光譜成像檢驗(yàn)技術(shù)

摘要：光譜成像組合了光譜技術(shù)和成像技術(shù)。通過運(yùn)用成像光譜儀，光譜成像方法可以記錄被檢驗(yàn)物體在一個(gè)較寬光譜范圍內(nèi)均勻密集分布的窄波段反射光或熒光亮度分布影像，形成含有物體亮度信息和光譜信息的光譜影像集。這種技術(shù)方法可以用于物證的形態(tài)特征檢驗(yàn)和物質(zhì)成分檢驗(yàn)。相對(duì)傳統(tǒng)光譜檢驗(yàn)或成像檢驗(yàn)技術(shù)，光譜成像檢驗(yàn)的能力和效果都具有明顯優(yōu)勢(shì)。

光譜成像(SpectralImaging)是通過成像光譜儀記錄被檢驗(yàn)物體在一定光譜范圍內(nèi)密集均勻分布的多個(gè)窄波段單色光的反射光亮度分布或熒光亮度分布，形成由許多單色光影像構(gòu)成的光譜影像集。

光譜成像組合了光譜技術(shù)和數(shù)字成像技術(shù)，其裝置由液晶可調(diào)波長(zhǎng)濾光鏡(LCTF)、數(shù)字CCD照相機(jī)、照明光源和計(jì)算機(jī)及專用軟件組成(圖1)，其中由計(jì)算機(jī)控制的液晶可調(diào)波長(zhǎng)濾光鏡與CCD照相機(jī)連接構(gòu)成了成像光譜儀。光譜成像首先要根據(jù)檢材狀況和檢驗(yàn)?zāi)康模凑?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/4854/" target="_blank">光學(xué)檢驗(yàn)原理，選擇照明光源和照明條件，在檢材上形成適當(dāng)?shù)姆瓷涔饬炼确植蓟驘晒饬炼确植肌Ｔ诔上裼涗洉r(shí)，計(jì)算機(jī)控制液晶可調(diào)波長(zhǎng)濾光鏡在一定范圍內(nèi)依次透過預(yù)先設(shè)定的多個(gè)等間距波長(zhǎng)位置上的窄波段單色光，使檢材在各個(gè)波段的反射光或熒光透過濾光鏡依次到達(dá)CCD感應(yīng)器。計(jì)算機(jī)控制CCD感應(yīng)器記錄操作與濾光鏡透過單色光操作同步進(jìn)行，使CCD感應(yīng)器能夠記錄檢材在相應(yīng)波段的亮度分布，并將眾多單色光亮度影像儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中形成光譜成像的光譜影像集。

圖1.光譜成像裝置示意圖

光譜成像記錄的光譜影像集包含了檢材物體在多幅等間隔波長(zhǎng)位置的窄波段單色光亮度分布影像，因此這種成像技術(shù)也被稱為多光譜成像或超光譜成像(HyperspectralImaging)。此外，光譜影像上任意一個(gè)像點(diǎn)在各個(gè)單色影像中的亮度變化，就是這個(gè)像點(diǎn)位置物質(zhì)的光譜亮度曲線。由于這些光譜亮度曲線能夠在一定程度上反映被檢驗(yàn)物體上物質(zhì)的化學(xué)成分，光譜成像又被稱為“化學(xué)成像”(ChemicalImaging)。這兩種名稱反映的側(cè)重點(diǎn)不同，光譜成像或超光譜成像強(qiáng)調(diào)了這種技術(shù)方法的性質(zhì)和影像集信息的光譜屬性，而化學(xué)成像更著重強(qiáng)調(diào)的是這種技術(shù)方法鑒別物質(zhì)化學(xué)成分的應(yīng)用。光譜影像集的每幅單色影像記錄了物體在相應(yīng)波長(zhǎng)的光亮度分布信息，單色影像的組合記錄了物體在所有選定單色波段的光亮度分布信息。這些表達(dá)物體表面光譜亮度分布性質(zhì)的信息可以由兩個(gè)空間坐標(biāo)(X，Y)和一個(gè)波長(zhǎng)坐標(biāo)(λ)構(gòu)成的三維坐標(biāo)描述(圖2)，光譜影像集也因此被稱為“光譜影像立方體”(SpectralImageCube)。此外，光譜成像記錄的影像也可以被想象成為一幅特殊的，其每個(gè)像點(diǎn)上不僅有這個(gè)像點(diǎn)對(duì)應(yīng)物質(zhì)的亮度值信息，還含有物質(zhì)光譜信息的“光譜平面影像”。

圖2.光譜影像集屬性示意圖。左側(cè)為影像上任意像點(diǎn)的光譜亮度曲線, 右側(cè)為在空間 (X, Y)坐標(biāo)和波長(zhǎng)(λ)坐標(biāo)中的“ 光譜影像立方體” 。通過專用的計(jì)算機(jī)軟件程序可以將光譜影像集包含的光譜亮度分布信息轉(zhuǎn)化為反映物體亮度分布性質(zhì)的結(jié)果影像或反映物質(zhì)光譜性質(zhì)的曲線和數(shù)據(jù)，用于物證形態(tài)特征檢驗(yàn)或物質(zhì)化學(xué)成分鑒別兩種用途。

3.5 光譜成像技術(shù)的局限性

在物證技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)階段光譜成像技術(shù)還存在一些局限性。由于目前多數(shù)成像光譜儀不是專門為物證檢驗(yàn)應(yīng)用配套的，它們的成像檢驗(yàn)范圍偏小，只能用于較小尺寸的痕跡(10～20cm)。另外一個(gè)限制因素是目前研究工作大多處于探索階段，還需開展更多研究才能使其成為物證檢驗(yàn)的常規(guī)手段。此外，光譜成像裝置需要使用科學(xué)級(jí)的CCD數(shù)字照相機(jī)和液晶可調(diào)波長(zhǎng)濾光鏡，成本相對(duì)較高。

4 光譜成像檢驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和前景光譜成像技術(shù)的理論和技術(shù)實(shí)踐已有數(shù)十年歷史，但近年來液晶可調(diào)波長(zhǎng)濾光鏡的出現(xiàn)和數(shù)字成像技術(shù)的成熟，使這項(xiàng)技術(shù)的作用能力達(dá)到了一個(gè)嶄新的水平。它在飛機(jī)和衛(wèi)星遙感測(cè)量及工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域取得了很好的應(yīng)用效果，并被嘗試用于包括物證檢驗(yàn)技術(shù)在內(nèi)的更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

近年來，光譜成像技術(shù)開始試用于指印顯現(xiàn)和加強(qiáng)、墨水種類鑒別、油漆和纖維等微量物證檢驗(yàn)。初步的研究工作表明光譜成像技術(shù)在許多物證檢驗(yàn)專業(yè)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，顯示出非常好的應(yīng)用前景，但它還是一個(gè)有待進(jìn)一步開發(fā)研究的領(lǐng)域。例如，光譜成像技術(shù)顯現(xiàn)潛在指印的靈敏度在實(shí)驗(yàn)研究中顯示出明顯高于常規(guī)成像檢驗(yàn)方法。無損的影像檢驗(yàn)是物證檢驗(yàn)領(lǐng)域最有吸引力和最有效的檢驗(yàn)技術(shù)方法，在各種類型物證檢驗(yàn)鑒定中占有重要地位。刑事影像檢驗(yàn)方面的任何技術(shù)改善和進(jìn)步，都將在物證檢驗(yàn)實(shí)踐中顯示出重要的積極作用。因此，通過引入光譜成像技術(shù)提高刑事影像檢驗(yàn)?zāi)芰哂蟹浅Ｖ匾膶?shí)際意義。光譜成像技術(shù)將為刑事物證檢驗(yàn)技術(shù)帶來新的發(fā)展機(jī)遇，并很有可能在今后幾年成為刑事影像技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)而倍受關(guān)注。相信經(jīng)過更廣泛和深入的技術(shù)和應(yīng)用研究，光譜成像將被證明是物證檢驗(yàn)領(lǐng)域有價(jià)值的工具。

審核編輯 黃宇