指紋作為一種普遍、唯一、穩(wěn)定的生物特征，在刑事偵查領(lǐng)域素有“物證之王”之稱，而在惡性刑事案件尤其是命案中，血指紋又是犯罪現(xiàn)場(chǎng)較為常見的痕跡物證，因此對(duì)其的顯現(xiàn)和提取一直以來(lái)都是法庭科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題。但是由于提取技術(shù)方法落后和客體表面圖案紋理的影響，復(fù)雜背景下血指紋的提取往往比較困難。目前常見的方法是采用Photoshop等軟件剔除指紋圖像中的復(fù)雜背景，或用拍照法和圖像處理法消除或減弱背景干擾等。然而此類方法往往受到參數(shù)不可控、經(jīng)驗(yàn)要求高等因素的影響，處理效果有限且不具備普適性。因此，尋找一種穩(wěn)定有效的新技術(shù)、新方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下血指紋的無(wú)損提取顯得尤為重要。高光譜技術(shù)融合了傳統(tǒng)成像技術(shù)和先進(jìn)的光譜技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，所獲得的高光譜圖像同時(shí)包含了圖像信息和光譜信息。該技術(shù)具有操作速度快、操作方法簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確無(wú)損、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在許多方面已有較為成熟的應(yīng)用。目前國(guó)外利用高光譜技術(shù)在血跡方面的研究較為廣泛，Leeuwen及其研究團(tuán)隊(duì)演示了高光譜技術(shù)在犯罪現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)識(shí)別遠(yuǎn)程血跡的可行性，Kuula等人利用高光譜技術(shù)探究了血跡的物理化學(xué)特性，Cadd等人則成功利用高光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了潛血指紋的顯現(xiàn)。但是，國(guó)內(nèi)利用高光譜技術(shù)對(duì)血指紋的研究尚處于摸索階段，相關(guān)文獻(xiàn)較少。本文利用高光譜成像儀研究了血跡的光譜信息和圖像信息，提出了一種復(fù)雜背景下的血指紋圖像分割方法，通過(guò)對(duì)血指紋樣本的高光譜數(shù)據(jù)采集，利用ENVI軟件選取感興趣區(qū)域，并采用MISystem光譜影像分析軟件進(jìn)行光譜分解、人工分析及效果疊加，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下血指紋圖像的提取與分割。該方法有效避免了復(fù)雜背景對(duì)指紋提取造成的干擾，為后續(xù)的指紋錄入及識(shí)別創(chuàng)造了有利條件。

1 高光譜成像技術(shù)原理

高光譜成像技術(shù)能將數(shù)字成像與光譜技術(shù)相結(jié)合，對(duì)于實(shí)際圖像上的每個(gè)像素點(diǎn)，均包含有高光譜相機(jī)獲取的連續(xù)上百個(gè)光譜波段的輻亮度值，即每個(gè)像素點(diǎn)都對(duì)應(yīng)相應(yīng)連續(xù)的光譜曲線，其中包含的豐富的光譜信息可用來(lái)精準(zhǔn)區(qū)分、提取和分析被拍攝物的物理化學(xué)性質(zhì)。高光譜圖像，是對(duì)樣品的每一個(gè)空間點(diǎn)在多個(gè)離散或連續(xù)波長(zhǎng)下掃描得到的，在光學(xué)焦面的垂直方向上面陣CCD探測(cè)器作y軸方向的橫向掃描。透過(guò)狹縫的平行光線經(jīng)過(guò)分光元件分光后投射在感光元件上，從而獲得了目標(biāo)條帶場(chǎng)景在各波長(zhǎng)下的灰度影像并記錄下了每個(gè)像素的高光譜信息。其橫向是x軸方向上的像素點(diǎn)，縱向是各像元所對(duì)應(yīng)的光譜信息，即y軸方向。隨著被檢測(cè)物體在電動(dòng)線掃平臺(tái)上移動(dòng)，排列的探測(cè)器將會(huì)掃出一條帶狀軌跡，從而完成z軸方向的縱向掃描。將橫軸與縱軸方向掃描的信息相結(jié)合，最終輸出被檢測(cè)物體的三維高光譜立方體數(shù)據(jù)。最終輸出被檢測(cè)物體的三維高光譜立方體數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1高光譜成像技術(shù)原理圖

2 實(shí)驗(yàn)儀器與樣本

本次實(shí)驗(yàn)所采集到的高光譜數(shù)據(jù)可以用萊森光學(xué)的高光譜成像相機(jī)系統(tǒng)iSpecHyper-VS1000，如圖2所示。

圖2iSpecHyper-VS1000

手指蘸取血液，在不同材質(zhì)（油光紙、彩色書寫紙、膠版紙等易留有指紋的紙張）、不同顏色復(fù)雜程度（黑色、紅色、紫色、藍(lán)色、彩色等易遮蓋或混淆血跡顏色）的背景上捺印清晰的指紋，將每塊含有血指紋的區(qū)域進(jìn)行相同規(guī)格的裁剪，依次平放于線掃平臺(tái)上進(jìn)行高光譜圖像數(shù)據(jù)采集。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1血跡光譜分析

血跡的鑒別方法很多，如常見的物理觀察法雖然對(duì)檢材無(wú)損，但只能提供該物質(zhì)的物理信息，屬于定性分析方法，專屬性差。而化學(xué)試劑法可能會(huì)在一定程度上破壞血跡中的DNA成分，影響后續(xù)檢測(cè)。為實(shí)現(xiàn)檢材的無(wú)損檢測(cè)及血指紋圖像的準(zhǔn)確分割，本文首先探索研究了血跡在可見光及近紅外波段內(nèi)的光譜特性。將滴有醬油、紅色指甲油、唇油、血液、血紅蛋白、血清的白色濾紙置于高光譜儀上掃描，把得到的圖像利用ENVI光譜影像分析軟件進(jìn)行分析。白色濾紙上的血清、血紅蛋白、血跡、紅色指甲油、唇油、醬油在復(fù)合光下的RGB圖像如圖3所示，其在400~1000nm波段的光譜曲線如圖4所示。由圖上數(shù)據(jù)可知，以上6種物質(zhì)在400~1000nm波段下對(duì)光的反射率各不相同。高光譜成像效果受被檢物質(zhì)的成分影響較大，而受物質(zhì)顏色的影響較小，使用高光譜成像技術(shù)記錄5種顏色易與血跡混淆的物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)血跡和其他物質(zhì)的光譜峰及形狀有明顯的差異，從而為血指紋的分割提取提供了可能性。

圖36種介質(zhì)的RGB圖像

（a.醬油；b.紅色指甲油；c.唇油；d.血液；e.血紅蛋白；f.血清）

圖46種介質(zhì)的光譜曲線圖

3.2血指紋圖像分割流程

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)搭建高光譜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用高光譜成像技術(shù)采集血指紋樣本的圖譜信息，采用ENVI、MISystem兩種光譜影像分析軟件進(jìn)行血指紋圖像提取及背景分離，其具體流程如圖5所示。

圖5血指紋圖像分割流程圖

3.2.1樣本高光譜數(shù)據(jù)采集

對(duì)復(fù)雜背景下的血指紋進(jìn)行采集前，先提前3min打開光源進(jìn)行預(yù)熱直至光源穩(wěn)定。為了防止采集到的圖像模糊不清或變形失真，需要根據(jù)相機(jī)鏡頭與物體的距離（物距）調(diào)節(jié)光圈和焦距的大小。為了消除光源強(qiáng)度的差異在各波段下分布不均及攝像頭中暗電流噪聲的影響，需要對(duì)采集到的光譜圖像進(jìn)行黑白校準(zhǔn)，如下式所示。

R=（R-B）/（W-B）

其中，R是校正后的圖像，L是原始高光譜圖像，B是黑板校正圖像，W是白板校正圖像。

3.2.2感興趣區(qū)域選取

感興趣區(qū)域（ROI）的合理選取是至關(guān)重要的一個(gè)步驟，其結(jié)果將直接影響后續(xù)處理效果。圖像校正過(guò)后，運(yùn)用ENVI5.1軟件提取高光譜圖像中血指紋樣本的光譜信息，將完整血指紋所在最小矩形區(qū)域作為ROI，將ROI內(nèi)的光譜信息的平均值作為對(duì)應(yīng)樣本的光譜值。ROI選取可去除周邊無(wú)關(guān)信息干擾，提升系統(tǒng)分析速度，為后續(xù)的血指紋分割提取打下基礎(chǔ)。操作如圖6所示。

圖6ENVI軟件ROI處理效果圖

3.2.3圖像光譜分解

將已計(jì)算反射率的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MISystem光譜影像分析軟件進(jìn)行人工分析，即對(duì)目標(biāo)圖像上不同成分點(diǎn)的樣本分別進(jìn)行人工取樣，將遺留在每一處背景上的微量血跡，即該處背景客體的成分與血跡成分進(jìn)行疊加，利用兩者的光譜特性，尋找兩種物質(zhì)形成反差的波段，然后輸出血指紋呈現(xiàn)強(qiáng)吸收且復(fù)雜背景呈現(xiàn)強(qiáng)反射的各波段疊加的灰度圖，進(jìn)行光譜分解分析，MISystem能夠根據(jù)灰度圖大致判斷物質(zhì)遺留在客體上的輪廓形狀，由此達(dá)到對(duì)遺留在復(fù)雜背景上的指紋進(jìn)行提取固定的目的。操作如圖7所示。

圖7MISystem軟件取樣后的血指紋分析圖

本實(shí)驗(yàn)共取樣了6種不同成分物質(zhì)，每一種取若干像素點(diǎn)，如圖7所示取樣完成后進(jìn)行人工分析，軟件進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別并分析運(yùn)算后會(huì)得到6個(gè)分別以標(biāo)記的6個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)亮色的波段。隨后則對(duì)各個(gè)波段的顯現(xiàn)灰度圖進(jìn)行選擇性疊加，本實(shí)驗(yàn)選取了“藍(lán)色”區(qū)域、“紅色”區(qū)域、“青色”區(qū)域?yàn)榉瓷鋸?qiáng)度最強(qiáng)，“綠色”區(qū)域、“黃色”區(qū)域、“紫色”區(qū)域?yàn)槲粘潭茸顝?qiáng)時(shí)候的波段數(shù)據(jù)，最后得到效果圖并輸出。

3.2.4目標(biāo)圖像分割

根據(jù)樣本物質(zhì)成分的吸收和反射狀態(tài)，輸出各波段疊加的灰度圖并進(jìn)行人工分析，選擇理想波段下對(duì)應(yīng)的灰度圖像進(jìn)行合成，選擇血指紋與復(fù)雜背景分離效果最好的圖像輸出存儲(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下血指紋的準(zhǔn)確分割。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖8MISystem光譜影像分析軟件與Photoshop圖像處理軟件分割對(duì)比圖（a.原圖像；b.MISystem軟件處理結(jié)果；c.Photoshop軟件處理結(jié)果）

通過(guò)對(duì)油光紙、彩色書寫紙、膠版紙等復(fù)雜客體表面的血指紋圖像分割效果進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)分割效果均較為顯著，并未受到客體的材料及背景的復(fù)雜程度等因素的影響。圖8列出了三組利用MISystem軟件提取復(fù)雜背景下的血指紋的處理結(jié)果，并將其與Photoshop軟件處理結(jié)果進(jìn)行了比較。其中Photoshop軟件的處理主要通過(guò)RGB各通道的反色疊加及透明度調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)血指紋分割。

由圖可看出，本文提出的方法有效避免了復(fù)雜背景的干擾，較為完整地提取出了目標(biāo)血指紋。在有多種顏色混合或是存在紅色等與血跡顏色相近的背景干擾下，Photoshop軟件的處理效果遠(yuǎn)沒有MISystem理想。這是由于光譜圖像數(shù)據(jù)是具有“圖譜合一”特點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)立方體,因此與傳統(tǒng)的相機(jī)拍攝圖像相比所包含的數(shù)據(jù)量更大，且其光譜信息準(zhǔn)確反應(yīng)了血跡的物理及化學(xué)性質(zhì)，具有區(qū)別于醬油、紅色指甲油、唇油等易與血跡混淆的物質(zhì)的光譜特性，為后續(xù)的光譜分解打下基礎(chǔ)。此外，ENVI軟件通過(guò)對(duì)血指紋圖像感興趣區(qū)域的選取大大降低了圖像的處理數(shù)據(jù)，MISystem光譜影像分析軟件提供了針對(duì)性更強(qiáng)的物證識(shí)別、光譜分解、光譜分析等主要功能，選擇能夠代表目標(biāo)物質(zhì)的感興趣區(qū)域后，可以利用物質(zhì)對(duì)光的反射吸收差異對(duì)圖像進(jìn)行像素點(diǎn)的采集、人工分析，圖像合成疊加，從而達(dá)到有效且無(wú)損提取復(fù)雜背景下血指紋的目的。而Photoshop操作方法更適用于處理多色客體上的汗液指紋、粉末指紋、茚三酮指紋等，拍攝照片時(shí)需要使相機(jī)光軸與兩種被攝客體的角度保持一致，否則兩幅圖像無(wú)法重合，因此Photoshop更多依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)，且只能單純根據(jù)像素色彩進(jìn)行區(qū)分。當(dāng)背景色彩較多，或是分割目標(biāo)與背景顏色相近時(shí)無(wú)法達(dá)到理想的分割效果，處理不當(dāng)還會(huì)使指紋圖像的細(xì)節(jié)信息丟失，直接影響后續(xù)的比對(duì)結(jié)果。

5 結(jié)論和展望

本文提出了一種復(fù)雜背景下的血指紋分割方法，通過(guò)光譜儀采集數(shù)據(jù)的光譜圖像信息，利用ENVI軟件選取感興趣區(qū)域，采用MISystem光譜影像分析軟件進(jìn)行像素采集、人工分析及效果疊加，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)血指紋與復(fù)雜背景的分離，為血指紋樣本的無(wú)損提取檢測(cè)提供了一種新的方法和思路。由于血跡在紫外及紅外波段下表現(xiàn)出特有的性質(zhì)，而紫外光譜成像技術(shù)和紅外光譜成像技術(shù)也日漸成熟并開始廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，因此下一步的工作重點(diǎn)是探索基于紫外波段和紅外波段光譜成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下的血指紋分割提取的可行性。

萊森光學(xué)（深圳）有限公司是一家提供光機(jī)電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

審核編輯 黃昊宇