寬波段高光譜成像技術(shù)在物證檢驗(yàn)中的應(yīng)用

趙雪珺，黃曉春，王長(zhǎng)亮*，蔡能斌*，尹 祿，盧禹先，潘明忠, 4

1. 上海市刑事科學(xué)技術(shù)研究院，上海市現(xiàn)場(chǎng)物證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083 2. 上海市公安局物證鑒定中心，上海市現(xiàn)場(chǎng)物證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083 3. 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所杭州大江東空間信息技術(shù)研究院，浙江 杭州 311225 4. 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083

引 言

成像光譜技術(shù)是指既能獲取目標(biāo)圖像又能獲取目標(biāo)空間各點(diǎn)的連續(xù)光譜信息，并根據(jù)目標(biāo)的特征光譜，確定出目標(biāo)物證成分的一種技術(shù)[1]。成像光譜技術(shù)根據(jù)光譜分辨率又可分為多光譜成像技術(shù)、高光譜成像技術(shù)和超光譜成像技術(shù)，其光譜分辨率分別為波長(zhǎng)的1/10，1/100和1/1 000數(shù)量級(jí)范圍[2]。成像光譜技術(shù)最早應(yīng)用于物證鑒定領(lǐng)域是在20世紀(jì)90年代中期，由James A Janni等提出，但由于技術(shù)方法和儀器設(shè)備性能的限制，這項(xiàng)技術(shù)當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起物證鑒定工作者的廣泛關(guān)注[3]。2003年，澳大利亞的Claude Roux等采用光譜成像技術(shù)進(jìn)行了顯現(xiàn)指印紋線的初步實(shí)驗(yàn)研究，光譜成像裝置采用液晶可調(diào)波長(zhǎng)濾光鏡(LCTF)，這一實(shí)驗(yàn)成為物證鑒定領(lǐng)域廣泛研究光譜成像檢驗(yàn)技術(shù)的開(kāi)端[4]。至今，多光譜成像技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟[5]，但多光譜成像技術(shù)的光譜分辨率有時(shí)難以滿足物證檢驗(yàn)需求，雖然超光譜成像技術(shù)的光譜分辨率高于高光譜成像技術(shù)的分辨率，但高光譜成像技術(shù)的光譜分辨率可以滿足目前的物證檢驗(yàn)需求，因此高光譜成像技術(shù)逐步成為物證鑒定機(jī)構(gòu)重點(diǎn)發(fā)展的研究方向[6-8]。

目前，可見(jiàn)高光譜成像儀或近紅外高光譜成像儀的研發(fā)技術(shù)相對(duì)成熟，國(guó)內(nèi)幾家機(jī)構(gòu)能夠研發(fā)并生產(chǎn)這2個(gè)光譜范圍的高光譜成像儀[9-10]，但當(dāng)需要綜合可見(jiàn)-近紅外波段的特征光譜進(jìn)行物證分析時(shí)將無(wú)法得到精確的結(jié)果。因此，覆蓋可見(jiàn)-近紅外波段的寬波段高光譜成像儀的研制對(duì)于物證檢驗(yàn)的應(yīng)用具有更高的價(jià)值。

寬波段高光譜成像儀的研制有不少難點(diǎn)，光柵的衍射效率、光學(xué)透鏡及其材料等都是技術(shù)瓶頸。本文以自主研發(fā)的可見(jiàn)高光譜成像儀和近紅外高光譜成像儀組合的方式，通過(guò)調(diào)整2臺(tái)高光譜成像儀的姿態(tài)，使2臺(tái)高光譜成像儀共視場(chǎng)從而達(dá)到拓寬成像光譜儀光譜范圍的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法實(shí)現(xiàn)了寬波段高光譜成像設(shè)備的技術(shù)性能，并成功應(yīng)用于物證檢驗(yàn)領(lǐng)域。

1 高光譜成像儀工作原理

常見(jiàn)的推掃式高光譜成像儀的工作原理如圖1所示。入射光由成像透鏡進(jìn)入入射狹縫，再經(jīng)由準(zhǔn)直透鏡和分光模塊，最后由聚焦透鏡匯聚于探測(cè)器。由于入射狹縫的限制，高光譜成像儀的瞬時(shí)視場(chǎng)為圖1中所示的A，B和C三點(diǎn)所在直線的線視場(chǎng)。

圖1 高光譜成像儀原理示意圖

瞬時(shí)線視場(chǎng)的圖像由高光譜成像儀的分光模塊色散后，成像于探測(cè)器靶面，其中一維是線視場(chǎng)圖像所在的空間維，另一維是線視場(chǎng)圖像色散后的光譜維，如圖2所示。

探測(cè)器接收的瞬時(shí)線視場(chǎng)數(shù)據(jù)即單幀圖像數(shù)據(jù)，空間維用于顯示該線視場(chǎng)圖像，光譜維用于顯示該空間維每個(gè)點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)，光譜維中每一個(gè)工作波段稱為一個(gè)光譜通道，如圖2中的彩色條帶所示。若高光譜成像儀的光譜分辨率為k(k為λ1或λ2的1/100數(shù)量級(jí))，光譜范圍為λ1～λ2，則光譜通道1的波長(zhǎng)范圍為λ1～(λ1+k)，光譜通道2的波長(zhǎng)為(λ1+k)～(λ1+2k)，…，光譜通道n的波長(zhǎng)為(λ1+nk)～λ2。

高光譜成像儀通過(guò)推掃的方式獲取整幅圖像的高光譜數(shù)據(jù)，可以利用機(jī)身或待測(cè)物的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)推掃成像，掃描方向?yàn)榇怪庇诰€視場(chǎng)方向，所獲取的高光譜數(shù)據(jù)是三維數(shù)據(jù)，稱之為數(shù)據(jù)立方，如圖3所示。高光譜成像儀相對(duì)于被測(cè)物體沿空間維x方向推掃，每次獲取一維空間維y圖像，經(jīng)推掃后獲取空間維x和空間維y的二維圖像。

圖2 高光譜成像儀探測(cè)器獲取的單幀數(shù)據(jù)示意圖

圖3 高光譜數(shù)據(jù)立方示意圖

數(shù)據(jù)立方具有“圖譜合一”的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于目標(biāo)的每一個(gè)空間點(diǎn)(x，y)，均有一個(gè)連續(xù)的、高光譜分辨率的光譜曲線與之對(duì)應(yīng)。因此，通過(guò)高光譜成像儀既能獲取物體的空間信息，同時(shí)能夠獲取物體的光譜信息。

高光譜成像儀空間性能的參數(shù)主要包括總視場(chǎng)(FOV)和瞬時(shí)視場(chǎng)(IFOV)，如圖4。

圖4 高光譜成像儀空間性能參數(shù)

圖4中GhG是成像鏡頭距物體的距離，總視場(chǎng)FOV決定了高光譜成像儀的掃描幅寬GS，瞬時(shí)視場(chǎng)IFOV決定了高光譜成像儀的空間分辨率GR，高光譜成像儀每次成像的線視場(chǎng)對(duì)應(yīng)的物體大小為GS×GR。

2 寬波段高光譜成像儀實(shí)現(xiàn)方法

高光譜成像儀由光學(xué)透鏡、分光模塊、探測(cè)器等組成，若研制寬波段高光譜成像儀，分光模塊中的光柵需要滿足寬波段范圍內(nèi)較高的衍射效率，光學(xué)透鏡需要在寬波段內(nèi)具有較高的成像質(zhì)量，大面陣的探測(cè)器同樣是需要攻克的難題。因此，采用可見(jiàn)高光譜成像儀和近紅外高光譜成像儀結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)寬波段高光譜成像效果。

將自主研發(fā)的400～1 000 nm可見(jiàn)高光譜成像儀和900～1 700 nm近紅外高光譜成像儀進(jìn)行組合，2臺(tái)高光譜成像儀的實(shí)物圖和研制參數(shù)分別如圖5和表1所示。

圖5 高光譜成像儀實(shí)物圖 (a)：400～1 000 nm；(b)：900～1 700 nm

表1 高光譜成像儀參數(shù)表Table 1 Hyperspectral imager parameter table

2臺(tái)高光譜成像儀需要拍攝同一物體的同一視場(chǎng)，因近紅外高光譜成像儀的工作距離只有113 mm，可見(jiàn)高光譜成像儀的工作距離大于300 mm，為了保證光路無(wú)遮擋，組合后的空間小，裝調(diào)方便，便可見(jiàn)高光譜成像儀由平面反射鏡折轉(zhuǎn)的方式對(duì)準(zhǔn)待測(cè)物體，近紅外高光譜成像儀則斜視對(duì)準(zhǔn)待測(cè)物體，2臺(tái)高光譜成像儀的組合光路圖如圖6所示。高光譜成像儀固定，待測(cè)物體置于電動(dòng)平移臺(tái)上實(shí)現(xiàn)推掃從而獲取三維數(shù)據(jù)立方體。

2臺(tái)高光譜成像儀具有各自的線視場(chǎng)，按圖6所示的光路裝調(diào)后，還需要微調(diào)2臺(tái)成像光譜儀的姿態(tài)，直至線視場(chǎng)匹配。視場(chǎng)匹配調(diào)節(jié)包括視場(chǎng)平行和視場(chǎng)重合兩個(gè)步驟，視場(chǎng)平行調(diào)節(jié)至關(guān)重要，若2臺(tái)高光譜成像儀的線視場(chǎng)未調(diào)至平行，獲取的空間維數(shù)據(jù)具有一定角度偏差，不能實(shí)現(xiàn)兩組空間維和光譜維數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)，則無(wú)法獲取兩組高光譜數(shù)據(jù)。我們采用定標(biāo)板輔助調(diào)節(jié)高光譜成像儀視場(chǎng)平行，調(diào)節(jié)的過(guò)程如圖7所示。

圖6 2臺(tái)高光譜成像儀組合光路圖

圖7 定標(biāo)板輔助調(diào)節(jié)視場(chǎng)平行示意圖

未經(jīng)調(diào)節(jié)姿態(tài)的高光譜成像儀所獲取的成像數(shù)據(jù)如圖7(a)所示，定標(biāo)板的圖像呈傾斜拉伸狀態(tài)，首先調(diào)節(jié)2臺(tái)高光譜成像儀姿態(tài)，直至獲取的兩組圖像數(shù)據(jù)如圖7(b)所示，定標(biāo)板的圖像只呈現(xiàn)拉伸狀態(tài)，其次調(diào)節(jié)2臺(tái)高光譜成像儀的幀頻和電動(dòng)平移臺(tái)的移動(dòng)速度，直至兩組成像數(shù)據(jù)如圖7(c)所示。其中，圖像的傾斜和拉伸由拍攝的正方形定標(biāo)板在探測(cè)器上所占像元數(shù)量來(lái)準(zhǔn)確判斷。最后通過(guò)調(diào)整平面反射鏡的角度調(diào)節(jié)視場(chǎng)重合。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)器材包括400～1 000 nm高光譜成像儀、900～1 700 nm高光譜成像儀、鹵鎢燈光源及風(fēng)扇、高精度直線平移臺(tái)。物體置于高精度平移臺(tái)上，通過(guò)控制平移臺(tái)移動(dòng)，掃描被檢測(cè)物體。

由Labview平臺(tái)編寫(xiě)測(cè)量軟件，界面如圖9所示。分別包括400～1 000和900～1 700 nm高光譜成像儀圖像顯示窗口、400～1 000和900～1 700 nm高光譜成像儀光譜曲線顯示窗口。圖像顯示窗口可以顯示任意單波段的圖像，光譜曲線顯示窗口可以顯示任意空間點(diǎn)光譜曲線。

選擇4種不同種筆跡作為待測(cè)物體，由于2臺(tái)高光譜成像儀的視場(chǎng)大小不同，近紅外高光譜成像儀的視場(chǎng)要小于可見(jiàn)高光譜成像儀的視場(chǎng)，因此以近紅外高光譜成像儀的視場(chǎng)為基準(zhǔn)，裁剪可見(jiàn)高光譜成像儀的視場(chǎng)。測(cè)試結(jié)果用高光譜數(shù)據(jù)處理軟件ENVI打開(kāi)，裁剪后的圖像信息如圖10所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖9 測(cè)量軟件界面

根據(jù)圖10中的4種筆跡，對(duì)應(yīng)的光譜曲線如圖11所示。光譜曲線的波長(zhǎng)范圍是400～1 700 nm，是經(jīng)過(guò)2臺(tái)高光譜成像儀獲取的光譜數(shù)據(jù)拼接后的結(jié)果。

圖11中所示的光譜曲線，表明本方法可以實(shí)現(xiàn)寬波段高光譜數(shù)據(jù)的獲取。

圖10 高光譜成像儀圖像測(cè)試結(jié)果

圖11 四種筆跡的拼接光譜曲線

4 結(jié) 論

結(jié)合可見(jiàn)高光譜成像儀和近紅外高光譜成像儀，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)-近紅外寬波段高光譜成像儀的研制。通過(guò)調(diào)整400～1 000和900～1 700 nm高光譜成像儀的姿態(tài)、拍攝幀頻和電動(dòng)平移臺(tái)的移動(dòng)速度，計(jì)算推掃圖像中拍攝的正方形定標(biāo)板在探測(cè)器上所占像元數(shù)量，判斷兩臺(tái)高光譜成像儀的線視場(chǎng)是否平行，線視場(chǎng)平行后再調(diào)整平面反射鏡的角度，直至線視場(chǎng)相互重合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到4種筆跡的空間二維圖像和任意空間點(diǎn)400～1 700 nm的光譜曲線，證明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)寬波段高光譜數(shù)據(jù)的獲取，使高光譜成像儀在物證鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用范圍更廣。