基于高光譜成像技術(shù)的涂抹掩蓋字跡識(shí)別方法研究

在刑事案件和民事案件中，許多重要文件中的簽名、日期、數(shù)字等字跡常常被有意涂抹而掩蓋其真實(shí)信息，因而無(wú)法作為證據(jù)使用。因此，開(kāi)展高光譜成像技術(shù)快速無(wú)損顯現(xiàn)涂抹掩蓋字跡十分必要。

目前涂抹掩蓋字跡的顯現(xiàn)方法主要有化學(xué)顯現(xiàn)法和光學(xué)顯現(xiàn)法（紅外拍攝法、反射光譜分析法）。反射光譜分析法即光譜成像技術(shù)法，其檢驗(yàn)過(guò)程屬于光學(xué)無(wú)損檢驗(yàn)，對(duì)檢材沒(méi)有損傷及破壞，相比之下，用它顯現(xiàn)涂抹掩蓋字跡更為安全、可靠且靈敏度高。

光譜成像原理

光譜成像是通過(guò)光譜成像儀來(lái)記錄待檢驗(yàn)的物體在一定的光譜范圍內(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情況，由多個(gè)不同波段下的單色光影像構(gòu)成光譜影像集，它記錄了被檢驗(yàn)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，因此光譜成像也被稱為高光譜成像或超光譜成像。光譜成像的原理如圖1所示。

圖1 光譜成像原理示意圖

字跡物證檢驗(yàn)領(lǐng)域，如血痕檢驗(yàn)、指印檢驗(yàn)、文件檢驗(yàn)、纖維檢驗(yàn)等方面。光譜成像技術(shù)基于高靈敏的特點(diǎn)，可以識(shí)別檢驗(yàn)微小的差異，對(duì)同種物質(zhì)涂抹掩蓋的字跡具有良好的檢驗(yàn)?zāi)芰?，可以與傳統(tǒng)的顯現(xiàn)方法形成互補(bǔ)，同時(shí)光譜成像技術(shù)作為一種光學(xué)無(wú)損檢驗(yàn)方法，可以有效避免化學(xué)方法對(duì)涂抹掩蓋字跡檢材的破壞，為后續(xù)檢驗(yàn)做準(zhǔn)備。

圖2光譜成像系統(tǒng)

2、光譜成像技術(shù)物證光譜特征匹配算法研究

通過(guò)光譜成像技術(shù)獲取成像范圍內(nèi)每一個(gè)像元相應(yīng)的一條連續(xù)的光譜特征曲線，各個(gè)像元間光譜曲線的差異則代表了不同空間位置上物質(zhì)不同的光學(xué)性質(zhì)。物證光譜特征匹配算法是基于物質(zhì)的光譜曲線差異完成的，首先從原始圖像中選取感興趣的區(qū)域（RegionofInterest，ROI），程序根據(jù)已選取的區(qū)域得到該區(qū)域的光譜信息，然后選擇能夠反映ROI光學(xué)性質(zhì)特征的特殊吸收信息作為參考光譜，判斷其它區(qū)域的光譜信息與參考光譜是否具有相同的吸收特征，利用在所選范圍的擬合程度來(lái)表示其它區(qū)域的光譜與參考光譜之間的相似性。

通常，b值越大，參考光譜與觀測(cè)光譜的擬合程度越高，表示參考光譜與觀測(cè)光譜代表的物質(zhì)種類越接近。

3、光譜成像技術(shù)物證光譜特征匹配算法研究

3.1涂抹掩蓋報(bào)紙上打印字跡顯現(xiàn)效果

用不同品牌的黑色簽字筆依次涂抹報(bào)紙上不同部位的文字，用光譜成像技術(shù)在450～950nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行顯現(xiàn)，用光譜分析軟件將原書(shū)寫字跡賦予紅色，涂抹掩蓋筆跡賦予藍(lán)色，疊加部分賦予綠色，客體背景賦予白色。顯現(xiàn)前、顯現(xiàn)后及光譜特征曲線下圖所示。

圖3 1#簽字筆掩蓋報(bào)紙上打印字跡

圖4 2#簽字筆掩蓋報(bào)紙上打印字跡

根據(jù)原打印字跡、涂抹掩蓋筆跡與疊加部分三者的光譜特征曲線發(fā)現(xiàn)，在450～950nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，原打印字跡對(duì)光線的吸收反射性質(zhì)較為穩(wěn)定，在450～650nm內(nèi)曲線緩慢下降，字跡對(duì)光線吸收稍有增強(qiáng)，在650～950nm內(nèi)曲線開(kāi)始上升，字跡對(duì)光線的吸收能力減小、反射增加。而涂抹掩蓋筆跡對(duì)光線的吸收反射性質(zhì)會(huì)因簽字筆品牌不同產(chǎn)生變化，即不同品牌的黑色簽字筆，其墨水成分差異使得各自的光學(xué)特性不盡相同。

作為涂抹掩蓋筆跡與原打印字跡的疊加部分，其光譜特征曲線與涂抹掩蓋筆跡的光譜特征曲線走向相似，即疊加部分對(duì)光的吸收反射情況會(huì)受到涂抹掩蓋筆跡的影響，只是二者在同一波段下的反射亮度值有所不同。

圖5 3#簽字筆掩蓋報(bào)紙上打印字跡

用光譜成像技術(shù)在450～950nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行檢驗(yàn)，能夠清晰地顯現(xiàn)出肉眼無(wú)法辨別的原字跡，反映出被掩蓋字跡的真實(shí)形態(tài)與信息，具有良好的顯現(xiàn)效果。對(duì)報(bào)紙上被涂抹掩蓋字跡的顯現(xiàn)效果由好到差進(jìn)行排列，發(fā)現(xiàn)顯現(xiàn)效果越好的則疊加部分與涂抹掩蓋筆跡的光譜曲線差異越大，二者光譜曲線越是接近則顯現(xiàn)效果越差。

3.2同一支筆書(shū)寫并涂抹掩蓋顯現(xiàn)效果

同一支筆書(shū)寫字跡后并涂抹掩蓋，用光譜成像儀在450～950nm波段內(nèi)進(jìn)行檢驗(yàn)。墨水中不含碳元素的黑色簽字筆要比含碳元素的黑色簽字筆顯現(xiàn)更清晰。雖然原書(shū)寫字跡和涂抹掩蓋筆跡墨水中的物質(zhì)成分相同，二者光譜曲線差異不大，但由于反復(fù)涂抹，疊加部分的光譜特征會(huì)略有不同，使得同一支筆書(shū)寫、掩蓋的字跡能夠得到顯現(xiàn)。此外，當(dāng)涂抹掩蓋筆跡墨水中含有碳元素時(shí)，對(duì)光線的強(qiáng)吸收性質(zhì)會(huì)阻礙疊加部分微小的光譜特征變化，使得顯現(xiàn)效果較差。

圖6 1#不含碳的簽字筆書(shū)寫并涂抹掩蓋

圖7 9#含碳簽字筆書(shū)寫并涂抹掩蓋

4、與傳統(tǒng)紅外顯現(xiàn)效果比較

4.1掩蓋打印字跡顯現(xiàn)效果

使用紅外數(shù)碼相機(jī)，鏡頭前分別加750nm、850nm、950nm紅外濾光鏡，對(duì)掩蓋的字跡進(jìn)行檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)部分涂抹掩蓋筆跡可以顯示出原字跡。而對(duì)大部分涂抹掩蓋筆跡，紅外光線并未完全穿透涂抹掩蓋筆跡，因而沒(méi)有顯現(xiàn)出掩蓋字跡。

4.2同種同色黑色簽字筆涂抹掩蓋顯現(xiàn)效果

使用紅外數(shù)碼相機(jī)，鏡頭前分別加750nm、850nm、950nm的紅外濾光鏡，對(duì)2.3中的掩蓋字跡進(jìn)行檢驗(yàn)，一部分樣本上的涂抹掩蓋字跡被紅外線穿透，可以顯現(xiàn)原書(shū)寫字跡。大部分樣本上的原書(shū)寫字跡與涂抹掩蓋筆跡都沒(méi)有消失，由于兩者對(duì)光線的吸收能力相仿，因而無(wú)法顯現(xiàn)原書(shū)寫字跡；有少部分樣本上的原書(shū)寫字跡與涂抹掩蓋筆跡在紅外的整個(gè)波段內(nèi)都被光線穿透至消失。

圖8 傳統(tǒng)紅外顯現(xiàn)掩蓋打印字跡效果

圖9 傳統(tǒng)紅外顯現(xiàn)掩蓋黑色簽字筆字跡效果

4.3同一支筆書(shū)寫并涂抹掩蓋顯現(xiàn)效果

使用紅外數(shù)碼相機(jī)，鏡頭前分別加750nm、850nm、950nm的紅外濾光鏡對(duì)同一支筆原書(shū)寫字跡與涂抹掩蓋筆跡的掩蓋字跡進(jìn)行檢驗(yàn)，由于同一支筆原書(shū)寫字跡與涂抹掩蓋筆跡對(duì)紅外線的吸收和反射性質(zhì)一樣，無(wú)法顯現(xiàn)掩蓋字跡。

5、結(jié)論

用高光譜成像技術(shù)在450～950nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行顯現(xiàn)肉眼無(wú)法辨別的涂抹掩蓋字跡，大部分被涂抹掩蓋的字跡能夠得到完整、清晰地顯現(xiàn)，反映出被掩蓋字跡的真實(shí)形態(tài)與信息，具有良好的顯現(xiàn)效果。部分顯現(xiàn)效果不佳，原書(shū)寫字跡細(xì)節(jié)特征殘缺，但能識(shí)別出原字跡；只有少部分較為模糊，無(wú)法達(dá)到檢驗(yàn)要求。而使用傳統(tǒng)紅外顯現(xiàn)方法時(shí)，大部分掩蓋字跡難以顯現(xiàn)。因此，高光譜成像技術(shù)作為無(wú)損的光學(xué)檢驗(yàn)方法，在絕大多數(shù)情況下可以快速、無(wú)損地顯現(xiàn)涂抹掩蓋字跡，在痕跡物證檢驗(yàn)與鑒定領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

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審核編輯 黃宇