基于高光谱成像技术的涂抹掩盖字迹识别方法研究

在刑事案件和民事案件中，许多重要文件中的签名、日期、数字等字迹常常被有意涂抹而掩盖其真实信息，因而无法作为证据使用。因此，开展高光谱成像技术快速无损显现涂抹掩盖字迹十分必要。

目前涂抹掩盖字迹的显现方法主要有化学显现法和光学显现法（红外拍摄法、反射光谱分析法）。反射光谱分析法即光谱成像技术法，其检验过程属于光学无损检验，对检材没有损伤及破坏，相比之下，用它显现涂抹掩盖字迹更为安全、可靠且灵敏度高。

光谱成像原理

光谱成像是通过光谱成像仪来记录待检验的物体在一定的光谱范围内密集均匀分布的多个窄波段单色光的反射光亮度分布或荧光亮度分布情况，由多个不同波段下的单色光影像构成光谱影像集，它记录了被检验物体在多幅等间隔波长位置的窄波段单色光亮度分布影像，因此光谱成像也被称为高光谱成像或超光谱成像。光谱成像的原理如图1所示。

图1 光谱成像原理示意图

字迹物证检验领域，如血痕检验、指印检验、文件检验、纤维检验等方面。光谱成像技术基于高灵敏的特点，可以识别检验微小的差异，对同种物质涂抹掩盖的字迹具有良好的检验能力，可以与传统的显现方法形成互补，同时光谱成像技术作为一种光学无损检验方法，可以有效避免化学方法对涂抹掩盖字迹检材的破坏，为后续检验做准备。

图2光谱成像系统

2、光谱成像技术物证光谱特征匹配算法研究

通过光谱成像技术获取成像范围内每一个像元相应的一条连续的光谱特征曲线，各个像元间光谱曲线的差异则代表了不同空间位置上物质不同的光学性质。物证光谱特征匹配算法是基于物质的光谱曲线差异完成的，首先从原始图像中选取感兴趣的区域（RegionofInterest，ROI），程序根据已选取的区域得到该区域的光谱信息，然后选择能够反映ROI光学性质特征的特殊吸收信息作为参考光谱，判断其它区域的光谱信息与参考光谱是否具有相同的吸收特征，利用在所选范围的拟合程度来表示其它区域的光谱与参考光谱之间的相似性。

通常，b值越大，参考光谱与观测光谱的拟合程度越高，表示参考光谱与观测光谱代表的物质种类越接近。

3、光谱成像技术物证光谱特征匹配算法研究

3.1涂抹掩盖报纸上打印字迹显现效果

用不同品牌的黑色签字笔依次涂抹报纸上不同部位的文字，用光谱成像技术在450～950nm波长范围内进行显现，用光谱分析软件将原书写字迹赋予红色，涂抹掩盖笔迹赋予蓝色，叠加部分赋予绿色，客体背景赋予白色。显现前、显现后及光谱特征曲线下图所示。

图3 1#签字笔掩盖报纸上打印字迹

 

图4 2#签字笔掩盖报纸上打印字迹

根据原打印字迹、涂抹掩盖笔迹与叠加部分三者的光谱特征曲线发现，在450～950nm波长范围内，原打印字迹对光线的吸收反射性质较为稳定，在450～650nm内曲线缓慢下降，字迹对光线吸收稍有增强，在650～950nm内曲线开始上升，字迹对光线的吸收能力减小、反射增加。而涂抹掩盖笔迹对光线的吸收反射性质会因签字笔品牌不同产生变化，即不同品牌的黑色签字笔，其墨水成分差异使得各自的光学特性不尽相同。

作为涂抹掩盖笔迹与原打印字迹的叠加部分，其光谱特征曲线与涂抹掩盖笔迹的光谱特征曲线走向相似，即叠加部分对光的吸收反射情况会受到涂抹掩盖笔迹的影响，只是二者在同一波段下的反射亮度值有所不同。

 

图5 3#签字笔掩盖报纸上打印字迹

用光谱成像技术在450～950nm波长范围内进行检验，能够清晰地显现出肉眼无法辨别的原字迹，反映出被掩盖字迹的真实形态与信息，具有良好的显现效果。对报纸上被涂抹掩盖字迹的显现效果由好到差进行排列，发现显现效果越好的则叠加部分与涂抹掩盖笔迹的光谱曲线差异越大，二者光谱曲线越是接近则显现效果越差。

3.2同一支笔书写并涂抹掩盖显现效果

同一支笔书写字迹后并涂抹掩盖，用光谱成像仪在450～950nm波段内进行检验。墨水中不含碳元素的黑色签字笔要比含碳元素的黑色签字笔显现更清晰。虽然原书写字迹和涂抹掩盖笔迹墨水中的物质成分相同，二者光谱曲线差异不大，但由于反复涂抹，叠加部分的光谱特征会略有不同，使得同一支笔书写、掩盖的字迹能够得到显现。此外，当涂抹掩盖笔迹墨水中含有碳元素时，对光线的强吸收性质会阻碍叠加部分微小的光谱特征变化，使得显现效果较差。

图6 1#不含碳的签字笔书写并涂抹掩盖

图7 9#含碳签字笔书写并涂抹掩盖

4、与传统红外显现效果比较

4.1掩盖打印字迹显现效果

使用红外数码相机，镜头前分别加750nm、850nm、950nm红外滤光镜，对掩盖的字迹进行检验。实验结果表明，对部分涂抹掩盖笔迹可以显示出原字迹。而对大部分涂抹掩盖笔迹，红外光线并未完全穿透涂抹掩盖笔迹，因而没有显现出掩盖字迹。

4.2同种同色黑色签字笔涂抹掩盖显现效果

使用红外数码相机，镜头前分别加750nm、850nm、950nm的红外滤光镜，对2.3中的掩盖字迹进行检验，一部分样本上的涂抹掩盖字迹被红外线穿透，可以显现原书写字迹。大部分样本上的原书写字迹与涂抹掩盖笔迹都没有消失，由于两者对光线的吸收能力相仿，因而无法显现原书写字迹；有少部分样本上的原书写字迹与涂抹掩盖笔迹在红外的整个波段内都被光线穿透至消失。

图8 传统红外显现掩盖打印字迹效果

图9 传统红外显现掩盖黑色签字笔字迹效果

4.3同一支笔书写并涂抹掩盖显现效果

使用红外数码相机，镜头前分别加750nm、850nm、950nm的红外滤光镜对同一支笔原书写字迹与涂抹掩盖笔迹的掩盖字迹进行检验，由于同一支笔原书写字迹与涂抹掩盖笔迹对红外线的吸收和反射性质一样，无法显现掩盖字迹。

5、结论

用高光谱成像技术在450～950nm波长范围内进行显现肉眼无法辨别的涂抹掩盖字迹，大部分被涂抹掩盖的字迹能够得到完整、清晰地显现，反映出被掩盖字迹的真实形态与信息，具有良好的显现效果。部分显现效果不佳，原书写字迹细节特征残缺，但能识别出原字迹；只有少部分较为模糊，无法达到检验要求。而使用传统红外显现方法时，大部分掩盖字迹难以显现。因此，高光谱成像技术作为无损的光学检验方法，在绝大多数情况下可以快速、无损地显现涂抹掩盖字迹，在痕迹物证检验与鉴定领域具有广泛的应用前景和实用价值。

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审核编辑 黄宇