光谱成像混合体可控性影像分解及应用分析

光谱成像混合体可控性影像分解及应用分析

摘要扫描仪扫描所得影像或太阳光下拍摄的影像，实际上是含有被摄体对各种入射波长射线 光学综合反应的影像混合体，将此混合体分解成不同波长的系列影像，实际是光谱成像的逆过 程，但应用上和光谱成像却有异曲同工之妙。 

 引言 光谱成像是刑事影像技术热点之一，它是在一 定波谱范围内，以较小的波长间隔连续成像，是光 谱分析与成像技术的结合。笔者作为刑事技术专业 工作者，对此也颇有兴趣，不但利用两个国家的光 谱成像系统做过反射光谱成像试验，也曾千里迢迢 跑到外省某国家重点实验室做过荧光光谱成像试 验，用于检验同色异谱的变造文件样本，效果令人 惊叹不已。为此，笔者撰写了论文《Maestro荧光 光谱成像系统应用于文件检验的研究》。此后，在一次偶然的司 法鉴定办案中，笔者按目前光谱成像技术的过程反 过来想了想，居然想到了一个事实：一幅普通的影 像，如太阳光下拍摄的一幅影像，实际上是含有被 摄体对紫外线、可见光和红外线光学综合反应的影 像混合体，从某种意义上讲，电子称| 热像仪| 频闪仪| 测高仪| 测距仪| 金属探测器| 试验机| 扭力计| 流速仪| 粗糙度仪| 流量计| 平衡仪| 该影像就是太阳光谱 的一系列影像的叠加，结果和光谱成像有异曲同工 之处。那么，能否反过来，将此影像混合体分解成 不同波长的系列影像或其他系列影像并用来检验同 色异谱的变造文件?为此，笔者利用《Maestro荧 光光谱成像系统应用于文件检验的研究》和《普 通数码照相机的红外线彩色照相研究》两文中的相同样本，用扫描仪扫描成像，再 用图像处理软件进行影像分解处理，20种不同的 黑色墨水字迹居然变成了十多种颜色字迹，取得的 效果居然不亚于用Maestro荧光光谱成像系统取得 的效果，且比笔者在后一文中所用的方法简便得 多，效果好得多，令人惊讶。笔者认为此技术会为 今后的物证检验提供新的思路，有较为重要的检验 价值，故想写出来供同行参考。考虑到文章篇幅， 这里先就相关理论问题进行定性分析，有关实验我 们将另行拟稿。

1 光谱成像混合体的影像信息分析 总体看，光谱成像混合体可控性影像分解，涉 及光源、物体对光源的反应、影像获取、影像分解及其在检验领域中的应用5个方面。前面3个问题 直接影响成像混合体所含光谱信息，我们对此先进 行分析。
1．1 光源 明显的事实是，成像是在物体对光作出反应之 后实现的。首先，物体对入射光源的光谱成份作出 反应，若光源中不含有某波长范围的射线，光源投 射到物体上，物体自然不存在对该波长范围射线作 出反应的问题。比如太阳光中，X射线、 射线和 真空紫外线共占0．02％ ，其他紫外线占7．27％， 可见光占43．50％ ，近红外线占36．80％ ，中红外 线占12．o0％ ，远红外线和微波共占0．41％ ，且由 于存在大气窗口，照射到地面的太阳光，在可见光 及红外线区，主要是300nm～1300nm、1500nm～ 1800nm 200Ohm ～ 2600nm 3000nm ～ 4200nm 4300nm～500Ohm、800Ohm～1400Onto这几段。在 微波区段，大气窗口主要为8mm 和频率低于 20GHz的波段。换言之，若我们获取光谱成像混合 体时采用太阳光作光源，地面物体仅对大气窗口下 的太阳光作出反应，检验时并未检测到物体对其他 太阳光波段的反应，可能对检验不利。第二，我们 已经知道，各种光源的光谱功率分布曲线并不一 样，即在各个波长处的能量大小不一，被摄体对其 的反射、吸收、透过等光学反应也就不同。即使是 同一种光源，比如太阳光，在一天的不同时刻其光 谱功率分布曲线也不同。不同品牌的扫描仪，其所 用光源，其光谱功率分布曲线也会不同。而各种光 源的光谱功率分布曲线不同对影像所携带的信息会 产生重要影响。因为很明显，若物体对入射光谱各 波长射线的反应能力相同，相对功率较小处的射 线，其反应也小。故影像信息与各波长处的相对功 率大小有关。所幸的是，国际照明委员会CIE已公 布多种标准照明体，如白炽灯为标准照明体A (相 当于色温为2856K的黑体辐射)，自然白昼光定义 为标准照明体D，再如涂料、塑料及纺织工业采用 的D65(相当色温为6504K的白昼光)、印刷和计 算机领域采用的D50等，这些光源的光谱功率分 布曲线可作为光源对影像信息产生影响的参数，使 用者可上CIE网站查阅相关信息。
1．2 物体对光谱成份的响应 电磁波与物证的相互作用，有3种基本的物理 过程，即反射、吸收、透射。根据能量守恒原理， 几者的关系可表示为： EI( ) =ER( ) +EA( ) +ET( ) · 32 · 其中，E ( )为人射能量，E ( )为反射 能量，E ( )为吸收能量，E ( )为透射能 量。 由上式可知，物体对人射能量的反应通过反 射、吸收、透射3种能量来体现。从应用角度看， 物体对光谱成份响应的影响，至少应该研究2个问 题：第一，物体受到入射能量EI( )照射后，以 3种能量的其中哪些种能量体现它的反应?第二， 若以某种能量作出反应，它的反应强度有多大?尤 其是它对某个波长的能量反应强度有多大?这些因 素最终会影响光谱成像混合体所含的影像信息，从 而影响检验结果。 光源所含的光谱成份和各波长处的能量大小与 物体对光源的响应是问题的两个方面，由于物质性 质不同，光源某波长处的能量大小与物体对该能量 以何种方式响应以及响应程度如何没有必然联系， 至今为止尚没有人做过系统研究，没有相关规律可 供利用，我们根据上述分析只有定性的看法：光源 的光谱成份和各波长的相对功率大小、物质性质、 电磁波与物证的相互作用方式、作用强度等，都会 对光谱成像混合体所携带的信息种类和具体信息内 容产生影响。
1．3 影像获取对光谱成像混合体的影响 不难分析，在入射能量、作用物质等条件相对 特定的前提下，该物质对人射能量的反应也是特定 的。对影像获取而言，就要考虑获取上述3种反应 能量中的哪一种的问题，并且接着要考虑用何种设 备、何种方法获取影像的问题。 从效果看，光谱成像混合体若能记录这3种能 量的所有反应固然最好，但并不现实。比如要记录 物体的透射能量，要从物体背后进行，记录物体的 反射能量须从正面进行，两者不能兼得。在太阳光 下记录物体的反射能量，又不能同时记录物体因吸 收能量而产生的荧光反应能量，因为荧光与强烈的 太阳光相比，显得太弱，现在的科技水平还未见能 同时记录这两种反应的设备。 同时，记录反射能量、吸收能量和透射能量， 都有能量与记录器件匹配的问题。人眼能看见可见 光，因为人眼视觉细胞响应的波长范围与可见光匹 配；人眼看不见红外线下的现象，因为人眼视觉细 胞响应的波长范围与红外线不匹配。可见，记录器 件响应范围若与物体的反射能量、吸收能量和透射 能量不匹配，将不能记录相应的反应现象。 可见，光谱成像混合体的获取方式、所用设备也会对混合体所携带的信息产生影响。结合前面的 分析，我们知道：光源的光谱成份和各波长的相对 功率大小、物质性质、电磁波与物证的相互作用方 式、作用强度、影像获取方式、所用设备等，都会 对光谱成像混合体所携带的信息种类和具体信息内 容产生重要影响。

 2 光谱成像混合体的获取方法分析 应选定获取影像的光谱范围和与之匹配的影像 记录仪器设备，以恰当的记录方法进行数字成像。 就实现波段而言，目前最具条件的是可见光及近红 外线波段，因太阳光和卤素灯中可见光及近红外线 均非常丰富，具有连续波谱，一般的数字式照相机 或扫描仪对该两波段的射线十分敏感，因为这些仪 器设备中所用的CCD或CMOS对该两波段射线十 分敏感。就获取方式而言，获取反射光谱成像混合 体较为容易，用数字式照相机直接拍摄或用数字式 扫描仪直接扫描即可。当然，根据笔者以往的实验 看，获取具体影像时有波段选择问题、调焦问题、 曝光量问题等操作技巧问题。这些问题中波段选择 问题最为重要，因为获取光谱成像混合体时，选择 可见光或近红外线或两者同时选择，操作技巧并不 相同。比如我们要获取从可见光至近红外线波段范 围的影像，所用的数字式照相机对可见光和近红外 线要有大体相当的敏感性，在同一曝光量下数字式 照相机才能同时获取物体对这两个波段的反应信 息，但有的数字式照相机，尤其是高级数字式照相 机，为了保证可见光影像的纯洁性，在CCD或 CMOS前面加了阻止红外线通过的滤光镜，有意识 地破坏了数字式照相机对可见光和近红外线敏感度 的平衡，因此要进行必要的处理。

3 光谱成像混合体的影像分解分析 光谱成像混合体的影像分解是本文问题的关 键，我们以反射光谱成像混合体的影像分解问题进 行讨论。 首先，在可见光波段，笔者注意到，光的波长 与颜色一一对应，若光谱成像混合体为彩色影像， 可通过颜色坐标选取单一颜色，而选取了颜色也就 是选取了波长，因此可通过选择不同单一颜色而实 现不同波长影像的分解。另一方面，现代的计算机 一般根据Mac OS X色彩管理系统，几乎都可用 Photoshop等图像处理软件进行颜色处理，可调整 色相、饱和度和明度，能满足色调分解的要求。若 物体为单一消色同色异谱体，如各种品牌的黑色墨 水字迹，光谱成像混合体也是黑色影像，该影像混 合体反映物体对不同波长可见光的反射能力的差 异，影像密度值不同。我们可用Photoshop等图像 处理软件进行自动颜色处理后，再调整色相、饱和 度和明度，实现色调分解的目的。因此，笔者认为 至少在可见光波段实现光谱成像混合体的影像分解 是可行的。 第二，在近红外线波段，因操作时镜头前须加 能透过近红外线而阻止可见光的滤光镜，以往的实 验结果表明，普通数码照相机红外线影像主要反映 物体对不同波长红外线的反射能力的差异，反映为 影像不同密度值的差异。同样，我们可用图像处理 软件对其进行自动颜色处理、色相调整处理以及饱 和度处理等，进行色调分解。 第三，在可见光至近红外线波段，若影像记录 系统如传统彩色红外线感光片一样，两者具有相同 的感应范围与感应能力，我们可采用选择单一颜色 分解的第一种方法处理；若影像记录的是物体对可 见光和近红外线的反射能力的差异，可采用第二种 方法进行影像分解。故笔者认为，光谱成像混合体 进行影像分解是可行的，但要根据不同对象选择不 同的分解方法。

4 光谱成像混合体分解技术在物证检验中的应用 分析
4．1 区分同色异谱现象 同色异谱现象体现为光谱反射曲线不同、但在 一定条件下颜色坐标相同。其在刑事案件侦查或检 验过程中大量存在，如红砖头上的红色鲜血、黑布 上的黑色文字、黑布上的火药颗粒、在黑色文字上 用另一种黑色墨水添加或涂改的收条或借条等。但 由于它们是同色异谱物体，光谱反射曲线不同，对 光谱成像混合体进行波长色彩分解或不同密度值影 像分解，反映物体两个不同部分在不同波长上反射 能力的差异是完全可行的。
4．2 检验不可见或难见物证 不可见是对人眼而言的，人眼的不可见多数表 现为一种物质被另一种物质所遮盖，人眼有感应的 可见光不能穿透表层物质所致。广州市骏凯电子科技有限公司现代的成像技术表 明，红外线、x射线、 射线等比可见光的穿透能 力强得多，也能用于成像。所以，不可见物证可变 为可见物证影像，经对光谱成像混合体进行影像分 解后更能得到有效检验。难见物证主要体现为两种颜色相同或相近人眼 难以分辨，或某种成份太少人眼难以觉察，或某种 成份被可见光穿透而没有背景衬托致使人眼难以产 生反应等。如书包上的模糊难见字迹、黑纸黑铅笔 字等，这些物证因物质成份不同，经对光谱成像混 合体进行影像分解后也可得到有效检验。

5 结束语 本文所述的光谱成像混合体可控性影像分解技 术及其应用分析，是笔者基于偶然发现和专业思考 所作的一点理论探讨，不一定很成熟，但笔者热切  期待其能成为物证无损检验的新手段，以促进成像 检验技术的发展。