志学,李剑锋,张大勇等.可见光液晶光谱成像系统研究[J].光谱学与光谱分析,2011,31(10):2672-2675.

[8]黄威,王桂强.光谱成像在物证检验中的初步实验研究[J].刑事技术,2006(2):3-7.

[9]Payne G,Reedy B,Lennard C,et al.A further study to investigate the detection and enhancement of latent fingerprints using visible absorption and luminescence chemical imaging[J].Forensic Science International,2005,150(1):33-51.

[10]汪旭峰,王文斌,李忠.运用光谱成像技术检验拍摄手印[J].刑事技术,2009(5):65-68.

[11]黄晓春,蔡能斌,温思博.光谱成像技术优化茚三酮显现指印的研究[J].警察技术,2010(5):7-9.