高光譜成像技術(shù)在文件檢驗(yàn)應(yīng)用的研究綜述

張倩，陳維娜，郝紅光

(1.中國人民公安大學(xué) 刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100038；2.公安部物證鑒定中心，北京 100038)

高光譜成像技術(shù)通過獲取地區(qū)空間分布圖像中目標(biāo)的輻射強(qiáng)度、空間位置信息、光譜信息等，早期廣泛應(yīng)用于遙感領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與交叉學(xué)科的研究，應(yīng)用領(lǐng)域得到不斷拓展。由于物證種類的擴(kuò)展、檢驗(yàn)要求的提升，近年來光譜成像技術(shù)是司法鑒定中舉足輕重的檢驗(yàn)手段，光譜成像技術(shù)作為一種無損檢驗(yàn)方法，在法庭科學(xué)領(lǐng)域最早應(yīng)用于表面潛在指紋的顯現(xiàn)和提取[1]，在文件檢驗(yàn)工作中，文件檢驗(yàn)儀、拉曼光譜儀等光學(xué)檢測(cè)設(shè)備也是必不可少的檢驗(yàn)儀器。通過闡述高光譜成像技術(shù)的特征優(yōu)勢(shì)和主要研究應(yīng)用，總結(jié)歸納基于該技術(shù)的文件檢驗(yàn)研究現(xiàn)狀，提出發(fā)展方向?yàn)槲鄬W(xué)者的關(guān)注與研究，促進(jìn)該技術(shù)的完善與其在文件檢驗(yàn)方面的有效應(yīng)用。

1 高光譜成像技術(shù)簡(jiǎn)介

作為一種將傳統(tǒng)的空間成像分析技術(shù)和光譜分析技術(shù)融為一體的光學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)，高光譜成像技術(shù)擁有更高光譜分辨率、更廣光譜波段范圍、更豐富數(shù)據(jù)信息。高光譜圖像不僅僅能實(shí)現(xiàn)在成百上千個(gè)連續(xù)的可見光、紅外、近紅外等廣泛的光譜區(qū)域成像，亦能記錄目標(biāo)的空間位置信息。在選定的波長范圍中捕獲圖像中所有點(diǎn)的光譜信息、所有波段的圖像信息以及待測(cè)目標(biāo)相應(yīng)的輻射強(qiáng)度，空間位置信息與光譜圖中的特征峰信息結(jié)合對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、鑒定、分類。

高光譜圖所提供的大量信息及其相關(guān)性為進(jìn)一步的檢驗(yàn)分析提供可行性。針對(duì)所得的光譜圖進(jìn)行研究分析，可根據(jù)檢驗(yàn)要求及其譜圖特征，選取合適的數(shù)據(jù)定標(biāo)類型如輻射定標(biāo)、光譜定標(biāo)、空間幾何定標(biāo)。

雖然高光譜成像技術(shù)與多光譜技術(shù)均是以成像光譜儀檢測(cè)目標(biāo)物質(zhì)的物理性質(zhì)與化學(xué)成分，但高光譜具備較高的納米級(jí)光譜分辨率，是與全色和多色光譜成像相比較的顯著優(yōu)勢(shì)，與二維圖像數(shù)據(jù)最大的區(qū)別則是在顯示檢材空間位置的同時(shí)，保存檢材在不同波段下的反射率。在此，可以概括出高光譜圖像的優(yōu)勢(shì)：①“信息三合一”，通過高光譜圖像得到的三維立體數(shù)據(jù)，可形象地表征物質(zhì)輻射強(qiáng)度、空間信息和光譜信息之間的關(guān)系，融合了這三種信息后能夠得到更佳的研究效果；②更為豐富的數(shù)據(jù)信息，多光譜技術(shù)只能在幾個(gè)波段范圍捕獲光譜信息，而高光譜成像技術(shù)以高達(dá)0.01數(shù)量級(jí)的光譜分辨率連續(xù)成像；③譜圖連續(xù)性，通過成百上千個(gè)光譜數(shù)完成成像，能從光譜維度讀取出連續(xù)的光譜曲線。豐富的數(shù)據(jù)可得到復(fù)雜模型對(duì)待測(cè)物進(jìn)行識(shí)別、鑒定與分類；④與傳統(tǒng)的譜圖維度信息相比，高光譜數(shù)據(jù)維度高，包含的信息量多且隨波段數(shù)增加而增加，空間位置信息及光譜波段信息相關(guān)性高。在圖像分析處理方面，與通過調(diào)整圖像RGB組合相比得到的結(jié)果更理想。

2 高光譜圖像數(shù)據(jù)分析

高光譜圖像處理分析方法不勝枚舉，在圖譜數(shù)據(jù)處理過程中，有如下基礎(chǔ)方法。

2.1 高光譜圖像預(yù)處理

高光譜圖像因其攜帶大量的數(shù)據(jù)信息，增強(qiáng)了技術(shù)的檢測(cè)能力，同時(shí)也增大了信息的冗余量，因此在預(yù)處理階段的主要目的即對(duì)立體數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理。在保存感興趣特征的同時(shí)減少數(shù)據(jù)信息量，降低處理信息的時(shí)長與難度同時(shí)增強(qiáng)數(shù)據(jù)分析的精確度。目前，較為普遍的高光譜圖像預(yù)處理方法有特征選擇和特征提取兩種方法[2]。

特征選擇是指從最初波段中直接選取有效的特征波段，達(dá)到降低數(shù)據(jù)維度的目的。特征提取是指通過對(duì)一個(gè)或若干個(gè)原始波段的屬性關(guān)系進(jìn)行組合變換，得到新的特征屬性。光譜信息的冗余量與相關(guān)性取決于波段的寬窄度，因而選取最優(yōu)波段是圖像降維度過程的關(guān)鍵要素。實(shí)際檢驗(yàn)鑒定中常通過多種降維方法交叉結(jié)合使用，來達(dá)到最佳的檢驗(yàn)結(jié)果。如基于主成分分析、基于高階統(tǒng)計(jì)量的獨(dú)立元分析、最小噪聲分離變換、傅里葉變換、基于核函數(shù)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性特征分析等[3]。

2.2 數(shù)據(jù)特征分析

根據(jù)檢材在光譜圖中的不同特性信息反映，選取不同分類模型對(duì)不同類別的待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行分類。使用計(jì)算機(jī)分析處理作為輔助方法，彌補(bǔ)鑒定人員的視覺鑒別傳統(tǒng)方法的不足，如最大似然比分類、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法等等。作為機(jī)器學(xué)習(xí)方法之一的監(jiān)督學(xué)習(xí)，通過對(duì)已知標(biāo)簽的特征進(jìn)行提取學(xué)習(xí)，構(gòu)造訓(xùn)練函數(shù)完成對(duì)未知樣本的分類檢驗(yàn)任務(wù)，如K近鄰法、馬氏距離分類、最大似然法、最小距離法、光譜角分類法等等。另一種非監(jiān)督分類則是直接對(duì)光譜信息進(jìn)行特征提取，統(tǒng)計(jì)差別進(jìn)行分類，如K-均值、ISODATA(迭代自組織數(shù)據(jù)分析)等[4]。對(duì)高光譜圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的過程中，通過總體分類精度對(duì)分類方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，選擇最有效的分類方法而獲得最佳結(jié)果。

3 高光譜成像技術(shù)應(yīng)用概述

最先應(yīng)用于遙感技術(shù)的高光譜成像技術(shù)能深入分析細(xì)節(jié)和表征實(shí)物外貌特征，作為一種非接觸式的無損檢驗(yàn)，成像快，檢測(cè)范圍廣，最早應(yīng)用于軍事偵查領(lǐng)域中。基于該技術(shù)的“信息三合一”優(yōu)勢(shì)，能同時(shí)提高檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的化學(xué)和物理特征，且具備較高的空間分辨率。高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，目前已被成功應(yīng)用于生態(tài)資源、軍事航天、農(nóng)業(yè)食品、醫(yī)學(xué)診斷、文物保護(hù)、法庭科學(xué)等。

在生態(tài)資源領(lǐng)域，高光譜成像技術(shù)與遙感技術(shù)的結(jié)合，以高精度、高效率的優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)植被覆蓋勘探與識(shí)別、地表生物數(shù)量估計(jì)、大氣污染狀況評(píng)估、地質(zhì)環(huán)境污染動(dòng)態(tài)勘測(cè)等。在水質(zhì)污染情況檢測(cè)中，高光譜成像技術(shù)能根據(jù)水資源中含有不同有機(jī)物所反映在圖譜中的波段變化，根據(jù)光譜特征的相關(guān)性與差異性評(píng)判水質(zhì)污染狀況。還能通過空間信息、輻射強(qiáng)度分布情況判斷水資源中污染物的探測(cè)、水溫實(shí)時(shí)監(jiān)控等。同理，在地質(zhì)礦產(chǎn)資源勘查工作中，通過捕獲的空間信息、光譜信息、輻射強(qiáng)度信息實(shí)現(xiàn)地質(zhì)礦產(chǎn)資源的識(shí)別與分布情況。

在軍事航天領(lǐng)域，高光譜成像技術(shù)主要應(yīng)用于軍事偵查、探測(cè)目標(biāo)的偽裝性、欺騙性，發(fā)覺隱藏目標(biāo)等方面。通過比對(duì)偽裝目標(biāo)與樣本材料的譜圖差異性分辨真假，顯示遮擋物體與環(huán)境之間的光譜特征的差異實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的揭露，達(dá)到反欺詐的效果。除此之外，高光譜成像技術(shù)正朝向天文行星探測(cè)領(lǐng)域發(fā)展，作為航空探測(cè)儀器成功搭載在中國首顆繞月人造衛(wèi)星中[5]。

在農(nóng)業(yè)食品領(lǐng)域，高光譜成像技術(shù)能在檢測(cè)目標(biāo)物的外部特征同時(shí)又能探測(cè)內(nèi)部品質(zhì)與安全，在農(nóng)業(yè)監(jiān)控與食品安全領(lǐng)域取得了較好的檢測(cè)結(jié)果。高光譜成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)能貼合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與食品制造的待測(cè)量龐大和無損檢驗(yàn)的要求，在不影響外形、不破壞結(jié)構(gòu)的非接觸檢測(cè)下，快速、準(zhǔn)確、高效的對(duì)農(nóng)藥殘留、農(nóng)產(chǎn)物優(yōu)劣、食品腐敗等問題大批量檢驗(yàn)。

在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域，高光譜成像技術(shù)通過對(duì)正常組織與器官的光譜特征與病變組織、器官相對(duì)比，對(duì)機(jī)體健康狀況進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，因其具備“信息三合一”的優(yōu)勢(shì)還能應(yīng)用于臨床方面，高靈敏度、高特異性的同時(shí)判斷人體組織病變情況與分布位置，對(duì)于各類臨床手術(shù)具有實(shí)質(zhì)性的指導(dǎo)作用。高光譜成像技術(shù)不僅能捕獲目標(biāo)物的物理信息與化學(xué)信息，還能達(dá)到非破壞性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在推動(dòng)醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的發(fā)展中卓有成效[6]。

在文物保護(hù)領(lǐng)域，高光譜成像技術(shù)相較于多光譜能在更精細(xì)的波段范圍成像，豐富了數(shù)據(jù)信息，提高了光譜、空間的分辨率，對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行無損檢測(cè)為歷史文物的鑒定工作提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐[4]。在國外，多用于文物的奠定分析，如Gong等選擇光譜角度映射器(SAM)來分類和識(shí)別涂料中使用的顏料，比較使用實(shí)際顏料的分類和鑒定結(jié)果獲得更令人滿意的效果[7]。王樂樂等利用高光譜成像技術(shù)對(duì)古代壁畫進(jìn)行分析，結(jié)合相關(guān)的古代文獻(xiàn)，可以生成所用繪畫技法的信息、估計(jì)壁畫的年代、評(píng)價(jià)其歷史、科學(xué)和藝術(shù)價(jià)值[8]。Balas等開發(fā)了一種計(jì)算機(jī)可控的高光譜成像設(shè)備，能夠在380～1 000 nm的光譜范圍內(nèi)采集502 nm帶寬和302 nm 調(diào)諧步長的光譜圖像，可以恢復(fù)舊手稿中的擦除覆蓋腳本[9]。在國內(nèi)，高光譜成像技術(shù)在考古與文物藝術(shù)品保存中得到廣泛應(yīng)用，如侯妙樂[10]利用高光譜成像技術(shù)對(duì)彩繪文物的分析研究。

目前，高光譜成像部件的技術(shù)發(fā)展為法庭科學(xué)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，快速采集、便攜式、高分辨率系統(tǒng)正在興起，有助于將高光譜成像從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)中?？焖俑咝У膾呙柘到y(tǒng)能完整的掃描現(xiàn)場(chǎng)信息，提高勘驗(yàn)人員的勘查效率，為偵查破案提供線索。高光譜成像技術(shù)融合了光譜分析與成像分析，能同時(shí)捕獲待測(cè)目標(biāo)的全面信息進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、空間分布的研究。這種技術(shù)使檢驗(yàn)員能夠分析痕跡的化學(xué)成分，同時(shí)可視化它們的空間分布。高光譜成像技術(shù)為痕跡物證的檢測(cè)、可視化、識(shí)別和年齡估計(jì)提供了重要的技術(shù)支撐[11]。例如，在法醫(yī)學(xué)中，相較于實(shí)驗(yàn)室未污損的樣本檢驗(yàn)，高光譜成像技術(shù)可檢測(cè)復(fù)合污染的混合物，在生物痕跡的化學(xué)成分檢測(cè)中，可使用該技術(shù)進(jìn)成痕時(shí)間估計(jì)與分析，以及利用該技術(shù)探究系列環(huán)境條件對(duì)生物物證穩(wěn)定性的影響等[12]。

4 高光譜成像技術(shù)在文件檢驗(yàn)中的應(yīng)用

文件檢驗(yàn)工作在實(shí)際案件中常見有筆跡比較檢驗(yàn)、印章印文同一認(rèn)定、文件材料同一認(rèn)定、書寫時(shí)間檢驗(yàn)鑒定等任務(wù)。生活、工作環(huán)境的科技化與物證鑒定要求的日益提高，文件檢驗(yàn)工作中先進(jìn)的科學(xué)設(shè)備顯得愈發(fā)重要，高光譜成像技術(shù)的自身優(yōu)勢(shì)，再同圖譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析的各類方法相結(jié)合，能夠達(dá)到更細(xì)化、精準(zhǔn)的檢測(cè)目的[13]。運(yùn)用該技術(shù)在文件檢驗(yàn)中的簽名筆跡鑒定、變?cè)煳募z驗(yàn)、文件材料檢驗(yàn)、印刷文件檢驗(yàn)、以及書畫鑒定等方面均能達(dá)到較好的檢驗(yàn)鑒定效果。

4.1 高光譜成像技術(shù)在筆跡檢驗(yàn)中應(yīng)用

筆跡檢驗(yàn)運(yùn)用同一認(rèn)定的原理和方法，對(duì)檢材、樣本進(jìn)行分別檢驗(yàn)和比較檢驗(yàn)，客觀分析和總結(jié)檢材與樣本的特征符合點(diǎn)和差異性，作出綜合性判斷。1983年，Laing等[14]用顯微光度法無損分析紙張上的墨水，從待測(cè)墨水樣品的吸收光譜圖中了解墨水成分的含量，檢驗(yàn)區(qū)分顏色相近的不同種墨水方法，控制紙張載體的變量對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)不同載體對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果沒有影響。Kevern[15]研究了在薄層色譜基礎(chǔ)上，使用激光發(fā)光和激發(fā)光譜鑒別墨水種類，當(dāng)傳統(tǒng)檢驗(yàn)鑒定技術(shù)不能區(qū)分時(shí)，該方法提高檢驗(yàn)技術(shù)的靈敏性能成功區(qū)分相似油墨種類，與低溫下的發(fā)光檢驗(yàn)相比較是一種用于室溫發(fā)光增強(qiáng)的有效檢驗(yàn)方法。此外，Sinor等[16]將激光作為光譜激發(fā)光源對(duì)文件材料進(jìn)行檢驗(yàn)，因書寫印刷材料中不同的染料和顏料中的生色基團(tuán)在激光激發(fā)下產(chǎn)生熒光進(jìn)行區(qū)分。Cantu等[17]通過薄層色譜法區(qū)分不同種類墨水，使用不同離子激光源照射樣本記錄相應(yīng)的光譜輻射亮度。對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)比較分析得出氬離子激光照射分離的墨水能達(dá)到最佳效果。為了比較不同檢驗(yàn)方法對(duì)筆跡檢驗(yàn)中墨水的鑒別性能優(yōu)劣性，Paynel等證明高光譜成像技術(shù)在法醫(yī)環(huán)境中具有顯著優(yōu)勢(shì)，例如能夠并排顯示視覺和光譜結(jié)果并減少樣品制備，從而最大限度地降低污染風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于大多數(shù)證據(jù)類型，高光譜成像比傳統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)生更大的區(qū)分能力，非破壞性檢測(cè)特征還能保留進(jìn)一步分析的證據(jù)[18]。

在筆跡檢驗(yàn)中，可以對(duì)書寫筆跡的墨水成分進(jìn)行分類鑒定推斷書寫工具的同一性，亦能通過對(duì)書寫習(xí)慣、筆跡特征檢驗(yàn)分析作出檢驗(yàn)鑒定意見，但依舊存在大量的局限性。譬如檢驗(yàn)方法對(duì)原文件的破壞性，檢驗(yàn)環(huán)境的干擾對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確度影響等；一些言語特征、書寫習(xí)慣地方化、年代化，特征表征能力不夠普遍，只試用于特定的地域與時(shí)代。測(cè)量筆痕寬度等特征僅能表征書寫工具的大小差異，對(duì)顯微設(shè)備的精準(zhǔn)度要求甚高，且在差異較小的情況下難以判別。

李嫣然等基于半監(jiān)督學(xué)習(xí)提出了高聚類精度、強(qiáng)穩(wěn)定性的自適應(yīng)性高光譜圖像分類方法，通過對(duì)肉眼觀察難以區(qū)分的不同筆跡樣本檢測(cè)，利用評(píng)測(cè)結(jié)果的聚類精度來評(píng)估不同算法的優(yōu)劣性能?？偨Y(jié)得出以提供訓(xùn)練樣本的半監(jiān)督學(xué)習(xí)的自適應(yīng)聚類方法最優(yōu)，相比K-Means及ISODATA算法能得到更高的準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性，能準(zhǔn)確高效地自動(dòng)鑒別不同材質(zhì)書寫的相同顏色的筆跡[18]。

孫梅等使用高光譜成像技術(shù)，在400～1 000 nm光譜范圍內(nèi)，結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法，成功鑒定筆跡添改現(xiàn)象和書寫工具的同一認(rèn)定判斷[19]。對(duì)以10種不同的藍(lán)、黑墨水為書寫條件，來自7個(gè)書寫者所提供的檢驗(yàn)樣本，通過高光譜圖像技術(shù)成像結(jié)果，選取有效的特征波段區(qū)域，加強(qiáng)反差，增強(qiáng)區(qū)分度，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與RGB圖像閾值分割相比，HSI圖像閾值分割效果更好[20]。

4.2 高光譜成像技術(shù)在偽造文件檢驗(yàn)中應(yīng)用

鑒定人員主要通過區(qū)分印刷油墨、墨粉、紙張的種類鑒別完成印刷文件的真?zhèn)舞b定。Brauns等[21]使用紅色、藍(lán)色和黑色墨水制備樣品，通過傅里葉變換光譜以實(shí)現(xiàn)光譜辨別，觀察到藍(lán)、黑墨水的譜圖變化，對(duì)所有圖像進(jìn)行模糊c均值聚類分析，以客觀地分析和自動(dòng)化圖像分析得出聚類分析可以區(qū)分具有非常相似的可見光透射光譜的圖像特征。Gl等[22]通過可見光和近紅外區(qū)域(Vis-NIR FORS)中的光纖反射光譜直接在紙上檢查了6種不同品牌的19種黑色噴墨油墨，創(chuàng)建主成分分析模型在500～1 000 nm范圍內(nèi)的預(yù)處理，能夠區(qū)分含碳和不含碳的墨水。Khan等[23]開發(fā)了一種基于端到端攝像頭的高光譜文件成像系統(tǒng)，提出了一種新穎的聯(lián)合稀疏波段選擇技術(shù)，在書寫筆跡中運(yùn)用該技術(shù)從高光譜圖像中選擇信息帶以進(jìn)行精確的墨水不匹配檢測(cè)，平均精度提高達(dá)15%。在文件檢驗(yàn)鑒定工作中，通過打印機(jī)品牌區(qū)分墨粉種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了鑒定需求。劉猛等為區(qū)分激光打印墨粉種類，成功通過高光譜成像儀提取400～1 000 nm波段的光譜信息完成更細(xì)化的分類鑒定，根據(jù)光譜信息搭建五類統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分類分析，并以準(zhǔn)確率、拒識(shí)率、誤識(shí)率評(píng)價(jià)各類模型[13]。

通過對(duì)消除文本、添加文本和添改筆畫來模擬3種不同類型的典型偽造情況。對(duì)消除和添加文本進(jìn)行主成分分析進(jìn)行真?zhèn)舞b別，使用多元曲線分辨交替最小二乘方法(MCR-ALS)增強(qiáng)挖掘消除文本隱藏信息和添加文本區(qū)分差異度結(jié)果。結(jié)果表明，通過主成分分析方法和MCR-ALS方法能以82%的準(zhǔn)確率區(qū)分添加文本的真?zhèn)舞b別。對(duì)于添改筆畫的偽造類型通過多元曲線分辨交替最小二乘方法和偏最小二乘法判別分析能以85%的準(zhǔn)確率識(shí)別鑒定添改筆畫的偽造文本[24]。

4.3 高光譜成像技術(shù)在污損文件檢驗(yàn)中應(yīng)用

去污的辦法種類有物理方法、化學(xué)處理法和影像處理法等，對(duì)于化學(xué)處理法來說，由于污斑理化性質(zhì)各異、化學(xué)成分復(fù)雜，化學(xué)去污的同時(shí)可能導(dǎo)致字跡顏色褪變，同時(shí)影響紙張材料整體的耐久性[25]。運(yùn)用數(shù)字化成像方法對(duì)紙質(zhì)文檔進(jìn)行保存的過程中，對(duì)于解決文檔因環(huán)境因素自身老化和保管過程中人為污損的問題，高光譜成像技術(shù)的出現(xiàn)能較好的完成文檔去污、除霉、清晰字跡等工作。在550～900 nm的可見光紅外波段中掃描檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，于850 nm處波長的數(shù)據(jù)采集圖像中霉斑淡退，被霉斑遮蓋的文本字跡清晰呈現(xiàn)出來。對(duì)于被涂改、涂畫、標(biāo)記的文本，在855 nm波長圖像中藍(lán)黑墨水和圓珠筆字跡被消除，印刷文本被加強(qiáng)顯現(xiàn)增強(qiáng)了文檔數(shù)字化掃描保存的質(zhì)量[26]。550 nm單波長圖像的等高線圖提供了關(guān)于鐵油墨遷移空間特性的詳細(xì)信息。在紅墨水涂抹于黑色墨水上的一部分文本中，使用像素解混來確定紅墨水的涂抹程度。紫外線光源有助于目測(cè)確定其遷移程度，以及區(qū)分遷移部分與原始墨水。油墨損失也可以通過構(gòu)建單波長圖像的密度片并將損失的油墨量與吸光度的降低相關(guān)性聯(lián)系起來進(jìn)行評(píng)估。使用高光譜成像來評(píng)估和量化油墨的各個(gè)方面，例如這些文件中部分油墨遷移和油墨損失的程度，密度切片具有表征墨水損失程度和發(fā)生位置的優(yōu)點(diǎn)，通過比較光譜特性的空間特性，來比較墨水的吸光度。利用表面特性(例如pH)與光譜特征的相關(guān)性分析比較結(jié)果能確定是否發(fā)生了油墨的進(jìn)一步損失[27]。

4.4 高光譜成像技術(shù)在書畫鑒定中應(yīng)用

當(dāng)下最常見的書畫造假方法有：①勾描線條，著色填墨來偽造名家題款和書法作品；②東拼西湊，改頭換面；將殘缺字畫、無落款字畫通過添改、挖裁、漂洗等手段，將字畫偽造成名家作品；③模仿特征，臨摹偽造；通過對(duì)書畫名人長年累月的書寫繪畫習(xí)慣和風(fēng)格特征的模仿，以至達(dá)到以假亂真的效果；④現(xiàn)在高科技方法，如電腦掃描，運(yùn)用墨水和國畫顏料進(jìn)行仿真印刷；通過掃描名家原章經(jīng)過電腦處理做電腦激光造印章，運(yùn)用制版印刷的原理，拍照原印章通過配制化學(xué)試劑制得制版章。技術(shù)的發(fā)展和字畫市場(chǎng)的持續(xù)升溫，讓偽作市場(chǎng)十分猖獗，對(duì)名人書畫的保存和傳播造成較大的負(fù)面影響。如何抵制書畫贗品，鑒定真?zhèn)问菚嬍袌?chǎng)的難題。傳統(tǒng)的鑒定手段主要是通過顯微觀察來人工鑒定，主要依賴于鑒定人的經(jīng)驗(yàn)與專業(yè)水平，該方法耗時(shí)耗力、精準(zhǔn)度不穩(wěn)定、鑒定效率低下。物理化學(xué)分析方法雖能提高鑒定效率和準(zhǔn)確度但屬于對(duì)檢測(cè)樣本有損檢驗(yàn)，會(huì)摧毀真跡的價(jià)值。高光譜成像技術(shù)作為一種無損檢驗(yàn)，能克服上述檢驗(yàn)不足并對(duì)書畫鑒定能提供很好的技術(shù)佐證。

國內(nèi)學(xué)者張冬等運(yùn)用高光譜成像技術(shù)捕獲書畫作品圖像信息，通過預(yù)處理的降噪、校準(zhǔn)、降維，對(duì)圖譜信息通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取，分析空間、光譜特征的相關(guān)性通過支持向量機(jī)分類器進(jìn)行分類處理，顯現(xiàn)作品中的隱藏信息增強(qiáng)視覺效果，識(shí)別鑒定書畫顏料來實(shí)現(xiàn)對(duì)書畫真假鑒定的自動(dòng)分類識(shí)別[4]。Brauns EricB、Padoan等分別利用高光譜數(shù)據(jù)對(duì)不同墨汁的分類識(shí)別進(jìn)行書寫作品、筆墨畫的真?zhèn)舞b別[28]。Costas Balas、Christian Fischer、Maria Kubik、Rosi、以及Brunetti等分別利用高光譜成像技術(shù)對(duì)書畫作品中的顏料進(jìn)行了識(shí)別和分析，宏觀的空間圖譜特征和微觀的光譜特征相輔相成，達(dá)到鑒別贗品的目的。國內(nèi)學(xué)者韓曉夢(mèng)、王樂樂等通過高光譜成像技術(shù)對(duì)古代作品進(jìn)行整體與局部的書畫顏料分析鑒定，總結(jié)歸納了同種顏料在不同波段特征和不同顏料的光譜特征。除了有色顏料的分類鑒定分析，高光譜數(shù)據(jù)還可以對(duì)彩繪文物表層的無色涂料進(jìn)行分析，例如有無香蕉水洗刷的對(duì)比分析等[29]。

5 總結(jié)與展望

高光譜成像技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各大領(lǐng)域中，設(shè)備的完善能滿足各大領(lǐng)域的檢驗(yàn)需求，后期的研究側(cè)重于檢驗(yàn)后期的數(shù)據(jù)處理方面。對(duì)于檢驗(yàn)獲取的大量高光譜圖像數(shù)據(jù)，如何選取最優(yōu)的數(shù)據(jù)分析模型對(duì)圖譜特征進(jìn)行分類，加強(qiáng)自動(dòng)化識(shí)別減少人為因素的誤差達(dá)到最有效的結(jié)果是目前主要研究重點(diǎn)。

在檢驗(yàn)過程中，雜光、大氣中的灰塵等會(huì)對(duì)光感元件對(duì)待測(cè)目標(biāo)的信息采集產(chǎn)生影響，得到的圖譜信息中含有因環(huán)境干擾產(chǎn)生的信息。在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，選取怎樣的處理方式對(duì)圖譜信息進(jìn)行降噪、降維處理，刪除噪聲波段美化光譜成像是主要改進(jìn)目的。此外，對(duì)高光譜圖像特征區(qū)域的選取、研究更優(yōu)化特征提取算法，以及多類特征信息融合的方式，結(jié)合人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)方法處理數(shù)據(jù)，減少人工核對(duì)圖譜信息特征的誤差影響，是目前研究熱點(diǎn)之一，不僅能提高分類的精度和準(zhǔn)確度還能大幅度提升鑒定工作效率。

根據(jù)檢驗(yàn)任務(wù)的需求來擬定圖譜數(shù)據(jù)處理方法，達(dá)到獲取最佳分類結(jié)果的目的。研究在目前擇優(yōu)的聚類算法中如何將空間位置信息與光譜信息特征相關(guān)性融合，對(duì)于譜圖信息差別較小檢測(cè)對(duì)象，在該方法未能準(zhǔn)確區(qū)分的問題上研究將儀器分析結(jié)果與人工智能結(jié)合通過提高學(xué)習(xí)率完成更細(xì)化的分類。在對(duì)書畫文物保護(hù)和真假鑒定工作中，目前較為廣泛應(yīng)用的是近紅外光譜和可見光譜，尚未進(jìn)一步研究將二者結(jié)合的效果，可以試探性研究融合二者波段范圍的光譜特征是否能帶來更高的精確度和魯棒性。

除此之外，高光譜成像技術(shù)的分類鑒定基于復(fù)雜混合的信息，如何高效準(zhǔn)確地對(duì)未知待測(cè)物分類識(shí)別需要大量的已知光譜庫給予支撐，因而完備的光譜庫是數(shù)據(jù)分析應(yīng)用和結(jié)果檢驗(yàn)的重要工具，在日后的研究中建立各類物質(zhì)的高光譜數(shù)據(jù)庫，為檢驗(yàn)鑒定提供數(shù)據(jù)支撐，以供更多的科研工作使用。