應(yīng)用光譜成像技術(shù)去除指紋干擾背景的方法研究

齊敏珺，陳弈樺，王新全

（1.青島市光電工程技術(shù)研究院，山東青島266109；2. 青島市公安局刑警支隊(duì)技術(shù)處，山東青島266000）

應(yīng)用光譜成像技術(shù)去除指紋干擾背景的方法研究

齊敏珺1，陳弈樺2，王新全1

（1.青島市光電工程技術(shù)研究院，山東青島266109；2. 青島市公安局刑警支隊(duì)技術(shù)處，山東青島266000）

目的 研究光譜成像技術(shù)去除指紋干擾背景的方法。方法 利用可見光光譜成像儀對(duì)受背景干擾嚴(yán)重的兩例顯現(xiàn)汗液指紋檢材采集多光譜圖像，光譜范圍從400～720 nm，采樣步長為10 nm，通過比較指紋和背景的光譜或直接觀察圖像尋找兩幅特征譜段的圖像，將兩幅圖像做除法運(yùn)算，然后再進(jìn)行圖像線性拉伸增強(qiáng)顯示，獲得增強(qiáng)指紋、弱化干擾背景的效果。結(jié)果 有效地去除了人民幣上顯現(xiàn)指紋的干擾背景圖案，同時(shí)，弱化了信封上干擾茚三酮顯現(xiàn)處理指紋的條紋背景，指紋圖像得到明顯增強(qiáng)。結(jié)論 基于可見光光譜成像技術(shù)，采用兩個(gè)特征譜段圖像作除法運(yùn)算去除背景干擾的方法適合于滲透性客體上顯現(xiàn)的汗液指紋的增強(qiáng)，但干擾背景顏色色調(diào)應(yīng)均一，即背景顏色需變化不大。

光譜成像；指紋增強(qiáng)；背景干擾

手印檢驗(yàn)技術(shù)包括光學(xué)、物理、化學(xué)及生物顯現(xiàn)方法等，較以往均有長足的進(jìn)步，但一些手印經(jīng)顯影后仍難以從復(fù)雜的干擾背景中清晰地顯現(xiàn)出來。光譜成像技術(shù)將數(shù)字成像和化學(xué)光譜相結(jié)合，能同時(shí)獲取目標(biāo)圖像和特征光譜的信息。而這些光譜信息可用于物質(zhì)成分的識(shí)別，在物證檢驗(yàn)方面用途很大[1-4]。

本文采用可見光光譜成像方法對(duì)經(jīng)顯影處理后背景干擾大的指紋作進(jìn)一步增強(qiáng)顯現(xiàn)，以探討這一方法的可應(yīng)用性。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

青島市光電工程技術(shù)研究院自主開發(fā)的便攜式高光譜成像儀（型號(hào)：PHSI-1），光譜范圍400～720 nm，光譜分辨率10 nm。儀器采用液晶可調(diào)諧濾光器作為分光部件，可在400～720 nm范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)調(diào)諧濾光，單個(gè)波長最快調(diào)諧速度達(dá)到50 ms；面陣CCD作為成像器件，像素?cái)?shù)為1280×960，各個(gè)譜段的最佳曝光時(shí)間采用自適應(yīng)曝光算法自動(dòng)計(jì)算并設(shè)置。整個(gè)儀器無運(yùn)動(dòng)部件，可快速、便捷、準(zhǔn)確獲取目標(biāo)的高光譜圖像數(shù)據(jù)。配套的高光譜圖像采集與分析軟件（HSIAAS）可控制光譜成像儀獲取高光譜圖像數(shù)據(jù)，對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理。軟件提供了光譜分類、解混合、主成分分析以及圖像運(yùn)算、圖像增強(qiáng)、圖像融合及偽彩色處理等多種功能。

1.2 材料

兩個(gè)實(shí)際案例中的指紋檢材均具有共同的特點(diǎn)：（1）指印的細(xì)節(jié)特征均受背景干擾較大；（2）大部分干擾背景色調(diào)較一致或相近，顏色變化不大，背景對(duì)應(yīng)的光譜較相近。兩例實(shí)驗(yàn)材料具體來源于：

案例一：2014年9月23日，青島市黃島區(qū)發(fā)生一起入室搶劫殺人案件。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，提取死者周圍散落的1元、5元人民幣4張，經(jīng)茚三酮顯現(xiàn)后在其中1張1元紙幣上發(fā)現(xiàn)一枚指印（圖1）。

案例二：2015年3月20日，青島市南區(qū)有人報(bào)案稱：其接收一信件，內(nèi)有一封敲詐信和一張?jiān)搱?bào)案人的不雅照。該報(bào)案人稱與照片上的人從未有過來往，遂報(bào)案。經(jīng)對(duì)信件及信紙茚三酮顯現(xiàn)處理后，在信封上顯出一枚指?。▓D2）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

圖1 紙幣上顯現(xiàn)指印Fig.1 Developed fingerprint on note of Renminbi

圖2 信封上顯現(xiàn)指印Fig.2 Developed fingerprint on an envelope

采用1.1中可見光光譜成像儀采集光譜圖像。將儀器固定于德國KAISER翻拍架上，并采用兩個(gè)對(duì)稱光源照明（光源型號(hào)：150 W鹵素?zé)簦?，使得視?chǎng)內(nèi)光照均勻；調(diào)整鏡頭與檢材的距離，使檢材充滿整個(gè)視場(chǎng)，調(diào)整鏡頭焦距使成像清晰；通過軟件設(shè)置采集參數(shù)起始波長400 nm，終止波長720 nm，掃描步長10 nm，自動(dòng)采集完所有33幅光譜圖像后保存數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

首先從光譜圖像集中尋找兩幅特征譜段的圖像。方法有兩種：（1）光譜比較法。將指紋對(duì)應(yīng)的光譜和主要干擾背景對(duì)應(yīng)的光譜進(jìn)行比較，尋找指紋光譜與背景光譜強(qiáng)度差值最小和差值最大處對(duì)應(yīng)的波段，將該兩波段對(duì)應(yīng)的圖像選擇出來。（2）直接觀察圖像法。逐個(gè)觀察拍攝的每一幅黑白光譜圖像并進(jìn)行比較，尋找兩幅具有代表性的圖像，其中一幅圖像中指紋與背景的亮度差異不大，另外一幅圖像中指紋與背景的亮度差異較參考圖像相對(duì)較大，或者一幅圖像中僅能觀察到背景，而另外一幅圖像中能同時(shí)觀察到指紋和干擾背景。

然后，利用配套的HSIAAS軟件中圖像運(yùn)算功能將兩幅特征譜段的圖像做除法運(yùn)算，再利用圖像線性拉伸功能進(jìn)行圖像灰度線性拉伸增強(qiáng)顯示。假設(shè)兩幅圖像分別為I1(x,y)和I2(x,y),其中x，y為像素的空間坐標(biāo)，那么兩幅圖像做除法運(yùn)算后為：

再經(jīng)線性拉伸后的圖像為：

將兩幅特征譜段的圖像做除法運(yùn)算后，原來亮度值差異不大的像素比值接近于1，亮度差異較大處比值大于或小于1，再經(jīng)線性拉伸后，指紋與背景的像素亮度反差明顯增大，從而達(dá)到了增強(qiáng)指紋、弱化干擾背景的目的。

2 結(jié)果

圖1中1元紙幣上顯現(xiàn)的指紋，分別提取指紋紋路對(duì)應(yīng)的光譜及墨綠色背景對(duì)應(yīng)的光譜（圖3），可以看到，620 nm左右處指紋與背景的灰度值相同或十分接近，在720 nm處兩者灰度值差異最大，表現(xiàn)在光譜圖像（圖4、圖5）中，620 nm譜段圖像中能同時(shí)觀察到混在一起的指紋和暗色調(diào)圖案背景；而在720 nm譜段圖像中，僅能夠觀察到灰度值較低的暗色調(diào)背景圖案，觀察不到指紋。這樣通過除法運(yùn)算可以消除兩幅圖像中都出現(xiàn)的暗色調(diào)背景。圖6為兩幅圖像進(jìn)行除法運(yùn)算后線性拉伸增強(qiáng)顯示的結(jié)果，可以看到，干擾背景圖案被明顯抑制，指紋紋線得到增強(qiáng)。

圖2信封上顯現(xiàn)的指紋檢材中，采用上述方法參考光譜對(duì)比圖（圖7）選擇了500 nm和700 nm兩個(gè)譜段的圖像，其中，500 nm光譜圖像中同時(shí)存在指紋和條紋背景（圖8），700 nm光譜圖像中只有條紋背景，看不到指紋信息（圖9），處理后得到結(jié)果如圖10，條紋干擾圖案基本被除去，而指紋信息被保留。

圖3 光譜對(duì)比圖Fig.3 Comparison of the spectrum of fi ngerprint with that of the background

圖4 620nm譜段圖像Fig.4 Spectral image at 620nm

圖5 720nm譜段圖像Fig.5 Spectral image at 720nm

圖6 指紋增強(qiáng)效果圖Fig.6 Image of the enhanced fi ngerprint on the note of Renminbi

圖7 光譜對(duì)比圖Fig.7 Comparison of spectrum of fi ngerprint and background

圖8 500nm譜段圖像Fig.8 500nm spectral image of fi ngerprint and background

圖9 700nm譜段圖像Fig.9 700nm spectral image

圖10 指紋增強(qiáng)效果圖Fig.10 Image of the enhanced fi ngerprint on the envelope

3 討論

上述兩例滲透性客體上汗液指紋顯現(xiàn)后，原圖像指印的細(xì)節(jié)特征均受背景干擾較大，采用多光譜成像方法除去背景干擾后得到了較好的效果?；诳梢姽夤庾V成像（400～720 nm）技術(shù)，采用兩個(gè)特征譜段圖像做除法運(yùn)算除去背景干擾的方法適用于以下情況：（1）滲透客體上顯現(xiàn)的汗液指紋；（2）干擾背景顏色色調(diào)較均一，也即背景顏色變化不大。通過除法運(yùn)算增大指紋和背景的差異，可較好地弱化干擾背景，達(dá)到增強(qiáng)和再提取指紋的目的[5]。但在該方法運(yùn)用時(shí)，選擇特征譜段圖像比較關(guān)鍵，要研究參考指紋與待除去背景的光譜圖，選擇光譜差異較大和較小的兩個(gè)譜段，同時(shí)要結(jié)合觀察具體的圖像，以決定選擇的譜段是否具有特征性和可行性。

［1］ 黃威, 王桂強(qiáng). 光譜成像在物證檢驗(yàn)中的初步實(shí)驗(yàn)研究［J］.刑事技術(shù), 2006, (2): 3-7.

［2］ 黃威, 張旭毅, 許小京, 等.紫外光譜成像技術(shù)顯現(xiàn)潛在油汗混合指印的初步探索［J］.刑事技術(shù), 2010(5): 15-17.

［3］ 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［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版), 2008, 46(6): 1164-1170.

［4］ 趙麗華, 何海明. 光譜成像和傳統(tǒng)光學(xué)方法增強(qiáng)光滑紙張上血指印的比較研究［J］. 刑事技術(shù), 2015, 40(3): 215-217.

［5］ Dowler S W. Applications of hyperspectral imaging techniques to forensic image analysis. Auckland: University of Auckland, 2010.

A Method of Removing the Background Interference to the Developed Fingerprints on Porous Surfaces Using Hyperspectral Imaging Techniques

QI Minjun1, CHEN Yihua2, WANG Xinquan1
(1. Qingdao Academy for Opto-Electronics Engineering, Qingdao 266109, China;
2. Criminal Police Detachment, Qingdao Public Security, Qingdao 266000, China)

Objective To study the method of removing the background interference of the developed fingerprint using spectral imaging technology. Methods Multi-spectral images of two developed fingerprint samples disturbed by the background pattern were acquired, whose spectra ranges from 400 nm to 720 nm, with the sampling interval of 10 nm. Two specific spectral images were selected from the data cube by comparing the spectra of the fingerprint and the background or observing the spectral images directly, then the division of two images was performed and the resulted image was enhanced by linear stretching, finally the enhanced fingerprint image with a weakened background was obtained. Results The background pattern interfered with the developed fingerprint on Renminbi was effectively removed, and so was the striped background disturbing the developed fingerprint on envelope. In another word, the fingerprints were significantly enhanced. Conclusion The method of removing the background interference by division of two featured spectral images based on visible spectral imaging technology is very suitable for the case of enhancing the developed fingerprint on absorbent object, but the background is required to have a consistent color hue or little color change.

spectral imaging; fingerprint enhancement; background interference

DF794.1

A

1008-3650(2016)04-0299-03

2015-08-31

格式：齊敏珺, 陳弈樺, 王新全. 應(yīng)用光譜成像技術(shù)去除指紋干擾背景的方法研究[J]. 刑事技術(shù)，2016,41(4):299-301.

10.16467/j.1008-3650.2016.04.011

青島市民生科技計(jì)劃項(xiàng)目（No. 13-1-3-115-nsh）

齊敏珺（1985—），女，湖北荊門人，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)楦吖庾V技術(shù)應(yīng)用。E-mail:qiminjun123@qq.com