基于光學相干層析（OCT）技術的車身油漆無損斷層成像研究

劉寧寧，許小京，張 寧,*，蘇 怡

（1. 中國人民公安大學，北京100038；2. 公安部物證鑒定中心，北京100038；

3. 中國刑事警察學院，沈陽110854）

基于光學相干層析（OCT）技術的車身油漆無損斷層成像研究

劉寧寧1，許小京2，張 寧2,*，蘇 怡3

（1. 中國人民公安大學，北京100038；2. 公安部物證鑒定中心，北京100038；

3. 中國刑事警察學院，沈陽110854）

汽車車身油漆碎片及油漆狀附著物是刑事案件現(xiàn)場和交通事故現(xiàn)場常見的物證種類。光學相干層分析（OCT）技術具有無損、快速、高分辨斷層成像的特點，通過光學手段探測車身油漆的斷層圖像，可以無損地獲得油漆的結構特征，能夠為油漆檢驗提供新手段。本文采用深度分辨率為5微米的頻域OCT成像系統(tǒng)對11種不同車型、顏色、品牌的車身油漆進行初步成像研究。結果表明，OCT能夠區(qū)分不同油漆樣品。與光學顯微鏡法、掃描電鏡法和光譜成像技術等傳統(tǒng)油漆檢驗方法相比，OCT技術無需切片即可實現(xiàn)對油漆樣品的實時斷層成像探測，操作簡單，分析過程直觀。另外，該方法還可以得到油漆樣品的光學散射特性，可為油漆物證的同一或種屬認定提供新特征。OCT技術與傳統(tǒng)檢驗方法優(yōu)勢互補、互相組合，有助于進一步縮小偵查范圍，為認定或排除嫌疑車輛提供科學依據(jù)。

汽車車身油漆；光學相干層析；斷層成像；無損

汽車車身油漆碎片及油漆狀附著物是很多刑事案件現(xiàn)場和交通事故現(xiàn)場常見的物證種類，它蘊含著涉事車輛的信息[1]。在這些案件中，由于車輛與車輛、車輛與人、車輛與物體之間發(fā)生碰撞或刮擦等接觸，嫌疑車輛散落或轉移的油漆碎片以及油漆附著物等，易被發(fā)現(xiàn)和提取。車身油漆物證的檢驗鑒定在此類案件的偵破中發(fā)揮著重要作用，通過對現(xiàn)場油漆碎片或油漆附著物的提取、檢驗、分析，能夠為案件偵破提供線索，從而縮小偵查范圍，為認定肇事車輛或排除嫌疑車輛以及案件訴訟提供科學的證據(jù)[2-3]。汽車車身油漆一般都會采用多層涂層[4-5]，層次結構是油漆漆膜的基本特征，不同層的油漆具有不同的特性[6]，不同車種、車型、出廠批次、生產廠家、生產流程和工藝，車身油漆的層數(shù)、層次結構、厚度、形態(tài)、成分等也會有不同程度的區(qū)別[7-9]。因此，通過對汽車車身油漆層次結構的形態(tài)學檢驗，可以對嫌疑車輛做同一或種屬認定。

在物證鑒定領域中有關油漆物證的檢驗方法有很多，如激光誘導擊穿光譜技術、紅外光譜法、掃描電鏡/能譜法、質譜法、裂解氣相色譜法、原子發(fā)射光譜法等[1]多以成分分析為主。目前對車身油漆的形態(tài)學檢驗方法主要有光學顯微鏡法[7]、掃描電子顯微鏡/能譜儀分析法[7-8]和光譜成像技術[9]。掃描電鏡/能譜儀分析法既能比較檢材表面的形態(tài)分布也可以觀察油漆截面圖從而確定漆膜的層次及各漆膜的厚度，又能選擇多個微區(qū)進行主要元素成分及其相對含量的分析[7-8]；光譜成像技術可根據(jù)油漆截面的反射光譜曲線對截面上的區(qū)域進行分類，并對不同的區(qū)域定義偽彩色顯示，從而獲得漆片按光譜特征的分層結構圖像，實現(xiàn)分層識別、多層截面的比對等[9]。但是這幾種方法都必需取得車身油漆碎片并對其作切片處理，才能進行檢驗分析，這不僅會對檢材和樣品都造成一定程度的損傷而且在多數(shù)情況下檢材和樣品也并不具備切片的條件。

本文使用一種新型光學成像技術—光學相干層分析技術[10-13]（Optical Coherence Tomography, 簡稱OCT）。該技術是一種新型的利用生物組織散射光相干原理的光學成像技術，也是法庭科學物證檢驗領域最近應用的一種技術手段。它由美國麻省理工學院電子學實驗室Fujimoto教授率先提出并研發(fā)成功[11]，原理類似于超聲成像技術，是一種基于低相干干涉測量的方法。從光源發(fā)出的光分成2部分，一部分進入?yún)⒖急鄣诌_平面鏡反射后返回，另一部分進入樣品臂打到樣品上，樣品的背向反射和散射光又沿原光路返回。因兩者的光程差在光源的相干范圍內而發(fā)生干涉，干涉信號將被光電探測器檢測而轉換為電信號記錄下來。當參考臂的光程發(fā)生變化，樣品信號也隨樣品的不同深度而變，這就實現(xiàn)了樣品內部結構的斷層成像[10]。根據(jù)其無損、斷層掃描成像、高分辨率和高速成像的特點，檢材無需切片即可快速獲取其特征信息，其在陶瓷[14-15]、玻璃[16-17]、珍珠[18-19]、聚合物[15,20]、紙張[21-22]、文物[23-24]等非生物醫(yī)學領域的應用越來越多，在法庭科學領域也已應用于潛指紋顯現(xiàn)、真?zhèn)沃讣y區(qū)分、假幣鑒別、油畫鑒定、紋身鑒別、毛發(fā)成像、尸體死亡時間推斷等方面[10]。本文應用OCT技術對不同車型、不同顏色、不同品牌的車身油漆進行成像分析，希冀為車身油漆物證的檢驗提供新方法、新技術和新手段。

1 材料和方法

1.1 頻域OCT系統(tǒng)

采用自主搭建的頻域OCT系統(tǒng)，其深度分辨率和橫向分辨率均為5微米，掃描速率為70 kHz。系統(tǒng)使用的光源為寬帶SLD近紅外光源，中心波長為832 nm，譜帶半高全寬60.4 nm，輸出功率13 mW。曝光時間設置為50 μ s時，系統(tǒng)信噪比約為100 dB。樣品的橫向掃描由樣品臂的一組掃描振鏡實現(xiàn)。振鏡與圖形采集保持同步。圖像采集、處理和顯示均由自主開發(fā)的軟件進行。

1.2 油漆樣本

從汽車4s店收集到 11個不同品牌、不同車型、不同顏色的車身油漆樣本，見表1，將這11個油漆樣本分別按照不同車型、不同顏色、不同品牌分為以下幾組進行區(qū)分實驗研究。

表1 實驗樣本分類Table 1 Source of the experimental samples

2 結果與討論

2.1 車身油漆樣本OCT圖像

分層結構是油漆漆膜的基本特征，準確區(qū)分車身油漆膜的每一層，是對車身油漆進行形態(tài)學比對檢驗的關鍵。汽車車身油漆層通常分為底漆層、中涂層、面漆層和罩光清漆層，每層漆層的厚度大約從20到40微米不等，OCT技術由于其采用了近紅外光，對油漆可穿透一定深度，而且其深度分辨率一般在幾到十幾微米，能夠實現(xiàn)對汽車車身油漆的斷層識別。運用OCT技術檢驗車身油漆樣品，能夠快速獲得油漆樣品的二維斷層圖像。本實驗所展示的樣品油漆二維斷層圖像大小為300×200像素，圖1所示為油漆的掃描電鏡圖（左）和二維OCT斷層圖（右），可以觀察到明顯的分層現(xiàn)象，由于罩光清漆層是一層透光性較好的油漆，光在其中基本沒有散射，因此在OCT圖像中表現(xiàn)為較暗區(qū)域，而面漆層，由于其內部一般含有鋁粉等金屬物質，對光的反射較強，因此在OCT圖像中表現(xiàn)為較為明亮的區(qū)域。為減小隨機噪聲，本研究對樣品的二維斷層圖像選擇20個不同的點進行測量，提取20組縱向一線數(shù)據(jù)求平均值而得到樣品的縱向一線信號圖，如圖2所示，其中橫坐標為像素序號（代表斷層深度），縱坐標為散射強度，通過觀察縱向一線數(shù)據(jù)中信號峰的個數(shù)、峰間距、峰強度等信息，可實現(xiàn)對樣品的分層分析。本文所獲得的二維斷層圖像是傾斜的，原因是為了防止反射光太強導致超出顯示的動態(tài)范圍而在采集時給予了樣品一定的角度。由于OCT采用的是相干光技術，在OCT圖像中，層厚實際代表的是光程（折射率×實際厚度）。因此，OCT的層厚還反映了樣品各層的折射率信息。同時，在一線信號中，峰的強度則代表了該層對近紅外光的散射強度，用第二個信號峰強度比上第一個信號峰強度可得到樣品的散射強度比。

2.2 車身油漆樣本OCT圖像對比

不同車種、車型、顏色的車身油漆具有不同的漆膜結構特性。通過對車身油漆OCT圖像進行比對檢驗，能夠很好地區(qū)分不同車種、車型、顏色，為車輛的同一認定或種屬認定提供新的特征、方法和依據(jù)。

圖1 樣品掃描電鏡圖（左）和二維OCT斷層圖（右）Fig.1 The image of scanning electron microscopy (left) and 2D tomographic one (right) of the sample

圖2 樣品縱向一線信號圖Fig.2 The longitudinal signal of the sample

2.2.1 不同顏色車身油漆對比

實驗將油漆樣本根據(jù)同品牌、同車型、不同顏色分為三組進行對比區(qū)分，分別是樣品D1、B3為銀灰色和黑色凱越，樣品B2、A4為黑色和白色全新英朗，樣品B1、A3為黑色和白色英朗GT，通過對樣品二維斷層圖像和縱向一線信號圖進行對比，如圖3所示，可觀察到樣品D1有4個明顯的縱向一線信號峰、B3僅有1個，故從信號峰的數(shù)量可以區(qū)分D1和B3；如圖4所示，可觀察到樣品B2和A4均為2個縱向一線信號峰，通過對樣品罩光清漆層光程和散射強度比的計算分析，可知B2和A4的罩光清漆層光程也均為64 μ m，但其散射強度比分別為0.220與1.250，故從樣品的散射強度比可以區(qū)分兩者；樣品B1有2個縱向一線信號峰、A3則只1個峰，故此兩者也可從信號峰的數(shù)量加以區(qū)分。

圖3 銀灰色（D1）和黑色（B3）凱越二維斷層OCT圖像（上）和縱向一線數(shù)據(jù)（下）比較Fig.3 Comparison of 2D tomographic images (upper) and longitudinal signals (lower) from the Excelle's silver (D1) and black (B3) paints

圖4 黑色（B2）和白色（A4）全新英朗二維斷層OCT圖像（上）和縱向一線數(shù)據(jù)（下）比較Fig.4 Comparison of 2D tomographic images (upper) and longitudinal signals (lower) from the black (B2) and white (A4) paints of New Hideo

2.2.2 不同品牌車身油漆對比

在交通肇事案件和刑事案件現(xiàn)場中，現(xiàn)場勘察人員所提取收集的油漆碎片，多來源于不同的汽車品牌，因此，常需要檢驗同種顏色但不同品牌車身的油漆。本實驗針對同顏色不同品牌的車身油漆樣本進行了1組實驗，樣品A4為來自別克汽車品牌的白色全新英朗、A5為白色南京依維柯，通過對樣品A4、A5二維斷層圖像和縱向一線信號圖進行對比，如圖5所示，可觀察到樣品A4有2個明顯的縱向一線信號峰，樣品A5只有1個信號峰，故從信號峰的數(shù)量可以區(qū)分樣品A4與A5。

圖5 白色全新英朗（A4）和白色南京依維柯（A5）二維斷層OCT圖像（上）和縱向一線數(shù)據(jù)（下）比較Fig.5 Comparison of 2D tomographic images (upper) and longitudinal signals (lower) between the New Hideo's white (A4) paint and the Naveco's white (A5) one

2.2.3 不同車型車身油漆對比

同品牌同顏色但不同車型的汽車車身油漆，因外貌形態(tài)較為接近，常難以區(qū)分鑒別，本實驗采用OCT技術，能夠對同品牌同顏色但不同款型車身的油漆樣本區(qū)分。將油漆樣本分為3組，分別是A1至A4為昂科威、昂科拉、英朗GT、全新英朗四款不同車型的白色別克汽車油漆，B1和B3 為英朗GT、凱越兩種不同車型的黑色別克汽車油漆，C1和C2為君威、君越兩種不同車型的棕色別克汽車油漆。通過對樣品二維斷層圖像和縱向一線信號圖作對比，如圖6所示，可觀察到樣品A3只有1個明顯的縱向一線信號峰，A1、A2、A4均有2個明顯的信號峰，從信號峰的數(shù)量可以區(qū)分A3與A1、A2、A4，通過對樣品罩光清漆層光程的計算分析，可知A1、A2均為68 μm、A4為64 μ m，從罩光清漆層光程可以區(qū)分開A4與A1、A2，雖然A1、A2信號峰數(shù)量和罩光清漆層光層都相同，但是A1散射強度比為3.415、A2散射強度比為1.718，從散射強度比可以區(qū)分A1和A2；類似地，樣品B3只有1個明顯的縱向一線信號峰，B1有2個明顯的信號峰，從信號峰的數(shù)量可以區(qū)分B3與B1；C1和C2的區(qū)分循理相同。

圖6 白色昂科威（A1）、昂科拉（A2）、英朗GT（A3)、全新英朗（A4）二維斷層OCT圖像（上）和縱向一線數(shù)據(jù)（下）比較Fig.6 Comparison of 2D tomographic images (upper) and longitudinal signals (lower) among the white paints from Enxision's (A1), Encore's (A2), Hideo GT's (A3) and New Hideo's (A4)

通過對以上研究結果的初步分析，可以總結歸納得出表2結果如下。

表2 不同樣品的特征參數(shù)比較Table 2 Comparison of characteristic parameters of different samples

3 結論

以上研究結果表明，運用OCT技術對汽車車身油漆樣品進行檢驗，能夠對10款別克和1款依維柯汽車油漆的結構進行分層定性和/或定量表征，實現(xiàn)對不同顏色、不同品牌、不同車型車身油漆樣本的對比區(qū)分。同傳統(tǒng)的油漆物證檢驗方法相比，應用OCT技術檢驗汽車車身油漆的優(yōu)勢在于無需對樣品或者檢材進行任何切片處理就可對油漆作檢驗，整個過程簡便、快速、高效。而OCT技術的成像速度更快，可以達到實時成像檢驗以及三維立體數(shù)據(jù)的采集提取，從而可切取三維樣本任意橫截面的二維斷層分層圖像并可從中獲取縱向一線信號圖，通過取多組平均的方法，數(shù)據(jù)將會更加合理、準確、直觀。

根據(jù)不同油漆樣品的OCT圖像，可以得到油漆樣品的信號峰數(shù)、光程、散射強度等新型特征參數(shù)，總結提取這些關鍵特征參數(shù)，比較其差異，可實現(xiàn)車身油漆的定量分析檢驗。若與傳統(tǒng)的油漆物證檢驗方法相結合，優(yōu)勢互補、科學組合，OCT賴于其無損、快速、精準的優(yōu)點，必能更好地實現(xiàn)對車身油漆物證的同一認定或種屬認定，為公安機關科學分析案件提供更豐富全面的信息，這對于快速破案具有重大意義。作為一種新方法、新技術和新手段，OCT的應用前景非常廣闊。

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Studies on Optical Coherence Tomographic Images from Nondestructive Paint Chips of Motor Vehicles

LIU Ningning1, XU Xiaojing2, ZHANG Ning2,*, SU Yi3
(1. People's Public Security University of China, Beijing 100038, China;
2. Institute of Forensic Science, Ministry of Public Security, Beijing 100038, China;
3. National Police University of China, Shenyang 110854, China)

Vehicle's paint chip is a kind of common evidence that can play significant role in related criminal and/or traffi c accident cases. Optical coherence tomography (OCT) is characteristic of non-destruction, fast and high resolution to image cross-sectionally. Therefore, it provides a new choice for vehicle's paint to be examined by the detection of its optical reflection and scattering. In this paper, the domain-spectral OCT imaging system was adopted with the depth resolution of 5 micron to image 11 sorts of different paints from various models, colors and brands of motor vehicles. The results demonstrated that OCT can make a good distinction between different paint samples. Compared to the traditional paint's examination such as optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and spectral imaging technology, OCT can directly obtain the real-time tomographic images of the paints with no necessity of slicing. In addition, the optical scattering properties can be analyzed to provide new features for separating different paint samples. The OCT is capable of combining with traditional methods to further narrow the scope of investigation so that the comprehensive means are likely being offered to determine or rule out the suspect vehicles.

vehicle paint; optical coherence tomography (OCT); cross-sectional imaging; nondestructiveness

DF793.2

A

1008-3650(2016)05-0367-05

2016-05-05

格式：劉寧寧，許小京，張寧，等. 基于光學相干層析（OCT）技術的車身油漆無損斷層成像研究[J].刑事技術，2016, 41(5): 367-371.

10.16467/j.1008-3650.2016.05.005

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目（No.2015JB012），國家自然科學基金項目（No.61505034）

劉寧寧（1989—）,男，山東滕州人，碩士研究生，研究方向為刑事圖像技術。E-mail:liuqirang@126.com

* 通訊作者：張寧（1988—），男，江西吉安人，博士，助理研究員，研究方向為刑事圖像技術。E-mail: zhangning@cifs.gov.cn