多光谱成像系统在指纹分析中的应用研究

胡 帅张前上顾 烨李 炳沈强达张 青

（1.江苏警官学院，江苏 南京210031；2.江苏省公安厅，江苏 南京210024）

0 引言

长久以来，指纹分析技术一直是执法机构及法医学家在犯罪证据解析中采用的重要手段[1]。随着刑事科学技术的发展，指纹分析技术已经发展成为一门涉及物理、化学、生物等多学科领域的综合性专业技术。指纹分析作为刑事侦查过程中一个环节，极其重要，能否及时准确地采集到清晰有效的指纹将直接影响到指纹的比对以及整个侦查破案的方向。而传统的物理、化学等指纹显现方法在具体实践中仍存在诸多弊端，特别是粗糙表面及混色客体表面上的指纹用物理方法较难显现清楚[2]。为了最大限度地提高指纹的采集率和利用率，实验人员将利用多光谱成像系统对指纹进行分析研究。

多光谱成像是通过多光谱成像仪记录被检物体在一定光谱范围内密集均匀分布的多个窄波段单色光的反色光亮度分布或荧光亮度分布，形成由许多单色光构成的影像集[3]。通过对采集的多光谱影像集进行图像分析与处理，可以对潜在、微弱指纹进行有效地显现和增强。将多光谱成像技术应用于物证形态检验特别是指纹分析领域是近年来国内外法庭科学工作者共同关心和研究的问题之一，相信多光谱成像技术的出现及其突出优势将使痕迹检验学的发展进入一个崭新的阶段。

1 实验器材和方法

1.1 实验装置

美国CRi Nuance多光谱细胞成像系统：波长范围：450-950nm，带宽：20nm，光学组件：60mm焦距镜头，CCD：2/3in，像素：130万像素，获取影像时间：3-5s。

惠普HPZ2000 Workstation台式电脑。

美国CRi NuanceTMImaging System Version2.10.0软件。

1.2 实验方法

为配合多光谱成像仪的使用，CRI目前共开发了2种分析方法（classify）和去混合方法（unmix）。这2种方法都是以CCD照相机所采集的光谱影像集为分析对象，基于光谱影像集合成后得到的伪彩色图像（与数码照相机记录影像效果相同），根据各个像点在不同波长上亮度值的不同进行分析。这2种方法只能对光谱影像集进行分析，对于单色亮度影像则只能通过对RGB值、亮度、对比度的调整来使图像质量有所提高[4]。

实验中采用用卤钨灯均匀照明方法；曝光时间由CRI专用软件测定；光圈设置为8；起始波长为450nm,终止波长为950nm,波长步进为10nm；连续曝光。

2 实验内容

2.1 不同颜色的粗糙单色卡纸表面红色印泥指纹的显现增强实验

2.1.1 样本的采集在粗糙红色卡纸、淡蓝色卡纸表面各轻按捺一枚红色印泥指纹，置于室内（温度约20℃，湿度约50%），存放时间为2-3d。

2.1.2 实验步骤

将粗糙红色卡纸表面红色印泥指纹、淡蓝色卡纸表面印泥指纹样本分别置于多光谱成像仪CCD相机视野中进行对焦曝光，获得RGB原图；调节波长450-950mm,步长10mm，再次对样本进行曝光，对显示屏所成像图进行颜色赋值：指纹处赋黑色，背景红色卡纸、淡蓝色卡纸分别赋白色，用分类方法分别得出一组图片，选取显现效果最佳的一张作为现图。

2.2 不同颜色的单色透明塑料板表面红色印泥指纹的显现增强实验

2.2.1 样本的采集

在红色透明塑料板、黄色透明塑料板表面各轻按捺一枚红色印泥指纹，置于室内（温度约20℃，湿度约50%），存放时间为2-3d。

2.2.2 实验步骤

将红色透明塑料板表面红色印泥指纹、黄色透明塑料板表面红色印泥指纹样本分别置于多光谱成像仪CCD相机视野中进行对焦曝光，获得RGB原图；调节波长450-950mm,步长10mm，再次对样本进行曝光，对显示屏所成像图进行颜色赋值：对于印有红色印泥的红色塑料板样本，指纹处赋黑色，背景红色透明塑料板赋白色，用分类方法分别得出一组图片，选取显现效果最佳的一张作为现图；对于印有红色印泥的黄色塑料板样本，指纹处赋白色，背景黄色透明塑料板赋黑色，用分类方法分别得出一组图片，选取显现效果最佳的一张作为现图。

2.3 光滑红色卡纸上暗红色果汁指纹的显现增强实验

2.3.1 样本的采集

用手指蘸取少量暗红色果汁，稍干后在光滑红色卡纸上轻按捺一枚指纹，置于室内（温度约20℃，湿度约60%），存放时间为1d。

2.3.2 实验步骤

将样本置于多光谱成像仪CCD相机视野中进行对焦曝光，获得RGB原图；调节波长450-950mm,步长10mm，再次对样本进行曝光，对显示屏所成像图进行颜色赋值：指纹处赋黑色，背景红色卡纸赋白色，用分类方法得出一组图片，选取显现效果最佳的一张作为现图。

2.4 《江苏警官学院院报》纸表面红色印泥指纹的显现增强实验（具体：淡黄色底、红色栏目字体、红色印泥指纹）

2.4.1 样本的采集

在该报纸上（如图所示位置）轻按捺一枚红色印泥指纹，置于室内（温度约15℃，湿度约58%）约2h。

2.4.2 实验步骤

将样本置于多光谱成像仪CCD相机视野中进行对焦曝光，获得RGB原图；调节波长450-950mm,步长5mm,再次对样本进行曝光,对显示屏所成像图进行颜色赋值：红色栏目字与指纹重叠处赋黑色，红色栏目字赋黄色，结果色设粉红色，用去混合方法得出一组图片，选取显现效果最佳的一张作为现图。

3 实验结果与讨论

实验结果

3.1 不同颜色的粗糙单色卡纸表面红色印泥指纹的显现增强实验结果

粗糙红色卡纸表面模糊红色印泥指纹样本在多光谱成像系统的操作下，红色印泥指纹与红色卡纸背景能被很好地区别开来，生成白底黑色指纹图且指纹显现较清晰，见图1、图2；粗糙淡蓝色卡纸表面红色印泥指纹样本在多光谱成像系统的操作下，部分不清晰的指纹纹路能被清晰显现，生成黑底白色指纹图且显现出的指纹特征明显，见图3、图4。

图1 粗糙红色卡纸表面红色印泥指纹RGB原图

图2 粗糙红色卡纸表面红色印泥指纹经多光谱成像系统显现增强图

图3 粗糙淡蓝色卡纸表面红色印泥指纹RGB原图

图4 粗糙淡蓝色卡纸表面红色印泥指纹经多光谱成像系统显现增强图

3.2 不同颜色的单色透明塑料板表面红色印泥指纹的显现增强实验结果

红色透明塑料板表面红色印泥指纹样本在多光谱成像系统的操作下，红色印泥指纹红色透明塑料板背景能被很好地区别开来，生成十分清晰且特征明显的黑底白指纹图，见图5、图6；在黄色透明塑料板表面红色印泥指纹样本的RGB原图中，大部分红色指纹纹路模糊，该样本在多光谱成像系统的操作下，模糊的红色指纹纹路能被清晰显现，生成特征较明显的黑底白指纹图，见图7、图8。

图5 红色透明塑料板表面红色印泥指纹RGB原图

图6 红色透明塑料板表面红色印泥指纹经多光谱成像系统显现增强图

图7 黄色透明塑料板表面红色印泥指纹RGB原图

图8 黄色透明塑料板表面红色印泥指纹经多光谱成像系统显现增强图

3.3 光滑红色卡纸上暗红色果汁指纹的显现增强实验结果

起初，用肉眼观察光滑红色卡纸表面暗红色果汁指纹样本，暗红色果汁指纹与光滑红色卡纸背景“融为一体”，无法对其进行区分，但该样本在多光谱成像系统的操作下，暗红色果汁指纹与光滑红色卡纸背景能被很好地区别开来，排除了样本背景的干扰，生成白底黑色指纹图且指纹纹路清晰、特征明显，见图9、图10。

图9 光滑红色卡纸表面暗红色果汁指纹RGB原图

图10 光滑红色卡纸表面暗红色果汁指纹经多光谱成像系统显现增强图

3.4 《江苏警官学院院报》纸表面红色印泥指纹的显现增强实验结果

样本中的红色印泥指纹在多光谱成像系统的操作下，能排除淡黄色、红色报纸背景的双重干扰，特别是红色栏目字背景与红色印泥指纹能被很好地区别开来，生成特征明显白底灰指纹图，指纹纹路清晰完整，见图11、图12。

图11 红—淡黄混色纸张表面潜在的红色印泥指纹RGB原图

图12 红—淡黄混色纸张表面潜在的红色印泥指纹经多光谱成像系统显现增强图

实验1中粗糙红色卡纸表面红色印泥指纹的显现增强，实验2中红色透明塑料板表面红色印泥指纹的显现增强以及实验3中光滑红色卡纸表面暗红色果汁指纹的显现增强实验，均表明，虽然指纹颜色与背景颜色相同或相似，但由于红色印泥或暗红色果汁均与红色背景的成分不同，所以两类物质像点光谱曲线必然不同，应用分类方法，多光谱成像仪能将指纹和背景呈现出较大的反差，达到指纹显现的理想效果。相似地，实验1中粗糙淡蓝色卡纸表面红色印泥指纹的显现增强，实验2中黄色透明塑料板表面红色印泥指纹的显现增强也表明，由于指纹与背景的成分、颜色均有较大差异，所以样本在多光谱成像仪的分析下所得出的光谱曲线存在着十分明显的差异，模糊指纹更易于得到清晰显现。

实验4中《江苏警官学院院报》纸上红色印泥指纹的显现增强表明，采用去混合的分析方法，复杂背景表面的指纹虽然已经得到显现，但是效果较微弱，指纹显现并不是十分理想。实验中需要时刻调整各成分物质颜色的赋值，使指纹与复杂背景形成强烈的反差，从而去除背景，使指纹清晰可见。

大量实验证明，颜色赋值要有所选择，需要经过不断的调整和总结进行校准以获取指纹显现的最佳效果。

同时，实验人员还可以发现，多光谱成像系统能够广泛应用于检验未经处理的潜在指纹，无论对渗透性客体表面潜在指纹的显现，还是对非渗透性客体表面潜在指纹的显现，多光谱成像系统均显示出突出的优势。

4 实验结论

在实验过程中，实验人员成功运用了分类及去混合两大分析方法和卤钨灯均匀照明方法。分类分析方法操作简单、方便，对于肉眼难以分辨的同种颜色不同物质有较灵敏的区分效果[5]，适用于显现单色客体表面潜在指纹，分析结果直观，说服力很强；去混合分析方法可克服系统自带软件自身的缺陷，对复杂客体表面潜在指纹进行较为理想的分析，虽然对操作具有较高的要求，但分析结果精确，特别对显现模糊指纹有较好的效果。卤钨灯均匀照明方法能最大限度地减少物质反射光空间分布差异对光谱特征的影响[6]，增强实验效果。

多光谱成像系统可以对多种渗透性或非渗透性客体表面潜在指纹进行显现增强。从指纹的显现时间、精确度、利用率等方面考虑，利用多光谱成像系统分析指纹较传统指纹分析方法体现出巨大优势。因而，多光谱成像系统的出现使指纹分析技术变得更为科学精准，大大推动了刑事科学技术的发展。

［1］岳桢干.美国ChemImage公司制成用于指纹分析的高光谱成像系统[J].红外,2009,12:44.

［2］孟庆霞,李洪,庞其昌,王玮东.可视多光谱指纹检测系统设计[J].暨南大学学报:自然科学版,2005,26（5）:1000-9965（2005）05-0642-04.

［3］王桂强.光谱成像检验技术[J].刑事技术,2004,1:7-12.

［4］王桂强.刑事影像新体系[J].刑事技术,2003,5:30-35.

［5］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.

［6］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.