視頻熒光光譜圖像技術(shù)鑒別復(fù)印紙

陳維娜， 楊春松， 楊 旭

(1. 中國(guó)人民公安大學(xué)， 北京 100038； 2. 北京華夏物證鑒定中心， 北京 100089；3. 司法部司法鑒定科學(xué)技術(shù)研究所， 上海 200042)

1 引 言

復(fù)印紙是適用于復(fù)印機(jī)、打印機(jī)和傳真機(jī)使用的紙張[1]，紙品潔白、平整，纖維細(xì)密，挺度較高，因其具有一定的抗靜電性，也稱為“靜電復(fù)印紙”。復(fù)印紙的性能穩(wěn)定，是日常辦公中一種不可或缺的紙質(zhì)品。一些不法之徒常利用復(fù)印紙來(lái)印制反動(dòng)宣傳品、敲詐勒索信等，使復(fù)印紙成為其從事違法犯罪活動(dòng)的一種工具；此外，在經(jīng)濟(jì)類案件中，當(dāng)事方有時(shí)通過(guò)復(fù)制、換頁(yè)等方式來(lái)偽造或變?cè)旌贤f(xié)議、票證等文件材料，引發(fā)民商事糾紛，破壞金融秩序。因此，法庭科學(xué)領(lǐng)域的文件檢驗(yàn)從業(yè)人員經(jīng)常要對(duì)復(fù)印紙的種類、品牌、批次等進(jìn)行檢驗(yàn)和鑒別，確定文件材料的真?zhèn)渭皝?lái)源，進(jìn)而為偵查工作提供方向和線索，為法庭訴訟提供有力的證據(jù)。

國(guó)內(nèi)外的文件檢驗(yàn)從業(yè)人員通常使用顯微鏡檢法、紅外光譜法、紫外-可見(jiàn)反射光譜法、掃描電鏡與電子能譜儀檢驗(yàn)法等[2-7]對(duì)復(fù)印紙的纖維種類、填料成分等進(jìn)行定性分析。但這些方法或操作復(fù)雜、或儀器設(shè)備昂貴、或損壞紙張樣品，都具有一定的局限性，在實(shí)際辦案中難以普及。復(fù)印紙中含有熒光增白劑等熒光物質(zhì)，在一定波長(zhǎng)光源的激發(fā)下多數(shù)都能發(fā)射熒光；但由于不同廠家生產(chǎn)復(fù)印紙的工藝、配方以及原料來(lái)源都有可能不同，故不同復(fù)印紙樣本的熒光現(xiàn)象就可能存在差異，這就為我們利用視頻熒光光譜法檢驗(yàn)、鑒別復(fù)印紙?zhí)峁┝艘罁?jù)。

視頻熒光光譜檢驗(yàn)法是借助視頻光譜儀(又稱文檢儀)，選擇激發(fā)光譜獲得某一文件材料的最佳熒光效果，通過(guò)熒光現(xiàn)象和強(qiáng)度來(lái)鑒別可疑文件的性質(zhì)、狀態(tài)及真?zhèn)蔚囊环N準(zhǔn)確、可靠的方法[8]。由于該方法具有無(wú)損、快速且檢驗(yàn)結(jié)果直觀的優(yōu)勢(shì)，在文件檢驗(yàn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，視頻光譜儀也成為法庭科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中必備的儀器設(shè)備，普及程度極廣。本文嘗試通過(guò)視頻熒光光譜檢驗(yàn)法結(jié)合圖像處理技術(shù)尋求一種更有效、更便捷的檢驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)不同品牌、型號(hào)復(fù)印紙的快速、無(wú)損鑒別。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 儀器

英國(guó)法司特公司(Foster & Freeman)的VSC6000視頻光譜儀，配置光源有泛光源、透射光源、強(qiáng)光源、側(cè)光源(白熾燈400～1 000 nm)，同軸光源、衍射光源(LED 400～700 nm)，紫外光源(低壓蒸氣放電管 UV-A/B/C)，反斯托克斯激發(fā)光源(閃光管 850～1 100 nm)等；監(jiān)視器為高分辨率內(nèi)置冷紅外彩色數(shù)碼攝像系統(tǒng)，光譜范圍400～1 000 nm；PC系統(tǒng)和VSC6000軟件。

2.2 樣品

從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上采購(gòu)定量為70 g/m2、紙幅規(guī)格為A4(297 mm×210 mm)的復(fù)印紙共20種作為實(shí)驗(yàn)樣品，編號(hào)Y1～Y20；涉及15個(gè)品牌，12個(gè)生產(chǎn)廠家，詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

表1 不同品牌的復(fù)印紙

表1(續(xù))

2.3 方法及工作條件

將待檢樣品置于視頻光譜儀的載物臺(tái)上，光學(xué)放大16倍，以便清晰地觀察到紙張表面狀態(tài)和纖維分布情況；在同一樣品上隨機(jī)選擇3個(gè)不同部位，分別在長(zhǎng)波紫外光源(激發(fā)光源功率9 W、數(shù)量4個(gè)，截止濾色片長(zhǎng)通可見(jiàn)、曝光時(shí)間15 ms、光圈60%)和強(qiáng)光源(激發(fā)光源尺寸50 mm、功率25 W、電壓24 V，濾色片400～570 nm、截止濾色片長(zhǎng)通715 nm、曝光時(shí)間354 ms、光圈80%)條件下獲取樣品的視頻熒光光譜圖像，對(duì)熒光現(xiàn)象、熒光強(qiáng)度進(jìn)行觀察和記錄；應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)獲取的視頻熒光光譜圖像進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 紫外視頻熒光光譜分析

在長(zhǎng)波紫外光源的工作條件下，獲取不同紙張樣品的視頻熒光光譜圖像(Video fluorescence spectroscopy，VFS)。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)：樣品Y1～Y20在UV-365 nm激發(fā)光源下均可發(fā)出藍(lán)色熒光，同一樣品的視頻熒光光譜反映一致，不同樣品間的熒光強(qiáng)弱沒(méi)有明顯差異，但熒光現(xiàn)象的表現(xiàn)不同，大體可分為4類。第Ⅰ類樣品的熒光光譜均勻、雜質(zhì)少，如Y1(圖1)；第Ⅱ類樣品的熒光光譜中有長(zhǎng)短不一的纖維狀暗色區(qū)域，如Y16(圖2)；第Ⅲ類樣品的熒光光譜中不僅有纖維狀暗色區(qū)域，還有大小不一的點(diǎn)塊狀暗色區(qū)域，如Y9(圖3)；第Ⅳ類樣品的熒光光譜中除有部分暗色區(qū)域外，還有少量的纖維狀亮色區(qū)域，如Y17(圖4)。

圖1 樣品Y1的UV視頻熒光光譜

圖2 樣品Y16的UV視頻熒光光譜

圖3 樣品Y9的UV視頻熒光光譜

圖4 樣品Y17的UV視頻熒光光譜

紙張樣品在紫外光源激發(fā)下發(fā)出藍(lán)色熒光的現(xiàn)象反映出這20種紙張樣品中均含有熒光增白劑。熒光增白劑是一種色彩調(diào)理劑，其作用原理是吸收光線中不可見(jiàn)的紫外線而反射出強(qiáng)的藍(lán)色光線，以彌補(bǔ)和增強(qiáng)白色物體因藍(lán)光缺損而造成的視覺(jué)上的泛黃，是造紙過(guò)程中一種常用的添加劑。部分紙張樣品紫外光視頻熒光光譜中出現(xiàn)的點(diǎn)塊狀暗色區(qū)域是造紙過(guò)程中添加的填料、膠料所致；纖維狀亮色區(qū)域或暗色區(qū)域是不同紙漿纖維的光致發(fā)光現(xiàn)象不同所引起的差異。盡管不同品牌、型號(hào)的復(fù)印紙中均含有熒光增白劑，但由于不同復(fù)印紙樣品中所用的造紙?jiān)喜煌?，因此紙張的視頻熒光光譜特性存在差異，根據(jù)上述熒光光譜的特征差異可對(duì)不同紙張進(jìn)行初步鑒別，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 復(fù)印紙樣本的長(zhǎng)波紫外光分析結(jié)果

3.2 強(qiáng)光源視頻熒光光譜分析

由于在紫外光源激發(fā)下，紙張樣品中一些纖維物質(zhì)和填料、膠料等化學(xué)物質(zhì)不發(fā)光，導(dǎo)致部分紙張樣品中存在暗色區(qū)域，故嘗試采用強(qiáng)光源激發(fā)紙張熒光，以便進(jìn)一步對(duì)紙張的光致發(fā)光現(xiàn)象進(jìn)行探究。

在強(qiáng)光源的工作條件下，獲取不同紙張樣品的VFS圖像，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)紙張樣品均可呈現(xiàn)出不同程度的亮色熒光，發(fā)光部位多呈點(diǎn)塊狀和纖維狀。同一紙張樣品的不同部位熒光光譜未見(jiàn)明顯差異。不同樣品的VFS圖像則呈現(xiàn)出不同的表現(xiàn)，大致可分為6類：第Ⅰ類樣品的熒光光譜整體色調(diào)很暗，存在極少量且微弱的熒光點(diǎn)和條，如Y4(圖5)；第Ⅱ類樣品的熒光光譜整體色調(diào)也很暗，但存在較多微弱的熒光點(diǎn)和條，如Y9(圖6)；第Ⅲ類樣品的熒光光譜整體色調(diào)灰暗，存在少量的熒光點(diǎn)和條，如Y2(圖7)；第Ⅳ類樣品的熒光光譜整體色調(diào)灰暗，存在較多的熒光點(diǎn)和條，如Y14(圖8)；第Ⅴ類樣品的熒光光譜整體色調(diào)灰白，存在大量明亮的熒光點(diǎn)和條，如Y5(圖9)；第Ⅵ類樣品的熒光光譜整體色調(diào)很亮，存在大量明亮且連成片的熒光點(diǎn)和條，如Y13(圖10)。根據(jù)VFS圖像中是否存在熒光區(qū)域以及熒光的強(qiáng)弱、分散程度、形態(tài)和面積等視頻熒光光譜特征可進(jìn)一步對(duì)復(fù)印紙樣品進(jìn)行鑒別，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖5 樣品Y4的強(qiáng)光源視頻熒光光譜

圖6 樣品Y9的強(qiáng)光源視頻熒光光譜

圖7 樣品Y2的強(qiáng)光源視頻熒光光譜

圖8 樣品Y14的強(qiáng)光源視頻熒光光譜

圖9 樣品Y5的強(qiáng)光源視頻熒光光譜

圖10 樣品Y13的強(qiáng)光源視頻熒光光譜

表3 復(fù)印紙樣品的強(qiáng)光源分析結(jié)果

經(jīng)與長(zhǎng)波紫外光視頻熒光光譜(UV-365 nm VFS)比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)熒光可激發(fā)出紫外光條件下不發(fā)光的紙張物質(zhì)熒光。如圖11所示，樣品Y6的黃色方框標(biāo)示區(qū)域在紫外光條件下不發(fā)光，但在強(qiáng)光源條件下可以發(fā)出微弱的熒光；如圖12所示，樣品Y8在紫外光條件下那些纖維狀的暗色區(qū)域，在強(qiáng)光源條件下可以發(fā)出明亮的熒光，圖12中用黃色方框?qū)Σ糠謪^(qū)域進(jìn)行了標(biāo)識(shí)。

圖11 樣品Y6的UV視頻熒光光譜與強(qiáng)光源視頻熒光光譜對(duì)比圖

圖12 樣品Y8的UV視頻熒光光譜與強(qiáng)光源視頻熒光光譜對(duì)比圖

從紫外光與強(qiáng)光源工作條件下VFS的比對(duì)中可以發(fā)現(xiàn)，紫外光主要用于激發(fā)紙張中熒光增白劑的熒光，而強(qiáng)光源則主要激發(fā)紙張中纖維物質(zhì)和填料、膠料等化學(xué)品的熒光。由于不同品牌、型號(hào)的紙張所用的紙漿存在差異，造紙過(guò)程中加入的填料等濕部化學(xué)品和表面施膠的物質(zhì)種類、用量均有所不同，故強(qiáng)光源激發(fā)出的紙張樣品的發(fā)光現(xiàn)象也不相同。

紫外光和強(qiáng)光源工作條件下均可對(duì)復(fù)印紙樣品做出快速的鑒別，主要的依據(jù)是視頻光譜中的熒光現(xiàn)象及通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的光譜形態(tài)學(xué)特征。兩種激發(fā)光源得到的VFS存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，相比而言強(qiáng)光源工作條件下的鑒別效果更佳。但不可否認(rèn)的是這兩種基于形態(tài)學(xué)的鑒別方式受主觀影響較大，同一熒光現(xiàn)象不同人可能存在不同的解讀，因此有必要結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)視頻熒光光譜進(jìn)行分析，使得鑒別結(jié)果在可視化的基礎(chǔ)上更為客觀。

3.3 熒光光譜圖像的量化分析

強(qiáng)光源工作條件下不同紙張樣品的熒光現(xiàn)象區(qū)分度較紫外光工作條件下更大，且VFS中的熒光強(qiáng)度、形態(tài)均存在差異，因此嘗試使用Matlab2017a科學(xué)圖形計(jì)算工作站對(duì)強(qiáng)光源工作條件下的熒光光譜圖像在可視化基礎(chǔ)上進(jìn)行量化分析。

3.3.1 等高線分布

根據(jù)強(qiáng)光源工作條件下獲取的紙張樣品的視頻熒光光譜圖像，按當(dāng)前色階的明暗值繪制等高線分布圖；原圖像中的色階越暗，等高線圖像中的線條顏色越深，反之則越淺；以此將視頻熒光光譜圖像賦予偽彩色，使其可視化效果更為清晰。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)同一樣品復(fù)印紙的等高線分布圖相符合，不同樣品復(fù)印紙的等高線分布圖存在一定差異，主要表現(xiàn)在顏色、層次、分布位置和面積等方面。圖13是樣品Y17的等高線分布圖，以紫色和藍(lán)色為主，色調(diào)層次單一，分布位置相對(duì)集中在中心和邊緣區(qū)域；圖14是樣品Y15的等高線分布圖，圖中由外向內(nèi)可見(jiàn)紫色、藍(lán)色和綠色3層相對(duì)集中的環(huán)形區(qū)域，色調(diào)依舊以冷色為主，層次相對(duì)單一；圖15是樣品20的等高線分布圖，其中紫色、藍(lán)色、綠色和黃色呈密集分布狀，層次豐富；圖16是樣品10的等高線分布圖，圖中以暖色調(diào)黃色為主色，邊緣零星有紫色、藍(lán)色和綠色的分布。由此可見(jiàn)，根據(jù)這些等高線分布特征差異可定性地對(duì)不同紙張進(jìn)行分析和鑒別，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖13 樣品Y17的等高線分布圖

圖14 樣品Y15的等高線分布圖

圖15 樣品Y20的等高線分布圖

圖16 樣品Y10的等高線分布圖

表4 復(fù)印紙樣品的等高線分析結(jié)果

3.3.2 熒光強(qiáng)度分析

將強(qiáng)光源工作條件下獲取的視頻熒光圖像轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ab模式，分別計(jì)算出各樣品3個(gè)被檢測(cè)部位的L、a、b值，對(duì)應(yīng)0～255范圍，得到紙張樣品視頻熒光的亮度信息。分析中發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)部位的L值不同,a值、b值均為128，故通過(guò)L值對(duì)紙張樣品的熒光強(qiáng)度進(jìn)行量化分析，結(jié)果見(jiàn)表5、圖17。

對(duì)表5中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，不同紙張樣品的熒光圖像L值最低為63.28，最高為253.08，均值為138.55，標(biāo)準(zhǔn)偏差為62.08，存在明顯差異。

由圖17可知，根據(jù)樣本Y1～Y20 VFS圖像的L值分布情況，可將20種復(fù)印紙樣品分為4類。第Ⅰ類：樣品Y1、Y4、Y6、Y9、Y11、Y12和Y17，VFS圖像中L值均低于100，熒光弱。第Ⅱ類：樣品Y2、Y3、Y8、Y14、Y15、Y16和Y20，VFS圖像中L值在100～150之間，熒光強(qiáng)度較弱。第Ⅲ類：樣品Y5和Y19，VFS圖像中L值在150～200之間，熒光強(qiáng)度較強(qiáng)。第Ⅵ類：樣品Y7、Y10、Y13和Y18，VFS圖像中L值均高于200，熒光強(qiáng)。

表5 樣品Y1～Y20 VFS圖像的L值

圖17 樣品Y1～Y20 VFS圖像的L值分布

3.4 鑒別結(jié)果

3.4.1 鑒別指標(biāo)

通過(guò)視頻熒光光譜和圖像處理技術(shù)能夠?qū)?fù)印紙進(jìn)行檢驗(yàn)，依據(jù)是不同紙張的紙漿纖維成分、添加的濕部化學(xué)品成分和膠料、色料等存在一定差異，通過(guò)視頻熒光現(xiàn)象的形態(tài)學(xué)分析、定性和量化檢測(cè)，分別采用UV-365 nm視頻熒光現(xiàn)象(UV-365 nm VFS)、強(qiáng)光源視頻熒光現(xiàn)象(400～570 nm VFS)、熒光圖像等高線分布(VFS-C)和熒光強(qiáng)度量化統(tǒng)計(jì)(VFS-L)4項(xiàng)鑒別指標(biāo)，可將不同品牌、型號(hào)的復(fù)印紙張大致分為4類或6類，見(jiàn)表6。

3.4.2 鑒別結(jié)果

綜合利用UV-365 nm視頻熒光現(xiàn)象(UV-365 nm VFS)、強(qiáng)光源視頻熒光現(xiàn)象(400～570 nm VFS)、熒光圖像等高線分布(VFS-C)和熒光強(qiáng)度量化統(tǒng)計(jì)(VFS-L)4項(xiàng)鑒別指標(biāo)，對(duì)復(fù)印紙進(jìn)行系統(tǒng)分析和指標(biāo)疊加鑒別，可將20種不同品牌、不同型號(hào)的復(fù)印紙細(xì)化為12類；每一類中最多有4個(gè)樣本，最少僅1個(gè)樣本；其中復(fù)印紙樣本Y4、Y6、Y9、Y10、Y11、Y17、Y18在一定程度上實(shí)現(xiàn)了唯一性鑒別，結(jié)果見(jiàn)表7。

表6 不同鑒別指標(biāo)下復(fù)印紙樣品分類

表7 復(fù)印紙樣品鑒別結(jié)果

4 結(jié) 論

不同品牌、不同型號(hào)的復(fù)印紙中均含有熒光增白劑，但因在造紙過(guò)程中使用的原料不同，加入的填料、膠料、色料等化學(xué)成分存在差異，雖在紫外光源激發(fā)下均可發(fā)出藍(lán)色熒光，但熒光現(xiàn)象存在一定差異。根據(jù)紫外光視頻熒光現(xiàn)象的形態(tài)學(xué)特征差異可對(duì)不同紙張進(jìn)行初步鑒別。不同品牌、不同型號(hào)的復(fù)印紙組成成分不同，故在強(qiáng)光源激發(fā)下不同紙張樣品的視頻熒光特性存在形態(tài)學(xué)上的差異。據(jù)此，可將樣品Y1～Y20加以鑒別。通過(guò)繪制視頻熒光圖像的等高線分布圖，根據(jù)顏色、層次、分布位置和面積等特征差異，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)印紙樣品的可視化鑒別。通過(guò)計(jì)算不同紙張樣品視頻熒光圖像的L值，發(fā)現(xiàn)不同品牌、不同型號(hào)紙張的熒光強(qiáng)度存在明顯差異，利用L值所在區(qū)間的不同，可以對(duì)紙張樣品的熒光強(qiáng)度進(jìn)行量化分析和鑒別。綜合運(yùn)用UV-365 nm視頻熒光現(xiàn)象、強(qiáng)光源視頻熒光現(xiàn)象、熒光圖像等高線分布和熒光強(qiáng)度量化統(tǒng)計(jì)4項(xiàng)鑒別指標(biāo)可將不同品牌、型號(hào)的20種復(fù)印紙樣品分為12類，其中樣本Y4、Y6、Y9、Y10、Y11、Y17、Y18自成一類，實(shí)現(xiàn)了復(fù)印紙樣本的唯一性鑒別。

由此可見(jiàn)，使用視頻熒光光譜可以快速、清晰地觀察到不同品牌、型號(hào)紙張樣品在紫外光、強(qiáng)光源工作條件下的視頻熒光現(xiàn)象；結(jié)合圖像處理技術(shù)可對(duì)熒光強(qiáng)度和形態(tài)進(jìn)行可視化分析和量化檢驗(yàn)。視頻熒光光譜圖像處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)印紙的系統(tǒng)分析和有效鑒別，這種分析方法能夠有效地應(yīng)用于法庭科學(xué)中對(duì)于復(fù)印紙的檢驗(yàn)，為案件偵破提供重要的線索和訴訟證據(jù)。

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