光譜成像混合體可控性影像分解及應用分析

摘要掃描儀掃描所得影像或太陽(yáng)光下拍攝的影像，實(shí)際上是含有被攝體對各種入射波長(cháng)射線(xiàn) 光學(xué)綜合反應的影像混合體，將此混合體分解成不同波長(cháng)的系列影像，實(shí)際是光譜成像的逆過(guò) 程，但應用上和光譜成像卻有異曲同工之妙。 

 引言 光譜成像是刑事影像技術(shù)熱點(diǎn)之一，它是在一 定波譜范圍內，以較小的波長(cháng)間隔連續成像，是光 譜分析與成像技術(shù)的結合。筆者作為刑事技術(shù)專(zhuān)業(yè) 工作者，對此也頗有興趣，不但利用兩個(gè)國家的光 譜成像系統做過(guò)反射光譜成像試驗，也曾千里迢迢 跑到外省某國家重點(diǎn)實(shí)驗室做過(guò)熒光光譜成像試 驗，用于檢驗同色異譜的變造文件樣本，效果令人 驚嘆不已。為此，筆者撰寫(xiě)了論文《Maestro熒光 光譜成像系統應用于文件檢驗的研究》。此后，在一次偶然的司 法鑒定辦案中，筆者按目前光譜成像技術(shù)的過(guò)程反 過(guò)來(lái)想了想，居然想到了一個(gè)事實(shí)：一幅普通的影 像，如太陽(yáng)光下拍攝的一幅影像，實(shí)際上是含有被 攝體對紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)光學(xué)綜合反應的影 像混合體，從某種意義上講，電子稱(chēng)| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗機| 扭力計| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計| 平衡儀| 該影像就是太陽(yáng)光譜 的一系列影像的疊加，結果和光譜成像有異曲同工 之處。那么，能否反過(guò)來(lái)，將此影像混合體分解成 不同波長(cháng)的系列影像或其他系列影像并用來(lái)檢驗同 色異譜的變造文件?為此，筆者利用《Maestro熒 光光譜成像系統應用于文件檢驗的研究》和《普 通數碼照相機的紅外線(xiàn)彩色照相研究》兩文中的相同樣本，用掃描儀掃描成像，再 用圖像處理軟件進(jìn)行影像分解處理，20種不同的 黑色墨水字跡居然變成了十多種顏色字跡，取得的 效果居然不亞于用Maestro熒光光譜成像系統取得 的效果，且比筆者在后一文中所用的方法簡(jiǎn)便得 多，效果好得多，令人驚訝。筆者認為此技術(shù)會(huì )為 今后的物證檢驗提供新的思路，有較為重要的檢驗 價(jià)值，故想寫(xiě)出來(lái)供同行參考�？紤]到文章篇幅， 這里先就相關(guān)理論問(wèn)題進(jìn)行定性分析，有關(guān)實(shí)驗我 們將另行擬稿。

1 光譜成像混合體的影像信息分析 總體看，光譜成像混合體可控性影像分解，涉 及光源、物體對光源的反應、影像獲取、影像分解及其在檢驗領(lǐng)域中的應用5個(gè)方面。前面3個(gè)問(wèn)題 直接影響成像混合體所含光譜信息，我們對此先進(jìn) 行分析。
1．1 光源 明顯的事實(shí)是，成像是在物體對光作出反應之 后實(shí)現的。首先，物體對入射光源的光譜成份作出 反應，若光源中不含有某波長(cháng)范圍的射線(xiàn)，光源投 射到物體上，物體自然不存在對該波長(cháng)范圍射線(xiàn)作 出反應的問(wèn)題。比如太陽(yáng)光中，X射線(xiàn)、 射線(xiàn)和 真空紫外線(xiàn)共占0．02％ ，其他紫外線(xiàn)占7．27％， 可見(jiàn)光占43．50％ ，近紅外線(xiàn)占36．80％ ，中紅外 線(xiàn)占12．o0％ ，遠紅外線(xiàn)和微波共占0．41％ ，且由 于存在大氣窗口，照射到地面的太陽(yáng)光，在可見(jiàn)光 及紅外線(xiàn)區，主要是300nm～1300nm、1500nm～ 1800nm 200Ohm ～ 2600nm 3000nm ～ 4200nm 4300nm～500Ohm、800Ohm～1400Onto這幾段。在 微波區段，大氣窗口主要為8mm 和頻率低于 20GHz的波段。換言之，若我們獲取光譜成像混合 體時(shí)采用太陽(yáng)光作光源，地面物體僅對大氣窗口下 的太陽(yáng)光作出反應，檢驗時(shí)并未檢測到物體對其他 太陽(yáng)光波段的反應，可能對檢驗不利。第二，我們 已經(jīng)知道，各種光源的光譜功率分布曲線(xiàn)并不一 樣，即在各個(gè)波長(cháng)處的能量大小不一，被攝體對其 的反射、吸收、透過(guò)等光學(xué)反應也就不同。即使是 同一種光源，比如太陽(yáng)光，在一天的不同時(shí)刻其光 譜功率分布曲線(xiàn)也不同。不同品牌的掃描儀，其所 用光源，其光譜功率分布曲線(xiàn)也會(huì )不同。而各種光 源的光譜功率分布曲線(xiàn)不同對影像所攜帶的信息會(huì ) 產(chǎn)生重要影響。因為很明顯，若物體對入射光譜各 波長(cháng)射線(xiàn)的反應能力相同，相對功率較小處的射 線(xiàn)，其反應也小。故影像信息與各波長(cháng)處的相對功 率大小有關(guān)。所幸的是，國際照明委員會(huì )CIE已公 布多種標準照明體，如白熾燈為標準照明體A (相 當于色溫為2856K的黑體輻射)，自然白晝光定義 為標準照明體D，再如涂料、塑料及紡織工業(yè)采用 的D65(相當色溫為6504K的白晝光)、印刷和計 算機領(lǐng)域采用的D50等，這些光源的光譜功率分 布曲線(xiàn)可作為光源對影像信息產(chǎn)生影響的參數，使 用者可上CIE網(wǎng)站查閱相關(guān)信息。
1．2 物體對光譜成份的響應 電磁波與物證的相互作用，有3種基本的物理 過(guò)程，即反射、吸收、透射。根據能量守恒原理， 幾者的關(guān)系可表示為： EI( ) =ER( ) +EA( ) +ET( ) · 32 · 其中，E ( )為人射能量，E ( )為反射 能量，E ( )為吸收能量，E ( )為透射能 量。 由上式可知，物體對人射能量的反應通過(guò)反 射、吸收、透射3種能量來(lái)體現。從應用角度看， 物體對光譜成份響應的影響，至少應該研究2個(gè)問(wèn) 題：第一，物體受到入射能量EI( )照射后，以 3種能量的其中哪些種能量體現它的反應?第二， 若以某種能量作出反應，它的反應強度有多大?尤 其是它對某個(gè)波長(cháng)的能量反應強度有多大?這些因 素最終會(huì )影響光譜成像混合體所含的影像信息，從 而影響檢驗結果。 光源所含的光譜成份和各波長(cháng)處的能量大小與 物體對光源的響應是問(wèn)題的兩個(gè)方面，由于物質(zhì)性 質(zhì)不同，光源某波長(cháng)處的能量大小與物體對該能量 以何種方式響應以及響應程度如何沒(méi)有必然聯(lián)系， 至今為止尚沒(méi)有人做過(guò)系統研究，沒(méi)有相關(guān)規律可 供利用，我們根據上述分析只有定性的看法：光源 的光譜成份和各波長(cháng)的相對功率大小、物質(zhì)性質(zhì)、 電磁波與物證的相互作用方式、作用強度等，都會(huì ) 對光譜成像混合體所攜帶的信息種類(lèi)和具體信息內 容產(chǎn)生影響。
1．3 影像獲取對光譜成像混合體的影響 不難分析，在入射能量、作用物質(zhì)等條件相對 特定的前提下，該物質(zhì)對人射能量的反應也是特定 的。對影像獲取而言，就要考慮獲取上述3種反應 能量中的哪一種的問(wèn)題，并且接著(zhù)要考慮用何種設 備、何種方法獲取影像的問(wèn)題。 從效果看，光譜成像混合體若能記錄這3種能 量的所有反應固然最好，但并不現實(shí)。比如要記錄 物體的透射能量，要從物體背后進(jìn)行，記錄物體的 反射能量須從正面進(jìn)行，兩者不能兼得。在太陽(yáng)光 下記錄物體的反射能量，又不能同時(shí)記錄物體因吸 收能量而產(chǎn)生的熒光反應能量，因為熒光與強烈的 太陽(yáng)光相比，顯得太弱，現在的科技水平還未見(jiàn)能 同時(shí)記錄這兩種反應的設備。 同時(shí)，記錄反射能量、吸收能量和透射能量， 都有能量與記錄器件匹配的問(wèn)題。人眼能看見(jiàn)可見(jiàn) 光，因為人眼視覺(jué)細胞響應的波長(cháng)范圍與可見(jiàn)光匹 配；人眼看不見(jiàn)紅外線(xiàn)下的現象，因為人眼視覺(jué)細 胞響應的波長(cháng)范圍與紅外線(xiàn)不匹配�？梢�(jiàn)，記錄器 件響應范圍若與物體的反射能量、吸收能量和透射 能量不匹配，將不能記錄相應的反應現象。 可見(jiàn)，光譜成像混合體的獲取方式、所用設備也會(huì )對混合體所攜帶的信息產(chǎn)生影響。結合前面的 分析，我們知道：光源的光譜成份和各波長(cháng)的相對 功率大小、物質(zhì)性質(zhì)、電磁波與物證的相互作用方 式、作用強度、影像獲取方式、所用設備等，都會(huì ) 對光譜成像混合體所攜帶的信息種類(lèi)和具體信息內 容產(chǎn)生重要影響。

 2 光譜成像混合體的獲取方法分析 應選定獲取影像的光譜范圍和與之匹配的影像 記錄儀器設備，以恰當的記錄方法進(jìn)行數字成像。 就實(shí)現波段而言，目前最具條件的是可見(jiàn)光及近紅 外線(xiàn)波段，因太陽(yáng)光和鹵素燈中可見(jiàn)光及近紅外線(xiàn) 均非常豐富，具有連續波譜，一般的數字式照相機 或掃描儀對該兩波段的射線(xiàn)十分敏感，因為這些儀 器設備中所用的CCD或CMOS對該兩波段射線(xiàn)十 分敏感。就獲取方式而言，獲取反射光譜成像混合 體較為容易，用數字式照相機直接拍攝或用數字式 掃描儀直接掃描即可。當然，根據筆者以往的實(shí)驗 看，獲取具體影像時(shí)有波段選擇問(wèn)題、調焦問(wèn)題、 曝光量問(wèn)題等操作技巧問(wèn)題。這些問(wèn)題中波段選擇 問(wèn)題最為重要，因為獲取光譜成像混合體時(shí)，選擇 可見(jiàn)光或近紅外線(xiàn)或兩者同時(shí)選擇，操作技巧并不 相同。比如我們要獲取從可見(jiàn)光至近紅外線(xiàn)波段范 圍的影像，所用的數字式照相機對可見(jiàn)光和近紅外 線(xiàn)要有大體相當的敏感性，在同一曝光量下數字式 照相機才能同時(shí)獲取物體對這兩個(gè)波段的反應信 息，但有的數字式照相機，尤其是高級數字式照相 機，為了保證可見(jiàn)光影像的純潔性，在CCD或 CMOS前面加了阻止紅外線(xiàn)通過(guò)的濾光鏡，有意識 地破壞了數字式照相機對可見(jiàn)光和近紅外線(xiàn)敏感度 的平衡，因此要進(jìn)行必要的處理。

3 光譜成像混合體的影像分解分析 光譜成像混合體的影像分解是本文問(wèn)題的關(guān) 鍵，我們以反射光譜成像混合體的影像分解問(wèn)題進(jìn) 行討論。 首先，在可見(jiàn)光波段，筆者注意到，光的波長(cháng) 與顏色一一對應，若光譜成像混合體為彩色影像， 可通過(guò)顏色坐標選取單一顏色，而選取了顏色也就 是選取了波長(cháng)，因此可通過(guò)選擇不同單一顏色而實(shí) 現不同波長(cháng)影像的分解。另一方面，現代的計算機 一般根據Mac OS X色彩管理系統，幾乎都可用 Photoshop等圖像處理軟件進(jìn)行顏色處理，可調整 色相、飽和度和明度，能滿(mǎn)足色調分解的要求。若 物體為單一消色同色異譜體，如各種品牌的黑色墨 水字跡，光譜成像混合體也是黑色影像，該影像混 合體反映物體對不同波長(cháng)可見(jiàn)光的反射能力的差 異，影像密度值不同。我們可用Photoshop等圖像 處理軟件進(jìn)行自動(dòng)顏色處理后，再調整色相、飽和 度和明度，實(shí)現色調分解的目的。因此，筆者認為 至少在可見(jiàn)光波段實(shí)現光譜成像混合體的影像分解 是可行的。 第二，在近紅外線(xiàn)波段，因操作時(shí)鏡頭前須加 能透過(guò)近紅外線(xiàn)而阻止可見(jiàn)光的濾光鏡，以往的實(shí) 驗結果表明，普通數碼照相機紅外線(xiàn)影像主要反映 物體對不同波長(cháng)紅外線(xiàn)的反射能力的差異，反映為 影像不同密度值的差異。同樣，我們可用圖像處理 軟件對其進(jìn)行自動(dòng)顏色處理、色相調整處理以及飽 和度處理等，進(jìn)行色調分解。 第三，在可見(jiàn)光至近紅外線(xiàn)波段，若影像記錄 系統如傳統彩色紅外線(xiàn)感光片一樣，兩者具有相同 的感應范圍與感應能力，我們可采用選擇單一顏色 分解的第一種方法處理；若影像記錄的是物體對可 見(jiàn)光和近紅外線(xiàn)的反射能力的差異，可采用第二種 方法進(jìn)行影像分解。故筆者認為，光譜成像混合體 進(jìn)行影像分解是可行的，但要根據不同對象選擇不 同的分解方法。

4 光譜成像混合體分解技術(shù)在物證檢驗中的應用 分析
4．1 區分同色異譜現象 同色異譜現象體現為光譜反射曲線(xiàn)不同、但在 一定條件下顏色坐標相同。其在刑事案件偵查或檢 驗過(guò)程中大量存在，如紅磚頭上的紅色鮮血、黑布 上的黑色文字、黑布上的火藥顆粒、在黑色文字上 用另一種黑色墨水添加或涂改的收條或借條等。但 由于它們是同色異譜物體，光譜反射曲線(xiàn)不同，對 光譜成像混合體進(jìn)行波長(cháng)色彩分解或不同密度值影 像分解，反映物體兩個(gè)不同部分在不同波長(cháng)上反射 能力的差異是完全可行的。
4．2 檢驗不可見(jiàn)或難見(jiàn)物證 不可見(jiàn)是對人眼而言的，人眼的不可見(jiàn)多數表 現為一種物質(zhì)被另一種物質(zhì)所遮蓋，人眼有感應的 可見(jiàn)光不能穿透表層物質(zhì)所致。廣州市駿凱電子科技有限公司現代的成像技術(shù)表 明，紅外線(xiàn)、x射線(xiàn)、 射線(xiàn)等比可見(jiàn)光的穿透能 力強得多，也能用于成像。所以，不可見(jiàn)物證可變 為可見(jiàn)物證影像，經(jīng)對光譜成像混合體進(jìn)行影像分 解后更能得到有效檢驗。難見(jiàn)物證主要體現為兩種顏色相同或相近人眼 難以分辨，或某種成份太少人眼難以覺(jué)察，或某種 成份被可見(jiàn)光穿透而沒(méi)有背景襯托致使人眼難以產(chǎn) 生反應等。如書(shū)包上的模糊難見(jiàn)字跡、黑紙黑鉛筆 字等，這些物證因物質(zhì)成份不同，經(jīng)對光譜成像混 合體進(jìn)行影像分解后也可得到有效檢驗。

5 結束語(yǔ) 本文所述的光譜成像混合體可控性影像分解技 術(shù)及其應用分析，是筆者基于偶然發(fā)現和專(zhuān)業(yè)思考 所作的一點(diǎn)理論探討，不一定很成熟，但筆者熱切  期待其能成為物證無(wú)損檢驗的新手段，以促進(jìn)成像 檢驗技術(shù)的發(fā)展。