基于高光譜成像技術(shù)的涂抹掩蓋字跡識別方法研究

王鳴久，代雪晶，湯澄清，盧兆一

基于高光譜成像技術(shù)的涂抹掩蓋字跡識別方法研究

王鳴久1，代雪晶1，湯澄清2，盧兆一1

（1. 中國刑事警察學院 公安信息技術(shù)與情報學院，遼寧 沈陽 110035；2. 中國刑事警察學院 刑事技術(shù)學院，遼寧 沈陽 110035）

在刑事案件和民事案件中，許多重要文件中的簽名、日期、數(shù)字等字跡常常被有意涂抹而掩蓋其真實信息，因而無法作為證據(jù)使用。因此，開展高光譜成像技術(shù)（450～950nm）快速無損顯現(xiàn)涂抹掩蓋字跡十分必要。涂抹掩蓋字跡中，黑色簽字筆作為書寫及涂抹工具占多數(shù)，因此從21種黑色簽字筆中隨機選取兩種進行相互涂抹作為樣本。同時，選取墨水中含有碳元素和不含有碳元素的黑色簽字筆各兩支，用同一支筆書寫字跡并進行涂抹掩蓋作為樣本。實驗結(jié)果表明，用高光譜成像技術(shù)在450～950nm波長范圍內(nèi)進行顯現(xiàn)肉眼無法辨別的涂抹掩蓋字跡，大部分被涂抹掩蓋的字跡能夠得到完整、清晰的顯現(xiàn)，反映出被掩蓋字跡的真實形態(tài)與信息，具有良好的顯現(xiàn)效果。部分顯現(xiàn)效果不佳，原書寫字跡細節(jié)特征殘缺，但能識別出原字跡，還有少部分較為模糊，無法達到檢驗要求。而使用傳統(tǒng)紅外顯現(xiàn)方法時，大部分涂抹掩蓋字跡難以顯現(xiàn)。

高光譜成像；掩蓋字跡；無損檢驗；黑色簽字筆

0 引言

隨著黑色簽字筆在人們?nèi)粘鴮懟顒又械钠毡閼?yīng)用，對被黑色簽字筆涂抹掩蓋的字跡進行顯現(xiàn)已經(jīng)成為文件檢驗工作中的一項重要內(nèi)容[1-4]。在刑事案件和民事糾紛與經(jīng)濟案件中，許多重要文件、單據(jù)、合同、證件等文字材料中的簽名、日期、數(shù)字等字跡常常被作案人有意涂抹而掩蓋其真實信息，無法作為證據(jù)使用。對這類涂抹掩蓋字跡的顯現(xiàn)成為刑事技術(shù)領(lǐng)域的重要內(nèi)容，能夠準確、清晰、直觀地顯現(xiàn)涂抹掩蓋字跡在物證鑒定工作中至關(guān)重要。

目前涂抹掩蓋字跡的顯現(xiàn)方法主要有化學顯現(xiàn)法（有機溶劑溶解法、壓力轉(zhuǎn)印法、加熱轉(zhuǎn)印法、透析法）和光學顯現(xiàn)法（紅外拍攝法、文檢儀分析法、反射光譜分析法）。反射光譜分析法即光譜成像技術(shù)法，其檢驗過程屬于光學無損檢驗，對檢材沒有損傷及破壞，相比之下，用它顯現(xiàn)涂抹掩蓋字跡更為安全、可靠且靈敏度高。

1 光譜成像原理

光譜成像是通過光譜成像儀來記錄待檢驗的物體在一定的光譜范圍內(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情況，由多個不同波段下的單色光影像構(gòu)成光譜影像集，它記錄了被檢驗物體在多幅等間隔波長位置的窄波段單色光亮度分布影像，因此光譜成像也被稱為高光譜成像或超光譜成像[5-8]。光譜成像的原理如圖1所示，構(gòu)成光譜影像集的每幅單色影像記錄了物體在各個對應(yīng)波長下的光亮度分布信息，單色影像的組合則包含了物體在整個波長范圍內(nèi)的光亮度分布信息。這些表達物體表面光譜亮度分布性質(zhì)的信息可以由兩個空間坐標(,)和一個波長坐標()構(gòu)成的三維坐標來描述，因此光譜影像集也被稱為“光譜影像立方體”。

21世紀初，澳大利亞、美國、加拿大等國的法庭科學工作者開始研究將光譜成像技術(shù)應(yīng)用于法庭痕跡物證檢驗領(lǐng)域，如血痕檢驗、指印檢驗、文件檢驗、纖維檢驗等方面[9-14]。光譜成像技術(shù)基于高靈敏的特點，可以識別檢驗微小的差異，對同種物質(zhì)涂抹掩蓋的字跡具有良好的檢驗?zāi)芰?，可以與傳統(tǒng)的顯現(xiàn)方法形成互補，同時光譜成像技術(shù)作為一種光學無損檢驗方法[15]，可以有效避免化學方法對涂抹掩蓋字跡檢材的破壞，為后續(xù)檢驗做準備。因此，開展高光譜成像技術(shù)（450～950nm）快速無損顯現(xiàn)涂抹掩蓋字跡具有十分重要的科學意義。

本文制作了多種簽字筆涂抹掩蓋的打印字跡和簽字筆字跡，利用高光譜成像系統(tǒng)測出了涂抹和被涂抹字跡的光譜，無損顯現(xiàn)了被掩蓋涂抹的字跡。

2 實驗部分

2.1 儀器與設(shè)備

實驗采用NuanceTMMultispectural Imaging Systems高光譜成像系統(tǒng)和Nuance3.0.2影像分析系統(tǒng)（美國Cambridge Research & Instrumentation公司），光譜波段范圍為450～950nm，最小波長步進值為1nm。光譜成像系統(tǒng)（如圖2所示）包括液晶可調(diào)波長濾光鏡（Liquid Crystal Tunable Filter，LCTF）、CCD相機、照明光源和計算機分析軟件。其中由計算機控制的液晶可調(diào)波長濾光鏡與照相機連接構(gòu)成了成像光譜儀，液晶可調(diào)波長濾光鏡是光譜成像裝置的主要器材，用于分離成像記錄的單色光，通過電信號調(diào)節(jié)控制在可見和近紅外光譜區(qū)一定光譜范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)透過的窄波段單色光波長。計算機同時控制CCD感應(yīng)器與液晶可調(diào)濾光鏡，使CCD感應(yīng)器能夠記錄相應(yīng)波長的亮度分布情況。

圖2 光譜成像系統(tǒng)

2.2 光譜成像技術(shù)物證光譜特征匹配算法研究

通過光譜成像技術(shù)獲取成像范圍內(nèi)每一個像元相應(yīng)的一條連續(xù)的光譜特征曲線，各個像元間光譜曲線的差異則代表了不同空間位置上物質(zhì)不同的光學性質(zhì)。物證光譜特征匹配算法是基于物質(zhì)的光譜曲線差異完成的，首先從原始圖像中選取感興趣的區(qū)域（Region of Interest，ROI），程序根據(jù)已選取的區(qū)域得到該區(qū)域的光譜信息，然后選擇能夠反映ROI光學性質(zhì)特征的特殊吸收信息作為參考光譜，判斷其它區(qū)域的光譜信息與參考光譜是否具有相同的吸收特征，利用在所選范圍的擬合程度來表示其它區(qū)域的光譜與參考光譜之間的相似性。

設(shè)目標物質(zhì)的參考光譜()在特定光譜區(qū)域內(nèi)的采樣點數(shù)量為，則每個采樣點對應(yīng)的光譜強度依次為{(0),(1), …,(－1)}；對應(yīng)的待測物質(zhì)觀測光譜()在該指定光譜區(qū)域內(nèi)各采樣點的光譜強度為{(0),(1), …,(－1)}。兩個采樣集合的相似性分析可通過一元線性回歸分析法完成。

設(shè)參考光譜強度集{(0),(1), …,(－1)}為自變量的集合；觀測光譜強度集{(0),(1), …,(－1)}為函數(shù)的集合。根據(jù)同類物質(zhì)具有相似光譜曲線的特點，兩者應(yīng)滿足：

＝＋(1)

的線性關(guān)系。由最小二乘法，，應(yīng)使：

則得到：

通常，值越大，參考光譜與觀測光譜的擬合程度越高，表示參考光譜與觀測光譜代表的物質(zhì)種類越接近。

2.3 樣本制作

2.3.1 樣本制作標準

涂抹掩蓋時保持涂抹力度適中，掩蓋至肉眼無法識別出原書寫字跡為止，在樣本制作過程中盡量避免用手直接觸摸筆跡部分，防止手部汗液及其他雜質(zhì)對樣本造成污染。

有關(guān)Tomita評分臨床價值的報道不多［8］，并且PKP治療脊柱轉(zhuǎn)移瘤的臨床效果報道也較少［9-10］，尤其是納入和排除標準各異，缺乏相關(guān)的研究來證明其安全性和效益。作者于2014年1月～2017年7月對31例椎體溶骨性轉(zhuǎn)移癌患者進行Tomita評分，取分值4～7分的患者，對65個椎體采用PVP治療，取得了較好效果，報告如下。

2.3.2 三種樣本的制作

1）黑色簽字筆掩蓋打印字跡樣本制作：選取4種不同品牌的黑色簽字筆（編號分別為1#～4#）作為涂抹掩蓋工具，隨機選擇人民日報上的部分字跡作為原書寫字跡進行涂抹掩蓋。選取4種不同品牌的黑色簽字筆（編號分別為2#～5#）作為涂抹掩蓋工具，選擇同一批次的復印紙上不同部位的字跡進行涂抹掩蓋。

2）同種同色互相涂抹掩蓋字跡樣本制作：以A4中性紙為書寫客體，選取同種同色的黑色簽字筆，從21種來自不同品牌的黑色簽字筆（編號分別為1#～21#）中任意選擇兩種簽字筆兩兩互相涂抹掩蓋，形成實驗樣本。在用簽字筆書寫好原字跡后，存放24h待字跡盡可能干燥后再用其他簽字筆對其涂抹掩蓋，防止簽字筆中的墨水成分相互交叉影響檢驗結(jié)果。另外，在書寫和涂抹時需用硬質(zhì)紙板作為襯墊，減少字跡壓痕對顯現(xiàn)效果的干擾。

3）同一支筆書寫字跡并涂抹掩蓋樣本制作：為了探究同一支筆涂抹掩蓋的顯現(xiàn)情況，選取墨水中不含碳元素（編號為1#和4#）和含碳元素（編號為9#和10#）的黑色簽字筆各兩支，用同一支筆書寫字跡并進行涂抹掩蓋，形成實驗樣本。

2.4 圖像采集

啟動光譜成像儀，打開Nuance影像分析系統(tǒng)的影像采集界面，在軟件操作頁面上選取以8bit的標準數(shù)位輸出存儲光譜影像集。將待檢痕跡樣本置于拍攝架的載物臺上，打開鹵鎢燈作為照明光源，調(diào)節(jié)光源角度及亮度，配以均勻照明方法，鏡頭距檢驗對象30cm，光圈設(shè)置為2.8。點擊實時影像復選框（Live），ROI選擇1模式，將影像采集的波長范圍設(shè)置為450～950nm，波長步進值為10nm，點擊自動曝光按鈕，此時可以在即時影像中觀察到樣本圖像信息。采集過程中將樣本放在中間位置，避免成像時出現(xiàn)暗角，同時在樣本下方放置黑色襯墊物，防止來自背景客體的干擾。隨后使用計算機自帶的專用分析軟件，對采集到的影像進行處理，將原書寫字跡賦予紅色，涂抹掩蓋筆跡賦予藍色，疊加部分賦予綠色，客體賦予白色，采用物混合方法進行處理，得出彩色與黑白兩幅顯現(xiàn)結(jié)果圖。

3 結(jié)果與討論

3.1 涂抹掩蓋報紙上打印字跡顯現(xiàn)效果

用4種不同品牌的黑色簽字筆（編號分別為1#～4#）依次涂抹報紙上不同部位的文字，用光譜成像技術(shù)在450～950nm波長范圍內(nèi)進行顯現(xiàn)，用光譜分析軟件將原書寫字跡賦予紅色，涂抹掩蓋筆跡賦予藍色，疊加部分賦予綠色，客體背景賦予白色。顯現(xiàn)前、顯現(xiàn)后及光譜特征曲線如圖3～6所示。

圖4 2#簽字筆掩蓋報紙上打印字跡

根據(jù)原打印字跡、涂抹掩蓋筆跡與疊加部分三者的光譜特征曲線發(fā)現(xiàn)，在450～950nm波長范圍內(nèi)，原打印字跡對光線的吸收反射性質(zhì)較為穩(wěn)定，在450～650nm內(nèi)曲線緩慢下降，字跡對光線吸收稍有增強，在650～950nm內(nèi)曲線開始上升，字跡對光線的吸收能力減小、反射增加。而涂抹掩蓋筆跡對光線的吸收反射性質(zhì)會因簽字筆品牌不同產(chǎn)生變化，即不同品牌的黑色簽字筆，其墨水成分差異使得各自的光學特性不盡相同。作為涂抹掩蓋筆跡與原打印字跡的疊加部分，其光譜特征曲線與涂抹掩蓋筆跡的光譜特征曲線走向相似，即疊加部分對光的吸收反射情況會受到涂抹掩蓋筆跡的影響，只是二者在同一波段下的反射亮度值有所不同。

圖6 4#簽字筆掩蓋報紙上打印字跡

3.2 涂抹掩蓋復印紙上打印字跡顯現(xiàn)效果

用4種品牌各異的黑色簽字筆（編號分別為2#～5#）對復印紙上不同部位的字跡進行涂抹掩蓋，在肉眼無法辨別的情況下用光譜成像技術(shù)在450～950nm波長范圍內(nèi)檢驗，除了5#黑色簽字筆掩蓋的字跡無法清晰識別外，其余字跡均能得到良好顯現(xiàn)，如圖7～10所示。

圖7 2#簽字筆掩蓋復印紙上打印字跡

圖8 3#簽字筆掩蓋復印紙上打印字跡

對復印紙上被涂抹掩蓋字跡的顯現(xiàn)效果由好到差進行排列，順序依次為3#、4#、2#、5#簽字筆掩蓋復印紙上打印字跡。5#簽字筆掩蓋的字跡中，疊加部分（綠色曲線）與涂抹掩蓋筆跡（藍色曲線）的光譜曲線非常接近，即疊加部分與5#簽字筆墨水在450～950nm范圍內(nèi)對光的吸收反射能力近乎相同，分析軟件在處理影像時對二者無法進行有效區(qū)分，導致顯現(xiàn)效果較差。

圖9 4#簽字筆掩蓋復印紙打印字跡

圖10 5#簽字筆掩蓋復印紙上打印字跡

3.3 涂抹掩蓋簽字筆字跡顯現(xiàn)效果

從21種黑色簽字筆中（編號分別為1#～21#）隨機選取兩種進行相互涂抹，用光譜成像儀在450～950nm波段內(nèi)進行檢驗，部分實驗結(jié)果如圖11～14所示。

圖12 5#簽字筆涂抹掩蓋6#簽字筆

圖13 8#簽字筆涂抹掩蓋1#簽字筆

圖14 1#簽字筆涂抹掩蓋8#簽字筆

通過對比發(fā)現(xiàn)，兩種不同品牌的簽字筆互相涂抹掩蓋后的顯現(xiàn)效果不同，如用6#簽字筆掩蓋5#簽字筆書寫的字跡其顯現(xiàn)效果要明顯優(yōu)于用5#簽字筆掩蓋6#簽字筆字跡的顯現(xiàn)效果。觀察二者的光譜曲線圖可以看出，用6#簽字筆（曲線為藍色）掩蓋5#簽字筆（曲線為紅色）時，在740～950nm紅外光譜范圍內(nèi)，涂抹掩蓋筆跡對光線的反射能力增強，吸收強度小于原書寫字跡，顯現(xiàn)效果好。當用5#簽字筆掩蓋6#簽字筆書寫的字跡時，涂抹掩蓋筆跡在450～950nm波段范圍內(nèi)對光線的吸收程度始終大于原書寫字跡，使得被掩蓋的字跡無法得到清楚顯現(xiàn)。因此，原書寫字跡與涂抹掩蓋筆跡兩者之間的光譜特征變化對顯現(xiàn)結(jié)果有顯著的影響，若前者對光線的吸收強度大于后者時，顯現(xiàn)效果較好，反之則顯現(xiàn)較差。

3.4 同一支筆書寫并涂抹掩蓋顯現(xiàn)效果

同一支筆書寫字跡后并涂抹掩蓋，用光譜成像儀在450～950nm波段內(nèi)進行檢驗，實驗結(jié)果如圖15～18所示。

從圖15～18的顯現(xiàn)結(jié)果可以看出，墨水中不含碳元素的黑色簽字筆（編號為1#和4#）要比含碳元素的黑色簽字筆（編號為9#和10#）顯現(xiàn)更清晰。雖然原書寫字跡和涂抹掩蓋筆跡墨水中的物質(zhì)成分相同，二者光譜曲線差異不大，但由于反復涂抹，疊加部分的光譜特征會略有不同，使得同一支筆書寫、掩蓋的字跡能夠得到顯現(xiàn)。此外，當涂抹掩蓋筆跡墨水中含有碳元素時，對光線的強吸收性質(zhì)會阻礙疊加部分微小的光譜特征變化，使得顯現(xiàn)效果較差。因此，當用同一支筆進行書寫與涂抹掩蓋時，顯現(xiàn)效果取決于簽字筆的墨水成分中是否含有碳元素。

圖15 1#簽字筆書寫并涂抹掩蓋

圖16 4#簽字筆書寫并涂抹掩蓋

圖17 9#簽字筆書寫并涂抹掩蓋

圖18 10#簽字筆書寫并涂抹掩蓋

4 與傳統(tǒng)紅外顯現(xiàn)效果比較

4.1 掩蓋打印字跡顯現(xiàn)效果

使用紅外數(shù)碼相機，鏡頭前分別加750nm、850nm、950nm紅外濾光鏡，對2.1和2.2中的掩蓋字跡進行檢驗。實驗結(jié)果表明，對部分涂抹掩蓋筆跡可以顯示出原字跡（如圖19所示）。而對大部分涂抹掩蓋筆跡，紅外光線并未完全穿透涂抹掩蓋筆跡，因而沒有顯現(xiàn)出掩蓋字跡。

4.2 同種同色黑色簽字筆涂抹掩蓋顯現(xiàn)效果

使用紅外數(shù)碼相機，鏡頭前分別加750nm、850nm、950nm的紅外濾光鏡，對2.3中的掩蓋字跡進行檢驗，一部分樣本上的涂抹掩蓋字跡被紅外線穿透，可以顯現(xiàn)原書寫字跡（如圖20所示）。大部分樣本上的原書寫字跡與涂抹掩蓋筆跡都沒有消失，由于兩者對光線的吸收能力相仿，因而無法顯現(xiàn)原書寫字跡；有少部分樣本上的原書寫字跡與涂抹掩蓋筆跡在紅外的整個波段內(nèi)都被光線穿透至消失。

圖19 傳統(tǒng)紅外顯現(xiàn)掩蓋打印字跡效果

圖20 傳統(tǒng)紅外顯現(xiàn)掩蓋黑色簽字筆字跡效果

4.3 同一支筆書寫并涂抹掩蓋顯現(xiàn)效果

使用紅外數(shù)碼相機，鏡頭前分別加750nm、850nm、950nm的紅外濾光鏡對2.4中的掩蓋字跡進行檢驗，由于同一支筆原書寫字跡與涂抹掩蓋筆跡對紅外線的吸收和反射性質(zhì)一樣，無法顯現(xiàn)掩蓋字跡。

5 結(jié)論

用高光譜成像技術(shù)在450～950nm波長范圍內(nèi)進行顯現(xiàn)肉眼無法辨別的涂抹掩蓋字跡，大部分被涂抹掩蓋的字跡能夠得到完整、清晰地顯現(xiàn)，反映出被掩蓋字跡的真實形態(tài)與信息，具有良好的顯現(xiàn)效果。部分顯現(xiàn)效果不佳，原書寫字跡細節(jié)特征殘缺，但能識別出原字跡；只有少部分較為模糊，無法達到檢驗要求。而使用傳統(tǒng)紅外顯現(xiàn)方法時，大部分掩蓋字跡難以顯現(xiàn)。因此，高光譜成像技術(shù)作為無損的光學檢驗方法，在絕大多數(shù)情況下可以快速、無損地顯現(xiàn)涂抹掩蓋字跡，在痕跡物證檢驗與鑒定領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和實用價值。

影響涂抹掩蓋字跡的檢驗效果的因素主要包括涂抹掩蓋順序、字跡墨水中是否含有碳元素以及字跡疊加部分的光譜特征，當疊加部分的光譜特征與原書寫字跡光譜特征接近時則可以顯現(xiàn)，與涂抹掩蓋筆跡光譜特征接近時則無法顯現(xiàn)。在顯現(xiàn)涂抹掩蓋字跡實際應(yīng)用中，如果用450～950nm波長范圍的光譜成像儀顯現(xiàn)效果不佳時，可以嘗試用900～1700nm波長范圍的光譜成像儀來顯現(xiàn)，使光譜成像技術(shù)能夠充分發(fā)揮其在涂抹掩蓋字跡顯現(xiàn)方面的優(yōu)勢。

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Research on Identification Method of Covered Handwriting Based on Hyperspectral Imaging Technology

WANG Mingjiu1，DAI Xuejing1，TANG Chengqing2，LU Zhaoyi1

(1. College of Public Security Information Technology, Criminal Investigation Police University of China, Shenyang 110035, China;2. College of Forensic Sciences, Criminal Investigation Police University of China, Shenyang 110035, China)

In criminal and civil cases, signatures, dates, numbers, and other handwritings of several important documents are deliberately covered to conceal the real information such that they cannot be used as evidence. Therefore, it is necessary to study the feasibility of hyperspectral imaging technology (approximately 450–950 nm) for rapid and non-destructive identification of covered handwriting. Black handwriting pens are mostly used such that two pens are randomly selected from 21 kinds of black handwriting pens to cover each other as samples. Simultaneously, two kinds of black handwriting pens with carbon in the ink and two kinds of black handwriting pens without carbon in the ink are selected, and the same pen is used to write and cover by itself as a sample. The experimental results show that most of the covered handwriting can be completely and clearly identified using hyperspectral imaging technology in the band of approximately 450–950 nm with the real shape and information, which has a good effect. Part of the identification effect is not good, and the details of the original handwriting are incomplete, but the original handwriting can be recognized. In addition, few parts are blurred, which cannot meet the identification requirements. However, most of the covered handwriting is difficult to develop using the traditional infrared method.

hyperspectral imaging, covered handwriting, non-destructive identification, black handwriting pen

DF794.2

A

1001-8891(2023)01-0056-08

2022-01-11；

2022-03-18.

王鳴久（1983-），男，講師，主要研究方向為公安圖像技術(shù)，E-mail：396105061@qq.com。

代雪晶（1970-），女，教授，主要研究方向為公安圖像技術(shù)，E-mail：1210724331@qq.com。

公安部科技強警基礎(chǔ)工作專項項目（2016GABJC06）。