基于高光譜成像技術(shù)的涂抹掩蓋字跡識別方法研究

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信息，因而無法作為證據(jù)使用。因此，開展高光譜成像技術(shù)快速無損顯現(xiàn)涂抹掩蓋字跡十分必要。

目前涂抹掩蓋字跡的顯現(xiàn)方法主要有化學顯現(xiàn)法和光學顯現(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，其檢驗過程屬于光學無損檢驗，對檢材沒有損傷及破壞，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。

1.光譜成像原理

光譜成像是通過光譜成像儀來記錄待檢驗的物體在一定的光譜范圍內(nèi)密集均勻分布的多個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，它記錄了被檢驗物體在多幅等間隔波長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

字跡物證檢驗領(lǐng)域，如血痕檢驗、指印檢驗、文件檢驗、纖維檢驗等方面。光譜成像技術(shù)基于高靈敏的特點，可以識別檢驗微小的差異，對同種物質(zhì)涂抹掩蓋的字跡具有良好的檢驗?zāi)芰Γ梢耘c傳統(tǒng)的顯現(xiàn)方法形成互補，同時光譜成像技術(shù)作為一種光學無損檢驗方法，可以有效避免化學方法對涂抹掩蓋字跡檢材的破壞，為后續(xù)檢驗做準備。

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

通過光譜成像技術(shù)獲取成像范圍內(nèi)每一個像元相應(yīng)的一條連續(xù)的光譜特征曲線，各個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，參考光譜與觀測光譜的擬合程度越高，表示參考光譜與觀測光譜代表的物質(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紙上不同部位的文字，用光譜成像技術(shù)在450～950nm波長范圍內(nèi)進行顯現(xiàn)，用光譜分析軟件將原書寫字跡賦予紅色，涂抹掩蓋筆跡賦予藍色，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#簽字筆掩蓋報紙上打印字跡

圖4 2#簽字筆掩蓋報紙上打印字跡

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波長范圍內(nèi)，原打印字跡對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，字跡對光線吸收稍有增強，在650～950nm內(nèi)曲線開始上升，字跡對光線的吸收能力減小、反射增加。而涂抹掩蓋筆跡對光線的吸收反射性質(zhì)會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，即疊加部分對光的吸收反射情況會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#簽字筆掩蓋報紙上打印字跡

用光譜成像技術(shù)在450～950nm波長范圍內(nèi)進行檢驗，能夠清晰地顯現(xiàn)出肉眼無法辨別的原字跡，反映出被掩蓋字跡的真實形態(tài)與信息，具有良好的顯現(xiàn)效果。對報紙上被涂抹掩蓋字跡的顯現(xiàn)效果由好到差進行排列，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同一支筆書寫并涂抹掩蓋顯現(xiàn)效果

同一支筆書寫字跡后并涂抹掩蓋，用光譜成像儀在450～950nm波段內(nèi)進行檢驗。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略有不同，使得同一支筆書寫、掩蓋的字跡能夠得到顯現(xiàn)。此外，當涂抹掩蓋筆跡墨水中含有碳元素時，對光線的強吸收性質(zhì)會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#不含碳的簽字筆書寫并涂抹掩蓋

圖7 9#含碳簽字筆書寫并涂抹掩蓋

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，鏡頭前分別加750nm、850nm、950nm紅外濾光鏡，對掩蓋的字跡進行檢驗。實驗結(jié)果表明，對部分涂抹掩蓋筆跡可以顯示出原字跡。而對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，鏡頭前分別加750nm、850nm、950nm的紅外濾光鏡，對2.3中的掩蓋字跡進行檢驗，一部分樣本上的涂抹掩蓋字跡被紅外線穿透，可以顯現(xiàn)原書寫字跡。大部分樣本上的原書寫字跡與涂抹掩蓋筆跡都沒有消失，由于兩者對光線的吸收能力相仿，因而無法顯現(xiàn)原書寫字跡；有少部分樣本上的原書寫字跡與涂抹掩蓋筆跡在紅外的整個波段內(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同一支筆書寫并涂抹掩蓋顯現(xiàn)效果

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

5.結(jié)論

用高光譜成像技術(shù)在450～950nm波長范圍內(nèi)進行顯現(xiàn)肉眼無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，原書寫字跡細節(jié)特征殘缺，但能識別出原字跡；只有少部分較為模糊，無法達到檢驗要求。而使用傳統(tǒng)紅外顯現(xiàn)方法時，大部分掩蓋字跡難以顯現(xiàn)。因此，高光譜成像技術(shù)作為無損的光學檢驗方法，在絕大多數(shù)情況下可以快速、無損地顯現(xiàn)涂抹掩蓋字跡，在痕跡物證檢驗與鑒定領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和實用價值。

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