應(yīng)用光譜成像技術(shù)顯現(xiàn)和增強(qiáng)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(shù)是近年來物證鑒定領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)方向之一，這項(xiàng)技術(shù)能夠在記錄物證空間分布狀態(tài)的同時(shí)，充分挖掘和利用不同物質(zhì)自身特有的光譜信息，實(shí)現(xiàn)對痕跡物證定性定量定位信息的全面檢驗(yàn)。通過成像光譜儀記錄被檢驗(yàn)物體在一定光譜范圍內(nèi)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(gòu)成的光譜影像集。王桂強(qiáng)研究員于2004年在國內(nèi)最早對光譜成像技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了理論研究（如圖1所示）[1]。由于激發(fā)光源、濾波器件、信號接收器件等關(guān)鍵設(shè)備的差異，光譜成像技術(shù)可以根據(jù)光譜響應(yīng)范圍大致劃分為紫外波段光譜成像技術(shù)、可見波段光譜成像技術(shù)以及紅外波段光譜成像技術(shù)。基于不同波段光譜成像技術(shù)的特點(diǎn)和性能，研究潛在指紋的顯現(xiàn)方法以及增強(qiáng)肉眼難以分辨的微弱指紋，是國內(nèi)外法庭科學(xué)工作者共同關(guān)心的問題之一。

二、國內(nèi)外研究動態(tài)

國外研究人員于上世紀(jì)90年代中期就開始有意識地將光譜成像技術(shù)應(yīng)用于物證鑒定領(lǐng)域[2]，但由于技術(shù)方法和儀器設(shè)備性能所限，所取得的研究結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用具有一定的差距。隨著陣列檢測器、高效濾光鏡特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，進(jìn)入本世紀(jì)后，各國物證鑒定研究人員重新認(rèn)識了光譜成像檢驗(yàn)技術(shù)的巨大潛力。2003年澳大利亞的Claude Roux等人[3]使用液晶可調(diào)波長濾光鏡（LCTF）光譜成像裝置進(jìn)行了顯現(xiàn)指印紋線的初步實(shí)驗(yàn)研究，成為物證鑒定領(lǐng)域廣泛研究光譜成像檢驗(yàn)技術(shù)的開端。隨后，David L．Exline等[4]使用LCTF配合可見熒光方法檢驗(yàn)了10美元假鈔上的汗?jié)撝讣y，與傳統(tǒng)光學(xué)檢驗(yàn)方法相比，指印紋線顯現(xiàn)質(zhì)量有很大提高。Edward G．Bartick等[5]率先使用FTIR光譜成像方法根據(jù)脂肪酸、酯、蛋白質(zhì)氨基酸等多種人體大量分泌的化學(xué)物質(zhì)顯現(xiàn)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(shù)，根據(jù)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(xiàn)和增強(qiáng)指紋方面，已經(jīng)開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，所應(yīng)用的理論和技術(shù)方法與光譜成像技術(shù)具有很高的關(guān)聯(lián)性和相似性，為我國物證鑒定領(lǐng)域開展光譜成像技術(shù)研究提供了堅(jiān)實(shí)的科研基礎(chǔ)。公安部物證鑒定中心在“十一五”和“十二五”國家科技支撐計(jì)劃期間先后承擔(dān)了“光譜成像與圖像檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究”、“物證檢驗(yàn)與溯源關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)”兩項(xiàng)科研課題，深入系統(tǒng)地研究了應(yīng)用光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)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(xué)聯(lián)合開發(fā)的“物證鑒定成像光譜影像分析軟件”（MISystem2.0）被認(rèn)定為具有國際先進(jìn)水平的科研成果，于2012年獲得公安部科技進(jìn)步二等獎。經(jīng)過研究人員的不懈努力，光譜成像技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用于研究，逐漸得到了越來越多刑事技術(shù)專家的關(guān)注和認(rèn)可，特別是在指紋顯現(xiàn)與增強(qiáng)技術(shù)中的應(yīng)用，一直是各項(xiàng)研究工作的重點(diǎn)。

三、主要研究成果

（一）應(yīng)用可見波段光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)指紋

在可見光譜范圍（400nm～720nm），我國的科研技術(shù)人員已經(jīng)總結(jié)歸納了比較成熟的針對指紋等痕跡物證的光譜成像檢驗(yàn)技術(shù)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(fù)雜背景這一類的技術(shù)難題（圖2）。在顯現(xiàn)深色客體表面的血指紋（圖3）、增強(qiáng)微弱茚三酮指紋（圖4）等方面，可見光譜成像技術(shù)也顯示出了明顯的優(yōu)勢?？梢姴ǘ喂庾V成像技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于各種有色指紋的增強(qiáng)和顯現(xiàn)工作，在文件檢驗(yàn)工作中也有比較好的檢驗(yàn)效果。在使用可見波段光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)指紋等痕跡物證的過程中，最重要的要點(diǎn)是選取能夠代表痕跡物證的光譜基準(zhǔn)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明選擇物質(zhì)濃度低的區(qū)域作為光譜基準(zhǔn)點(diǎn)對光譜成像識別該種物質(zhì)的處理效果優(yōu)于選擇物質(zhì)濃度高的區(qū)域作為光譜基準(zhǔn)點(diǎn)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(nèi)背景及其他噪聲對待檢樣本的干擾，如不同化學(xué)成分物質(zhì)鑒別、微量物證搜尋與定位，應(yīng)選擇成分單一、濃度較低的目標(biāo)物質(zhì)區(qū)域作為光譜基準(zhǔn)點(diǎn)。另一方面，廣泛選取各種濃度區(qū)域的同種物質(zhì)作為光譜基準(zhǔn)點(diǎn)識別該種物質(zhì)的處理效果最好。若待驗(yàn)樣本表面形態(tài)模糊不清，需要增強(qiáng)反差以最大限度反映樣本形態(tài)特征，如增強(qiáng)指紋等，應(yīng)充分選擇不同濃度目標(biāo)物質(zhì)區(qū)域作為光譜基準(zhǔn)點(diǎn)。

（二）應(yīng)用紅外波段光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)指紋

各種痕跡物質(zhì)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(shù)在此波段具有更高的檢驗(yàn)?zāi)芰ΑＤ壳耙呀?jīng)開展的研究工作主要包括應(yīng)用近紅外光譜成像技術(shù)（650nm～950nm）顯現(xiàn)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(shù)顯示出區(qū)分不同物質(zhì)成分的巨大優(yōu)勢，為檢驗(yàn)指紋表面殘留物質(zhì)，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(shù)的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)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(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，目前傅里葉紅外光譜成像技術(shù)對于檢材的平整度要求比較高，是今后研究工作的重點(diǎn)方向。

（三）應(yīng)用紫外波段光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)指紋

我國法庭科學(xué)領(lǐng)域在紫外照相技術(shù)方面一直處于國際領(lǐng)先地位，如何使光譜成像技術(shù)與紫外照相技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮更大的作用，是我國刑事影像技術(shù)人員不斷努力的方向[8,9]。通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，技術(shù)人員使用SpectroCamTM轉(zhuǎn)輪式全波段CCD光譜成像物證分析儀，已經(jīng)成功解決了紫外光譜區(qū)存在色差的技術(shù)難題，在消除指紋復(fù)雜背景干擾等方面取得了比較理想的顯現(xiàn)效果（圖8）。紫外波段光譜成像技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用于檢驗(yàn)未經(jīng)處理的潛在指紋，特別在顯現(xiàn)滲透性客體表面潛在指紋方面具有明顯優(yōu)勢，也能夠?yàn)榇_定指紋遺留物質(zhì)在紫外光譜范圍的光學(xué)特征提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)資料。在操作中，需要對激發(fā)光源進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證所得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

四、研究展望

光譜成像技術(shù)是法庭科學(xué)領(lǐng)域新興的研究方向和內(nèi)容，通過已有的研究表明，這項(xiàng)技術(shù)能夠?yàn)槲镒C鑒定工作提供更加豐富的物理化學(xué)信息，尤其在指紋的顯現(xiàn)和增強(qiáng)檢驗(yàn)工作中，與傳統(tǒng)光學(xué)方法相比，具有明顯的優(yōu)勢。在今后的科研工作以及實(shí)際辦案應(yīng)用過程中，紫外多光譜成像技術(shù)，將發(fā)揮出越來越重要的作用；紅外光譜成像技術(shù)則可以為判斷指紋供體特征提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)信息，使法庭科學(xué)的檢驗(yàn)方法由單一物證檢驗(yàn)向多學(xué)科專業(yè)融合檢驗(yàn)方向發(fā)展，分析方法由圖形比對向圖譜共同認(rèn)定方向發(fā)展。今后應(yīng)重點(diǎn)研究光譜成像儀器設(shè)備的國產(chǎn)替代化，早日實(shí)現(xiàn)光譜成像技術(shù)在各級刑事技術(shù)部門的全面推廣與應(yīng)用。

[1]王桂強(qiáng).光譜成像檢驗(yàn)技術(shù).刑事技術(shù),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(yīng)用光譜成像技術(shù)消除捺印指印下簽字筆背景實(shí)驗(yàn)研究.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)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.