基于高光谱成像技术的血迹检测及血指印可视化研究

庄 园，高树辉，黄 威，蔡能斌

(1.中国人民公安大学， 北京 100038; 2.公安部物证鉴定中心， 北京 100038;3.上海市现场物证重点实验室， 上海 200083)

0 引言

现场的血手印对研究犯罪行为具有重要意义，但是血手印属于间接证据，是否能证实犯罪需要证据链的支持。由于很多不同物种都有血液，所以现场血手印也复杂多样，有的与犯罪行为有关，有的也许是沾染动物血迹后形成的手印，所以需要进一步证实。血痕种属鉴定可以区分血迹是人血或是动物血，如有需要，也可以确定出为何种动物的血液。在检测出血痕属于人类时，才可以继续使用遗传标记，否则会将动物的遗传标记误判为人的，得出错误的结论。传统血液种属鉴定方法精准性高但都属于有损检验，如免疫学方法、生物化学方法、分子生物学方法等。

随着光谱成像技术的不断发展，日趋成熟，因其具有快速无损检验的特点，成为公安业务、生物医药、文档保密等领域中首选的鉴别技术。使用光谱记录装置将被测物体，在一定光谱范围内分布的、多个窄波段单色光的反射亮度进行成像处理，形成光谱影像集[1]，为各领域的疑难问题提供快速无损的解决方法。作为一种将传统的空间成像分析技术和光谱分析技术融为一体的光学检验技术,高光谱成像技术拥有更高光谱分辨率、更广光谱波段范围、更丰富数据信息。高光谱图像不仅仅能实现在成百上千个连续的可见光、红外、近红外等广泛的光谱区域成像,亦能记录目标的空间位置信息。在选定的波长范围中捕获图像中所有点的光谱信息、所有波段的图像信息以及待测目标相应的辐射强度，空间位置信息与光谱图中的特征峰信息结合对待测目标进行识别、鉴定分类。光谱成像技术在鉴别生物物质成分有重要作用，如鹿茸真伪[2]，牛肉品种识别[3]，鸡肉滴水损失率快速预测[4]，检测五花肉的过氧化值[4]，红肉食用品质等[5]，光谱成像技术发挥了重要作用。

光谱成像技术在手印提取鉴定方面应用广泛，如黄威等[6]利用光谱成像技术对潜在油汗混合指印的显现和提取进行了深入的研究，通过使用紫外光谱成像仪取得的数据展示出了非渗透性客体表面存在的油汗混合指印，在实际的工作中，紫外光谱成像还应用于显现复写纸上遗留防晒护肤品指印[7]；显现塑料表面手印[8]；显现瓷砖表面防晒类护肤品指印[9]。同时可以无损、快速加强指纹和足迹显现，如加强显现微弱茚三酮指印、DFO指印、血指印、微弱红色印油指印、深色纺织物上的潜血足迹等[10-12]，并区分血指印和红色印油指印等。

因为不同的物种在自身的血液中有着不同承载氧气的方式，这就会引发出不同的血液颜色。对于一些环节动物，它们是通过血绿蛋白与铁离子结合，这就是它们的血液会呈现出绿色或是红色的原因。对于脊椎动物来说，往往是通过血红蛋白来运载氧气，这也就是为什么人和哺乳动物的血液往往呈现出红色但由于携带氧气不同，红色程度也不同。本文基于高光谱成像系统研究不同种类血迹手印并进行可视化显现，并以此为基础，进行对比实验与分析，分析血手印的成分，并且利用无手段的方式来甄别不同的手印归属。探索光学无损方法进行种属鉴定，研究此方法在种属鉴定中的价值和可行性。

1 实验原理

高光谱成像技术是以多窄波的影响技术为依据，结合了成像与光谱技术的特点与优势，分析目标的二维空间及其他的光谱信息，得出连续的、窄波段的数据信息[13]。经常使用的高光谱成像系统是由光谱相机、精密移动装置、光源及高性能计算机组成。当光和样本中的物质互相作用由反射或是透射进入到光谱成像仪器，经过前置的光学系统将光分解为不同波长的谱信号，并且由相应的光电探测设备将其进行信息转换，也就是将光信号转换成电信号，然后再进行数字信号转换，成像光谱装置最后获得样本的原始信号数据，图1所示为高光谱成像系统的处理过程[14]。

图1 高光谱成像系统的处理过程

高光谱成像技术成像时，成像设备以事先设置的扫描波长范围，对目标的每条线进行成像处理，然后利用分光仪器将线阵上的每个像素点进行分光处理，获得每个像素点的光谱成分。如图2所示，通过光谱相机获得的每一个图像，都有一个维度的线阵像素，与另一个维度的光谱分析数据。

图2 高光谱成像光谱仪成像原理示意图

图3 Nuance Multispecreal Imaging System原理示意图

本文使用的高光谱成像仪是采用液晶可调波长滤光镜(LCTF)、CCD及其他光学镜头构成。应用Nuance Multispecreal Imaging System，Nuance 通过液晶可调波长滤光镜检验样本在450～950 nm中每个波长的亮度分布，将这些影响进行汇总分析，得出三维高光谱数据立方体，也就是说，它既有空间信息，也具备光谱信息，也就是高光谱影像集，在 MISystem3.0软件上进行光谱分析得到光谱曲线图。如图3所示。

对于血迹的识别主要是通过血红蛋白来完成，血红蛋白的主要作用就是将氧元素传到身体的各个器官，这就表明血红蛋白可以在生物体内，以不同的形式存在。通常来说，血红蛋白会以两个方式来存在，一个是脱氧血红蛋白 (HB)，另外一个是与氧元素结合，形成氧合血红蛋白(HBOa)。并且也出现了较少的HBO2氧化变为 met-HB，但是仍会被还原蛋白酶催化，还原为 HB。在红外区域对血液进行光谱分析时，血液中血红蛋白衍生物可呈现出较为完整的吸收带，物质光谱体现的是血液成分，而血迹光谱反映的是血红蛋白，因此血迹光谱曲线可以理解为各个成分依据自身的光谱比重的拟合[15-16]。 不同物种之间的血液内部成分不同，相应的光谱表现也不一样，这就是高光谱成像的理论依据。

获取高光谱影像集，在MISystem3.0软件中打开，得出如图4所展示的光谱曲线图。此光谱曲线图的横坐标代表的是波长(nm))，纵坐标则是亮度值(AU))，即光强度，通过比较在450～950 nm上每条光谱曲线的亮度值差别，进行血迹的种属区分。

图4 光谱曲线图

2 基于高光谱成像技术的血迹检测与分析

2.1 实验样本的制备

血迹样本选择了哺乳类代表新鲜的人血，家禽类代表鸡血和冷血类代表蛇血。

血迹载体，选择黑色棉麻、棕色麂皮、红色荔枝纹皮革、姜黄色卡纸、绿色卡纸、粉红色卡纸、棕色硬纸板7种不同颜色不同材质的载体。

在室温下，将人血、鸡血、蛇血分别涂抹在上述7种客体上。

2.2 实验步骤

检查高光谱成像仪，开启Nuance和电脑，打开Nuance软件，检查暗电流设置8bit的数据输出。

放置实验样品，调节光源的角度和距离，调节物距和焦距，使检材完全在Nuance软件的预览窗口中且成像清晰。

本实验物距为75 cm、光圈大小为f2.8。自动曝光模式下，对450～950 nm，步进5 nm进行测光，以获取样本各波长下的曝光时长，再在此状态下拍摄获取样本的单色影像组成的光谱影像集(Cube)，利用MISystem3.0软件进行光谱分析，对人血、鸡血、蛇血和空白对照赋予伪彩色，每一种取若干像素点，选取“红色”“绿色”“蓝色”“紫色”区域标记，如图5标记，人血标记为红色，鸡血标记为绿色，蛇血标记为蓝色，每一样本对应的背景标记为紫色，为下一步统计分析提供数据。

图5 在MISystem3.0软件中标记像素点

2.3 实验结果

对7种载体上3种血迹进行光谱分析，检验结果如图6，图中红色曲线为光谱1，代表人血；绿色曲线为光谱2，代表鸡血；蓝色曲线为光谱3，代表蛇血，紫色曲线为光谱4，代表空白对照。

通过光谱曲线图对7个样本的血迹种属检测进行质量评估，评估结果如表1所示。用“-”表示光谱曲线的亮度值差值很小或无差别，难以区分；“+”表示光谱曲线的亮度值差值较小，区分效果弱；“++”表示光谱曲线的亮度值差值大，区分效果良好。

表1 血迹种属检测质量评估表

由质量评估结果分析可知，在黑色棉麻、粉红色卡纸、棕色麂皮、红色荔 枝纹皮革、绿色卡纸上的人血和鸡血区分效果好；黑色棉麻、棕色麂皮、红色 荔枝纹皮革、绿色卡纸、棕色硬纸板上的人血和蛇血易于区分；黑色棉麻、粉红色卡纸、红色荔枝纹皮革、姜黄色卡纸、绿色卡纸、棕色硬纸板上的鸡血和蛇血区分效果好。

3 基于高光谱成像技术的血手印可视化检验与分析

3.1 潜血指印样本及实验步骤

在人血和不同种类动物血痕迹的高光谱种属鉴别的基础上，本文针对不同血指印进行可视化研究：以上 7 种载体上分别捺印人血、鸡血和蛇血 3 种血迹手印。使检材完全在Nuance软件的预览窗口中且成像清晰，依次对血手印进行拍摄，单独显现每种 深色客体上血指纹的，从而获得光谱影像集。重复上一实验步骤，利用MISystem软件获得光谱曲线图进行光谱分析。

3.2 实验结果与分析

3.2.1 红色荔枝纹皮革上不同种类血指印的实验结果(见图7)

图6 黑色棉麻、粉红色卡纸、棕色麂皮、红色荔枝纹皮革、姜黄色卡纸、绿色卡纸、棕色硬纸板上7种血迹和空白对照光谱曲线图

图7 红色荔枝纹皮革上不同种类血指印

光谱图如图8所示，在光谱曲线图中，红色曲线为人血手印的光谱曲线， 绿色曲线为人血手印的光谱曲线，蓝色曲线为人血手印的光谱曲线，紫色曲线为空白对照的光谱曲线。

图8的光谱曲线图，以450 nm处纵轴为参照，从上至下依次是光谱4紫色曲线、光谱2绿色曲线、光谱3蓝色曲线、光谱1红色曲线。评估结果见表2。

表2 红色荔枝纹皮革上血指印种属检测质量评估表

3.2.2 姜黄色卡纸上不同种类血指印的实验结果(见图9)

图8 红色荔枝纹皮革上不同种类血指印的光谱曲线图

图9 姜黄色卡纸上不同种类血指印

图10，光谱1是红色曲线，代表人血指印；光谱2是绿色曲线，代表鸡血指印；

图10的光谱曲线图，以950 nm处纵轴为参照，从上至下依次是光谱4紫色曲线、光谱2绿色曲线、光谱1红色曲线、光谱3蓝色曲线。评估结果见表3。

图10 姜黄色卡纸上不同种类血指印的光谱曲线图

表3 姜黄色卡纸上血指印种属检测质量评估表

3.2.3 绿色卡纸上不同种类血指印的实验结果(见图11)

图11 绿色卡纸上不同种类血指印

光谱图如图12所示。

图12 绿色卡纸上不同种类血指印的光谱曲线图

图12的光谱曲线图，以450 nm处纵轴为参照，从上至下依次是光谱4紫色曲线、光谱2绿色曲线、光谱3蓝色曲线、光谱1红色曲线。评估结果见表4。

表4 绿色卡纸上血指印种属检测质量评估表

3.2.4 棕色硬纸板上不同种类血指印的实验结果(见图13)

光谱图如图14所示。

图13 棕色硬纸板上不同种类血指印

图14 棕色硬纸板上不同种类血指印的光谱曲线图

图14的光谱曲线图，以450 nm处纵轴为参照，从上至下依次是光谱4紫色曲线、光谱3蓝色曲线、光谱2绿色曲线、光谱1红色曲线。评估结果见表5。

表5 棕色硬纸板上血指印种属检测质量评估表

3.2.5 黑色棉麻上不同种类血指印的实验结果(见图15)

图15 黑色棉麻上不同种类血指印

光谱图如图16所示。

图16 黑色棉麻上不同种类血指印的光谱曲线图

图16的光谱曲线图，以950 nm处纵轴为参照，从上至下依次是光谱4紫色曲线、光谱3蓝色曲线、光谱2绿色曲线、光谱1红色曲线。评估结果见表6。

表6 黑色棉麻上血指印种属检测质量评估表

图17 粉红色卡纸上不同种类血指印

3.2.6 粉红色卡纸上不同种类血指印的实验结果(见图17)

光谱图如图18所示。

图18 粉红色卡纸上不同种类血指印的光谱曲线图

图18的光谱曲线图，以450 nm处纵轴为参照，从上至下依次是光谱4紫色曲线、光谱2绿色曲线、光谱3蓝色曲线、光谱1红色曲线。评估结果见表7。

表7 粉红色卡纸上血指印种属检测质量评估表

3.2.7 棕色麂皮上不同种类血指印的实验结果(见图19)

图19 棕色麂皮上不同种类血指印

光谱图如图20所示。

图20 棕色麂皮上不同种类血指印的光谱曲线图

图20的光谱曲线图，以450 nm处纵轴为参照，从上至下依次是光谱4紫色曲线、光谱2绿色曲线、光谱3蓝色曲线、光谱1红色曲线。评估结果见表8。

表8 棕色麂皮上血指印种属检测质量评估表

以上图谱及质量评估表分析可知，基于高光谱成像技术进行血痕迹种属鉴定的实验结果，在红色荔枝纹皮革、绿色卡纸、粉红色卡纸和棕色麂皮上，人血、鸡血、蛇血指印相互区分效果较好；在姜黄色卡纸上，鸡血指印与人血、蛇血指印可以区分，人血指印与蛇血指印则难以区分；在棕色硬纸板上，蛇血指印与人血、鸡血指印的区分效果良好，而人血指印与蛇血指印不能被区分；在黑色棉麻上人血、鸡血、蛇血指印难以相互区分。

4 结论

传统的血迹检测方法大多是有损检验，本文基于高光谱成像技术，使用Imaging System得到每个样本的光谱影像集，MISystem3.0 软件获得横坐标为波长，纵坐标为亮度值的光谱曲线图，由于不同物种间血液内部成分不同，在可见和红外区域的亮度值也不同。

借鉴国内常用的指纹质量评价标准，针对光谱曲线之间的差值大小，制定质量评估表，从而直观、准确的根据实验结果得出结论。实现血迹快速、无损的种属鉴定，并在此基础上进行不同物种血指印的可视化检验及其种属鉴定，评估不同颜色不同材质载体上血迹种属鉴定的检测质量及其灵敏度。综合本文实验可知，运用高光谱成像技术可以对血迹进行种属检测且显现血指印方法简单，灵敏度较高，可用于刑事案件中种属鉴定的预实验。

但本文选用的动物血和载体种类有限，质量评估标准需改进，实验数据还需扩充。在今后的研究中还会增加动物血和载体的种类，结合统计学的方法，对MISystem3.0软件计算每条光谱曲线的数值进行分析，科学量化数据并总结基于高光谱成像技术对血迹进行种属检测同时显现血指印的可行性方法，为公安实际工作和科研提供数据信息和技术支撑。