基于相位敏感譜域光學相干層析術(shù)的潛指紋獲取方法*

鮑 文 丁志華 王 川 梅勝濤

(浙江大學現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室，杭州 310027)

(2012年6月24日收到;2013年1月30日收到修改稿)

1 引言

指紋具有特異性和穩(wěn)定性特點，利用物體表面遺留的指紋，通過科學鑒定，可以直接認定遺留指紋的具體人[1]，所以指紋被稱為“證據(jù)之首”.但是，隨著形勢的發(fā)展和犯罪手段的日趨改變，近幾年來，在我們接觸到的實際案件中很少遇到條件較好的指紋，更多見的是條件較差的潛指紋.由于其對比度低、變化大、面積小、特征少且不穩(wěn)定，給檢驗工作帶來了很大困難.現(xiàn)有提取潛指紋的方法大多操作繁瑣且精度不高[2-4].所以在世界范圍內(nèi)，潛指紋的探測仍然是一個被重點關(guān)注的研究課題[5].

獲取物體表面遺留指紋的方法可分為物理方法、化學方法、光學方法三大類.最常用、最方便的方法是物理方法中的粉末法.即用玻璃纖維刷或毛刷將各種粉末刷到指紋區(qū)域，其通過物理機械或靜電作用與乳突紋線上的指紋殘留物發(fā)生吸附，從而顯出遺留指紋[6].然而，用粉末刷刷顯指紋時，容易對指紋紋線造成破壞，并且刷顯時粉末顆粒懸浮于空氣中，容易進入呼吸道，對工作者造成較大的毒副作用，且粉末法提取過程慢，現(xiàn)場會留有痕跡，可能會影響偵查.化學方法主要有碘熏法、茚三酮法等，有過程繁瑣、指紋顯現(xiàn)效果不好等缺陷.現(xiàn)行的光學指紋獲取方法主要為紫外光照射法，其對遺留指紋圖案的光學對比度要求較高，而且，紫外線會對指紋顆粒中的DNA等成分有損壞，對后續(xù)偵查有一定影響[7-9].

光學相干層析術(shù)[10,11](opticalcoherence tomography，OCT)是一種非侵入、非接觸微米級分辨率的成像技術(shù)，它基于光學相干門來獲得組織內(nèi)部的層析結(jié)構(gòu).SD-OCT是第二代OCT技術(shù)，相比第一代時域OCT技術(shù)，在成像速度、信噪比和靈敏度等方面具有明顯優(yōu)勢[12,13]，在眼科成像領(lǐng)域已發(fā)揮重要作用.由于OCT系統(tǒng)能夠?qū)ι锝M織進行高分辨率的實時在體成像，所以原則上可以用OCT系統(tǒng)直接對手指成像[14]，得到手指的三維結(jié)構(gòu)圖像，實現(xiàn)三維指紋信息的獲取.但將OCT技術(shù)直接用于潛指紋信息獲取的研究則鮮有報道.

本文報道一種基于SD-OCT相位信息提取光滑物體表面遺留指紋的方法.利用希爾伯特(Hilbert)變換提取干涉光譜的相位信息，并經(jīng)相位解包裹等處理，得到指紋的“高度”信息，從而實現(xiàn)指紋的顯現(xiàn).

2 方法

本文采用的SD-OCT系統(tǒng)原理圖如圖1所示.寬帶光源的光經(jīng)耦合器分光分別抵達參考臂和樣品臂，從參考臂和樣品臂返回的光在耦合器匯合并發(fā)生干涉，該干涉信號在快速光譜儀中被分為對應于不同波長的干涉光譜信號，由線陣CCD接收.

圖1中樣品部分的放大圖顯示了光滑物體表面遺留指紋圖案中指紋點與非指紋點對入射樣品光的不同反射情況.在闡述本文的方法之前，我們先來了解一下光滑物體表面遺留指紋圖案的特征.圖2為利用共焦顯微鏡(OLS4000)采集得到的玻璃平板上刻意留下的指紋圖案.可以看出，因乳突紋線上的指紋殘留物遺留在玻璃平板上，形成了與指紋圖案相對應的高度分布.如果要能探測到這種高度分布就能確定指紋的特征，但由于指紋殘留的油脂顆粒尺度在微米量級(如圖中標注的顆粒高度為1.5μm)，現(xiàn)行SD-OCT系統(tǒng)的軸向分辨率很難區(qū)分這種細微高差.因此，基于OCT結(jié)構(gòu)圖像的方法不能實現(xiàn)遺留指紋的識別.

圖1 SD-OCT系統(tǒng)圖

圖2 OLS4000共聚焦顯微鏡采集的指紋圖案

鑒于指紋遺留物與其所在光滑表面共處于OCT軸向分辨單元內(nèi)，無法從結(jié)構(gòu)圖像中分辨出這種細節(jié)，但指紋點處的等效組合反射面與非指紋點處的單一反射面對應的干涉相位不同，為此，本文采用相位信息來獲取遺留指紋圖案的等效高差分布.

光譜儀探測到的干涉光譜可表達為

這里k為波數(shù)，S(k)為寬帶光源的光譜強度，ρR和ρS分別為參考臂和樣品臂的反射系數(shù)，Δd是參考臂和樣品臂的光程差，由它來表征光滑表面遺留指紋圖案的高差分布，θ為兩干涉臂的初始相位差.

(1)式中第一項為參考臂反射光光強，第二項為樣品臂反射光光強，第三項為參考臂和樣品臂的干涉項，包含了相位信息，去直流項后得到干涉項

故Δd可通過擬合φ-k曲線后，求其斜率得到.需要指出：指紋遺留物與其所處表面的反射率不同，所以基于等效組合反射面相位信息得到的高度并非油脂顆粒的實際高度，但這并不影響遺留指紋圖案的正確提取

圖3展示了表面輪廓等效高度測量的光譜相位提取過程.圖3(a)為從玻璃樣品表面特定位置處返回樣品光與參考光的干涉光譜，(b)為去除直流項后的干涉光譜，(c)為對(b)實施Hilbert變換得到的局部相位分布圖，(d)為對(c)解包裹后的相位.對解包裹后的相位進行直線擬合，擬合直線的斜率即與探測點的等效高度相對應.利用OCT探頭對遺留指紋所在的表面進行二維掃描，即可獲得指紋的等效高度分布圖，由此便可提取出指紋圖案.

圖3 表面輪廓等效高度測量的光譜相位提取過程 (a)對應于玻璃平板表面的干涉光譜;(b)去除直流項后的干涉光譜;(c)包裹相位(局部放大);(d)解包裹后相位(局部放大)

3 實驗

實驗采用本實驗室已建立的835 nm中心波段的SD-OCT系統(tǒng).該系統(tǒng)的光譜分辨率為0.0674 nm，軸向掃描 (A-scan)速度為 29 kHz，軸向分辨率為7.5μm，最大成像深度為2.56 mm，最大信噪比為115 dB.

待測量指紋樣品如圖4所示，它由Canon DS126231 相機拍攝得到，可以看出，(a)，(b)，(c)的對比度由大到小.

圖 4 3個對比度不同的指紋樣品 (a)，(b)，(c)為 Canon DS126231相機拍攝的對比度從大到小的玻璃表面指紋圖樣

圖5 樣品干涉光譜 (a)為樣品表面兩個點的干涉光譜;(b)為(a)中非指紋點干涉光譜的局部放大圖;(c)為指紋點干涉光譜的局部放大圖

下面先以圖4(a)的指紋為例，分析指紋點的干涉光譜和相位.圖5(a)為圖4(a)中典型指紋點與非指紋點的干涉光譜，紅色為典型非指紋點的干涉光譜，即玻璃平板的干涉光譜，藍色為典型指紋點的干涉光譜，由局部放大圖5(b)，(c)可以看出指紋點由于存在指紋油脂顆粒散射等因素，干涉光譜較為混亂.

干涉光譜去掉直流項后進行Hilbert變換即得相位信息，如圖6所示，(a)，(b)分別為玻璃表面指紋點和非指紋點的相位信息，顯然指紋點的相位比非指紋點的相位混亂得多;然后，對相位信息解包裹，得到圖7所示解包裹相位曲線和擬合直線，可見指紋點由于指紋顆粒散射和相位泄漏等因素導致曲線線性度很差，這是指紋點與非指紋點的區(qū)別，得到擬合直線斜率即可對應得到前文所述的遺留指紋采樣點的等效高度.整個平面的高差圖即為遺留指紋圖案，如圖8(a)所示.

圖6 兩個探測點的相位信息 (a)指紋點的相位信息(局部放大);(b)非指紋點的相位信息(局部放大)

為了證明相位方法獲取指紋信息的敏感性，我們針對圖4中三個不同對比度的遺留指紋，分別通過上述相位方法得到指紋圖案，如圖8(a)，(b)，(c)所示.

由此可見相機下對比度很低的遺留指紋利用SD-OCT相位提取方法，也能高對比重建指紋圖案因此，SD-OCT相位方法是重現(xiàn)潛指紋的潛在技術(shù).

圖7 解包裹后的相位(局部放大)

圖8 基于相位方法重建的指紋圖案 (a)，(b)，(c)分別對應圖4(a)，(b)，(c)中的方框區(qū)域

4 結(jié)論

本文提出了一種提取并重建光滑表面遺留指紋的新方法，即利用SD-OCT系統(tǒng)的相位敏感性得到光滑表面上遺留的指紋信息，該方法可以避免指紋表面的破壞和對工作者造成的毒副作用，也不會在取樣表面留下痕跡，是一種非接觸式的無損檢測技術(shù)，不會對后續(xù)的進一步偵查產(chǎn)生任何負面影響.該方法基于SD-OCT的相位敏感性，使用希爾伯特變換對去直流干涉光譜進行處理得到相位信息，對相位解包裹并直線擬合基于擬合，直線的斜率提取等效高度信息，進而形成指紋圖案.實驗結(jié)果表明，利用該方法可以高質(zhì)量重建低光學對比度的潛指紋，即利用OCT系統(tǒng)干涉光譜相位的敏感性可以對潛指紋進行對比度的有效增強，進而實現(xiàn)潛指紋的準確識別.

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