应用光谱成像技术去除指纹干扰背景的方法研究

齐敏珺，陈弈桦，王新全

（1.青岛市光电工程技术研究院，山东青岛266109；2. 青岛市公安局刑警支队技术处，山东青岛266000）

应用光谱成像技术去除指纹干扰背景的方法研究

齐敏珺1，陈弈桦2，王新全1

（1.青岛市光电工程技术研究院，山东青岛266109；2. 青岛市公安局刑警支队技术处，山东青岛266000）

目的 研究光谱成像技术去除指纹干扰背景的方法。方法 利用可见光光谱成像仪对受背景干扰严重的两例显现汗液指纹检材采集多光谱图像，光谱范围从400～720 nm，采样步长为10 nm，通过比较指纹和背景的光谱或直接观察图像寻找两幅特征谱段的图像，将两幅图像做除法运算，然后再进行图像线性拉伸增强显示，获得增强指纹、弱化干扰背景的效果。结果 有效地去除了人民币上显现指纹的干扰背景图案，同时，弱化了信封上干扰茚三酮显现处理指纹的条纹背景，指纹图像得到明显增强。结论 基于可见光光谱成像技术，采用两个特征谱段图像作除法运算去除背景干扰的方法适合于渗透性客体上显现的汗液指纹的增强，但干扰背景颜色色调应均一，即背景颜色需变化不大。

光谱成像；指纹增强；背景干扰

手印检验技术包括光学、物理、化学及生物显现方法等，较以往均有长足的进步，但一些手印经显影后仍难以从复杂的干扰背景中清晰地显现出来。光谱成像技术将数字成像和化学光谱相结合，能同时获取目标图像和特征光谱的信息。而这些光谱信息可用于物质成分的识别，在物证检验方面用途很大[1-4]。

本文采用可见光光谱成像方法对经显影处理后背景干扰大的指纹作进一步增强显现，以探讨这一方法的可应用性。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

青岛市光电工程技术研究院自主开发的便携式高光谱成像仪（型号：PHSI-1），光谱范围400～720 nm，光谱分辨率10 nm。仪器采用液晶可调谐滤光器作为分光部件，可在400～720 nm范围内进行连续调谐滤光，单个波长最快调谐速度达到50 ms；面阵CCD作为成像器件，像素数为1280×960，各个谱段的最佳曝光时间采用自适应曝光算法自动计算并设置。整个仪器无运动部件，可快速、便捷、准确获取目标的高光谱图像数据。配套的高光谱图像采集与分析软件（HSIAAS）可控制光谱成像仪获取高光谱图像数据，对高光谱数据进行快速处理。软件提供了光谱分类、解混合、主成分分析以及图像运算、图像增强、图像融合及伪彩色处理等多种功能。

1.2 材料

两个实际案例中的指纹检材均具有共同的特点：（1）指印的细节特征均受背景干扰较大；（2）大部分干扰背景色调较一致或相近，颜色变化不大，背景对应的光谱较相近。两例实验材料具体来源于：

案例一：2014年9月23日，青岛市黄岛区发生一起入室抢劫杀人案件。经现场勘查，提取死者周围散落的1元、5元人民币4张，经茚三酮显现后在其中1张1元纸币上发现一枚指印（图1）。

案例二：2015年3月20日，青岛市南区有人报案称：其接收一信件，内有一封敲诈信和一张该报案人的不雅照。该报案人称与照片上的人从未有过来往，遂报案。经对信件及信纸茚三酮显现处理后，在信封上显出一枚指印（图2）。

1.3 实验方法

图1 纸币上显现指印Fig.1 Developed fingerprint on note of Renminbi

图2 信封上显现指印Fig.2 Developed fingerprint on an envelope

采用1.1中可见光光谱成像仪采集光谱图像。将仪器固定于德国KAISER翻拍架上，并采用两个对称光源照明（光源型号：150 W卤素灯），使得视场内光照均匀；调整镜头与检材的距离，使检材充满整个视场，调整镜头焦距使成像清晰；通过软件设置采集参数起始波长400 nm，终止波长720 nm，扫描步长10 nm，自动采集完所有33幅光谱图像后保存数据。

1.4 数据处理

首先从光谱图像集中寻找两幅特征谱段的图像。方法有两种：（1）光谱比较法。将指纹对应的光谱和主要干扰背景对应的光谱进行比较，寻找指纹光谱与背景光谱强度差值最小和差值最大处对应的波段，将该两波段对应的图像选择出来。（2）直接观察图像法。逐个观察拍摄的每一幅黑白光谱图像并进行比较，寻找两幅具有代表性的图像，其中一幅图像中指纹与背景的亮度差异不大，另外一幅图像中指纹与背景的亮度差异较参考图像相对较大，或者一幅图像中仅能观察到背景，而另外一幅图像中能同时观察到指纹和干扰背景。

然后，利用配套的HSIAAS软件中图像运算功能将两幅特征谱段的图像做除法运算，再利用图像线性拉伸功能进行图像灰度线性拉伸增强显示。假设两幅图像分别为I1(x,y)和I2(x,y),其中x，y为像素的空间坐标，那么两幅图像做除法运算后为：

再经线性拉伸后的图像为：

将两幅特征谱段的图像做除法运算后，原来亮度值差异不大的像素比值接近于1，亮度差异较大处比值大于或小于1，再经线性拉伸后，指纹与背景的像素亮度反差明显增大，从而达到了增强指纹、弱化干扰背景的目的。

2 结果

图1中1元纸币上显现的指纹，分别提取指纹纹路对应的光谱及墨绿色背景对应的光谱（图3），可以看到，620 nm左右处指纹与背景的灰度值相同或十分接近，在720 nm处两者灰度值差异最大，表现在光谱图像（图4、图5）中，620 nm谱段图像中能同时观察到混在一起的指纹和暗色调图案背景；而在720 nm谱段图像中，仅能够观察到灰度值较低的暗色调背景图案，观察不到指纹。这样通过除法运算可以消除两幅图像中都出现的暗色调背景。图6为两幅图像进行除法运算后线性拉伸增强显示的结果，可以看到，干扰背景图案被明显抑制，指纹纹线得到增强。

图2信封上显现的指纹检材中，采用上述方法参考光谱对比图（图7）选择了500 nm和700 nm两个谱段的图像，其中，500 nm光谱图像中同时存在指纹和条纹背景（图8），700 nm光谱图像中只有条纹背景，看不到指纹信息（图9），处理后得到结果如图10，条纹干扰图案基本被除去，而指纹信息被保留。

图3 光谱对比图Fig.3 Comparison of the spectrum of fi ngerprint with that of the background

图4 620nm谱段图像Fig.4 Spectral image at 620nm

图5 720nm谱段图像Fig.5 Spectral image at 720nm

图6 指纹增强效果图Fig.6 Image of the enhanced fi ngerprint on the note of Renminbi

图7 光谱对比图Fig.7 Comparison of spectrum of fi ngerprint and background

图8 500nm谱段图像Fig.8 500nm spectral image of fi ngerprint and background

图9 700nm谱段图像Fig.9 700nm spectral image

图10 指纹增强效果图Fig.10 Image of the enhanced fi ngerprint on the envelope

3 讨论

上述两例渗透性客体上汗液指纹显现后，原图像指印的细节特征均受背景干扰较大，采用多光谱成像方法除去背景干扰后得到了较好的效果。基于可见光光谱成像（400～720 nm）技术，采用两个特征谱段图像做除法运算除去背景干扰的方法适用于以下情况：（1）渗透客体上显现的汗液指纹；（2）干扰背景颜色色调较均一，也即背景颜色变化不大。通过除法运算增大指纹和背景的差异，可较好地弱化干扰背景，达到增强和再提取指纹的目的[5]。但在该方法运用时，选择特征谱段图像比较关键，要研究参考指纹与待除去背景的光谱图，选择光谱差异较大和较小的两个谱段，同时要结合观察具体的图像，以决定选择的谱段是否具有特征性和可行性。

［1］ 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.

［2］ 黄威, 张旭毅, 许小京, 等.紫外光谱成像技术显现潜在油汗混合指印的初步探索［J］.刑事技术, 2010(5): 15-17.

［3］ 黄威, 许小京, 俞涛, 等.应用光谱成像技术消除捺印指印下签字笔背景实验研究［J］.吉林大学学报(理学版), 2008, 46(6): 1164-1170.

［4］ 赵丽华, 何海明. 光谱成像和传统光学方法增强光滑纸张上血指印的比较研究［J］. 刑事技术, 2015, 40(3): 215-217.

［5］ Dowler S W. Applications of hyperspectral imaging techniques to forensic image analysis. Auckland: University of Auckland, 2010.

A Method of Removing the Background Interference to the Developed Fingerprints on Porous Surfaces Using Hyperspectral Imaging Techniques

QI Minjun1, CHEN Yihua2, WANG Xinquan1
(1. Qingdao Academy for Opto-Electronics Engineering, Qingdao 266109, China;
2. Criminal Police Detachment, Qingdao Public Security, Qingdao 266000, China)

Objective To study the method of removing the background interference of the developed fingerprint using spectral imaging technology. Methods Multi-spectral images of two developed fingerprint samples disturbed by the background pattern were acquired, whose spectra ranges from 400 nm to 720 nm, with the sampling interval of 10 nm. Two specific spectral images were selected from the data cube by comparing the spectra of the fingerprint and the background or observing the spectral images directly, then the division of two images was performed and the resulted image was enhanced by linear stretching, finally the enhanced fingerprint image with a weakened background was obtained. Results The background pattern interfered with the developed fingerprint on Renminbi was effectively removed, and so was the striped background disturbing the developed fingerprint on envelope. In another word, the fingerprints were significantly enhanced. Conclusion The method of removing the background interference by division of two featured spectral images based on visible spectral imaging technology is very suitable for the case of enhancing the developed fingerprint on absorbent object, but the background is required to have a consistent color hue or little color change.

spectral imaging; fingerprint enhancement; background interference

DF794.1

A

1008-3650(2016)04-0299-03

2015-08-31

格式：齐敏珺, 陈弈桦, 王新全. 应用光谱成像技术去除指纹干扰背景的方法研究[J]. 刑事技术，2016,41(4):299-301.

10.16467/j.1008-3650.2016.04.011

青岛市民生科技计划项目（No. 13-1-3-115-nsh）

齐敏珺（1985—），女，湖北荆门人，硕士，助理研究员，研究方向为高光谱技术应用。E-mail:qiminjun123@qq.com