视频荧光光谱图像技术鉴别复印纸

陈维娜， 杨春松， 杨 旭

(1. 中国人民公安大学， 北京 100038； 2. 北京华夏物证鉴定中心， 北京 100089；3. 司法部司法鉴定科学技术研究所， 上海 200042)

1 引 言

复印纸是适用于复印机、打印机和传真机使用的纸张[1]，纸品洁白、平整，纤维细密，挺度较高，因其具有一定的抗静电性，也称为“静电复印纸”。复印纸的性能稳定，是日常办公中一种不可或缺的纸质品。一些不法之徒常利用复印纸来印制反动宣传品、敲诈勒索信等，使复印纸成为其从事违法犯罪活动的一种工具；此外，在经济类案件中，当事方有时通过复制、换页等方式来伪造或变造合同、协议、票证等文件材料，引发民商事纠纷，破坏金融秩序。因此，法庭科学领域的文件检验从业人员经常要对复印纸的种类、品牌、批次等进行检验和鉴别，确定文件材料的真伪及来源，进而为侦查工作提供方向和线索，为法庭诉讼提供有力的证据。

国内外的文件检验从业人员通常使用显微镜检法、红外光谱法、紫外-可见反射光谱法、扫描电镜与电子能谱仪检验法等[2-7]对复印纸的纤维种类、填料成分等进行定性分析。但这些方法或操作复杂、或仪器设备昂贵、或损坏纸张样品，都具有一定的局限性，在实际办案中难以普及。复印纸中含有荧光增白剂等荧光物质，在一定波长光源的激发下多数都能发射荧光；但由于不同厂家生产复印纸的工艺、配方以及原料来源都有可能不同，故不同复印纸样本的荧光现象就可能存在差异，这就为我们利用视频荧光光谱法检验、鉴别复印纸提供了依据。

视频荧光光谱检验法是借助视频光谱仪(又称文检仪)，选择激发光谱获得某一文件材料的最佳荧光效果，通过荧光现象和强度来鉴别可疑文件的性质、状态及真伪的一种准确、可靠的方法[8]。由于该方法具有无损、快速且检验结果直观的优势，在文件检验领域得到了广泛的应用，视频光谱仪也成为法庭科学实验室中必备的仪器设备，普及程度极广。本文尝试通过视频荧光光谱检验法结合图像处理技术寻求一种更有效、更便捷的检验方法，实现不同品牌、型号复印纸的快速、无损鉴别。

2 实 验

2.1 仪器

英国法司特公司(Foster & Freeman)的VSC6000视频光谱仪，配置光源有泛光源、透射光源、强光源、侧光源(白炽灯400～1 000 nm)，同轴光源、衍射光源(LED 400～700 nm)，紫外光源(低压蒸气放电管 UV-A/B/C)，反斯托克斯激发光源(闪光管 850～1 100 nm)等；监视器为高分辨率内置冷红外彩色数码摄像系统，光谱范围400～1 000 nm；PC系统和VSC6000软件。

2.2 样品

从国内市场上采购定量为70 g/m2、纸幅规格为A4(297 mm×210 mm)的复印纸共20种作为实验样品，编号Y1～Y20；涉及15个品牌，12个生产厂家，详细信息见表1。

表1 不同品牌的复印纸

表1(续)

2.3 方法及工作条件

将待检样品置于视频光谱仪的载物台上，光学放大16倍，以便清晰地观察到纸张表面状态和纤维分布情况；在同一样品上随机选择3个不同部位，分别在长波紫外光源(激发光源功率9 W、数量4个，截止滤色片长通可见、曝光时间15 ms、光圈60%)和强光源(激发光源尺寸50 mm、功率25 W、电压24 V，滤色片400～570 nm、截止滤色片长通715 nm、曝光时间354 ms、光圈80%)条件下获取样品的视频荧光光谱图像，对荧光现象、荧光强度进行观察和记录；应用数字图像处理技术对获取的视频荧光光谱图像进行检验和分析。

3 结果与讨论

3.1 紫外视频荧光光谱分析

在长波紫外光源的工作条件下，获取不同纸张样品的视频荧光光谱图像(Video fluorescence spectroscopy，VFS)。经观察发现：样品Y1～Y20在UV-365 nm激发光源下均可发出蓝色荧光，同一样品的视频荧光光谱反映一致，不同样品间的荧光强弱没有明显差异，但荧光现象的表现不同，大体可分为4类。第Ⅰ类样品的荧光光谱均匀、杂质少，如Y1(图1)；第Ⅱ类样品的荧光光谱中有长短不一的纤维状暗色区域，如Y16(图2)；第Ⅲ类样品的荧光光谱中不仅有纤维状暗色区域，还有大小不一的点块状暗色区域，如Y9(图3)；第Ⅳ类样品的荧光光谱中除有部分暗色区域外，还有少量的纤维状亮色区域，如Y17(图4)。

图1 样品Y1的UV视频荧光光谱

图2 样品Y16的UV视频荧光光谱

图3 样品Y9的UV视频荧光光谱

图4 样品Y17的UV视频荧光光谱

纸张样品在紫外光源激发下发出蓝色荧光的现象反映出这20种纸张样品中均含有荧光增白剂。荧光增白剂是一种色彩调理剂，其作用原理是吸收光线中不可见的紫外线而反射出强的蓝色光线，以弥补和增强白色物体因蓝光缺损而造成的视觉上的泛黄，是造纸过程中一种常用的添加剂。部分纸张样品紫外光视频荧光光谱中出现的点块状暗色区域是造纸过程中添加的填料、胶料所致；纤维状亮色区域或暗色区域是不同纸浆纤维的光致发光现象不同所引起的差异。尽管不同品牌、型号的复印纸中均含有荧光增白剂，但由于不同复印纸样品中所用的造纸原料不同，因此纸张的视频荧光光谱特性存在差异，根据上述荧光光谱的特征差异可对不同纸张进行初步鉴别，结果见表2。

表2 复印纸样本的长波紫外光分析结果

3.2 强光源视频荧光光谱分析

由于在紫外光源激发下，纸张样品中一些纤维物质和填料、胶料等化学物质不发光，导致部分纸张样品中存在暗色区域，故尝试采用强光源激发纸张荧光，以便进一步对纸张的光致发光现象进行探究。

在强光源的工作条件下，获取不同纸张样品的VFS图像，发现大多数纸张样品均可呈现出不同程度的亮色荧光，发光部位多呈点块状和纤维状。同一纸张样品的不同部位荧光光谱未见明显差异。不同样品的VFS图像则呈现出不同的表现，大致可分为6类：第Ⅰ类样品的荧光光谱整体色调很暗，存在极少量且微弱的荧光点和条，如Y4(图5)；第Ⅱ类样品的荧光光谱整体色调也很暗，但存在较多微弱的荧光点和条，如Y9(图6)；第Ⅲ类样品的荧光光谱整体色调灰暗，存在少量的荧光点和条，如Y2(图7)；第Ⅳ类样品的荧光光谱整体色调灰暗，存在较多的荧光点和条，如Y14(图8)；第Ⅴ类样品的荧光光谱整体色调灰白，存在大量明亮的荧光点和条，如Y5(图9)；第Ⅵ类样品的荧光光谱整体色调很亮，存在大量明亮且连成片的荧光点和条，如Y13(图10)。根据VFS图像中是否存在荧光区域以及荧光的强弱、分散程度、形态和面积等视频荧光光谱特征可进一步对复印纸样品进行鉴别，结果见表3。

图5 样品Y4的强光源视频荧光光谱

图6 样品Y9的强光源视频荧光光谱

图7 样品Y2的强光源视频荧光光谱

图8 样品Y14的强光源视频荧光光谱

图9 样品Y5的强光源视频荧光光谱

图10 样品Y13的强光源视频荧光光谱

表3 复印纸样品的强光源分析结果

经与长波紫外光视频荧光光谱(UV-365 nm VFS)比对分析发现，强荧光可激发出紫外光条件下不发光的纸张物质荧光。如图11所示，样品Y6的黄色方框标示区域在紫外光条件下不发光，但在强光源条件下可以发出微弱的荧光；如图12所示，样品Y8在紫外光条件下那些纤维状的暗色区域，在强光源条件下可以发出明亮的荧光，图12中用黄色方框对部分区域进行了标识。

图11 样品Y6的UV视频荧光光谱与强光源视频荧光光谱对比图

图12 样品Y8的UV视频荧光光谱与强光源视频荧光光谱对比图

从紫外光与强光源工作条件下VFS的比对中可以发现，紫外光主要用于激发纸张中荧光增白剂的荧光，而强光源则主要激发纸张中纤维物质和填料、胶料等化学品的荧光。由于不同品牌、型号的纸张所用的纸浆存在差异，造纸过程中加入的填料等湿部化学品和表面施胶的物质种类、用量均有所不同，故强光源激发出的纸张样品的发光现象也不相同。

紫外光和强光源工作条件下均可对复印纸样品做出快速的鉴别，主要的依据是视频光谱中的荧光现象及通过实验总结出的光谱形态学特征。两种激发光源得到的VFS存在一定的对应关系，相比而言强光源工作条件下的鉴别效果更佳。但不可否认的是这两种基于形态学的鉴别方式受主观影响较大，同一荧光现象不同人可能存在不同的解读，因此有必要结合数字图像处理技术对视频荧光光谱进行分析，使得鉴别结果在可视化的基础上更为客观。

3.3 荧光光谱图像的量化分析

强光源工作条件下不同纸张样品的荧光现象区分度较紫外光工作条件下更大，且VFS中的荧光强度、形态均存在差异，因此尝试使用Matlab2017a科学图形计算工作站对强光源工作条件下的荧光光谱图像在可视化基础上进行量化分析。

3.3.1 等高线分布

根据强光源工作条件下获取的纸张样品的视频荧光光谱图像，按当前色阶的明暗值绘制等高线分布图；原图像中的色阶越暗，等高线图像中的线条颜色越深，反之则越浅；以此将视频荧光光谱图像赋予伪彩色，使其可视化效果更为清晰。

通过观察发现同一样品复印纸的等高线分布图相符合，不同样品复印纸的等高线分布图存在一定差异，主要表现在颜色、层次、分布位置和面积等方面。图13是样品Y17的等高线分布图，以紫色和蓝色为主，色调层次单一，分布位置相对集中在中心和边缘区域；图14是样品Y15的等高线分布图，图中由外向内可见紫色、蓝色和绿色3层相对集中的环形区域，色调依旧以冷色为主，层次相对单一；图15是样品20的等高线分布图，其中紫色、蓝色、绿色和黄色呈密集分布状，层次丰富；图16是样品10的等高线分布图，图中以暖色调黄色为主色，边缘零星有紫色、蓝色和绿色的分布。由此可见，根据这些等高线分布特征差异可定性地对不同纸张进行分析和鉴别，结果见表4。

图13 样品Y17的等高线分布图

图14 样品Y15的等高线分布图

图15 样品Y20的等高线分布图

图16 样品Y10的等高线分布图

表4 复印纸样品的等高线分析结果

3.3.2 荧光强度分析

将强光源工作条件下获取的视频荧光图像转换为Lab模式，分别计算出各样品3个被检测部位的L、a、b值，对应0～255范围，得到纸张样品视频荧光的亮度信息。分析中发现被检测部位的L值不同,a值、b值均为128，故通过L值对纸张样品的荧光强度进行量化分析，结果见表5、图17。

对表5中的计算结果进行分析发现，不同纸张样品的荧光图像L值最低为63.28，最高为253.08，均值为138.55，标准偏差为62.08，存在明显差异。

由图17可知，根据样本Y1～Y20 VFS图像的L值分布情况，可将20种复印纸样品分为4类。第Ⅰ类：样品Y1、Y4、Y6、Y9、Y11、Y12和Y17，VFS图像中L值均低于100，荧光弱。第Ⅱ类：样品Y2、Y3、Y8、Y14、Y15、Y16和Y20，VFS图像中L值在100～150之间，荧光强度较弱。第Ⅲ类：样品Y5和Y19，VFS图像中L值在150～200之间，荧光强度较强。第Ⅵ类：样品Y7、Y10、Y13和Y18，VFS图像中L值均高于200，荧光强。

表5 样品Y1～Y20 VFS图像的L值

图17 样品Y1～Y20 VFS图像的L值分布

3.4 鉴别结果

3.4.1 鉴别指标

通过视频荧光光谱和图像处理技术能够对复印纸进行检验，依据是不同纸张的纸浆纤维成分、添加的湿部化学品成分和胶料、色料等存在一定差异，通过视频荧光现象的形态学分析、定性和量化检测，分别采用UV-365 nm视频荧光现象(UV-365 nm VFS)、强光源视频荧光现象(400～570 nm VFS)、荧光图像等高线分布(VFS-C)和荧光强度量化统计(VFS-L)4项鉴别指标，可将不同品牌、型号的复印纸张大致分为4类或6类，见表6。

3.4.2 鉴别结果

综合利用UV-365 nm视频荧光现象(UV-365 nm VFS)、强光源视频荧光现象(400～570 nm VFS)、荧光图像等高线分布(VFS-C)和荧光强度量化统计(VFS-L)4项鉴别指标，对复印纸进行系统分析和指标叠加鉴别，可将20种不同品牌、不同型号的复印纸细化为12类；每一类中最多有4个样本，最少仅1个样本；其中复印纸样本Y4、Y6、Y9、Y10、Y11、Y17、Y18在一定程度上实现了唯一性鉴别，结果见表7。

表6 不同鉴别指标下复印纸样品分类

表7 复印纸样品鉴别结果

4 结 论

不同品牌、不同型号的复印纸中均含有荧光增白剂，但因在造纸过程中使用的原料不同，加入的填料、胶料、色料等化学成分存在差异，虽在紫外光源激发下均可发出蓝色荧光，但荧光现象存在一定差异。根据紫外光视频荧光现象的形态学特征差异可对不同纸张进行初步鉴别。不同品牌、不同型号的复印纸组成成分不同，故在强光源激发下不同纸张样品的视频荧光特性存在形态学上的差异。据此，可将样品Y1～Y20加以鉴别。通过绘制视频荧光图像的等高线分布图，根据颜色、层次、分布位置和面积等特征差异，能够实现对复印纸样品的可视化鉴别。通过计算不同纸张样品视频荧光图像的L值，发现不同品牌、不同型号纸张的荧光强度存在明显差异，利用L值所在区间的不同，可以对纸张样品的荧光强度进行量化分析和鉴别。综合运用UV-365 nm视频荧光现象、强光源视频荧光现象、荧光图像等高线分布和荧光强度量化统计4项鉴别指标可将不同品牌、型号的20种复印纸样品分为12类，其中样本Y4、Y6、Y9、Y10、Y11、Y17、Y18自成一类，实现了复印纸样本的唯一性鉴别。

由此可见，使用视频荧光光谱可以快速、清晰地观察到不同品牌、型号纸张样品在紫外光、强光源工作条件下的视频荧光现象；结合图像处理技术可对荧光强度和形态进行可视化分析和量化检验。视频荧光光谱图像处理技术能够实现对复印纸的系统分析和有效鉴别，这种分析方法能够有效地应用于法庭科学中对于复印纸的检验，为案件侦破提供重要的线索和诉讼证据。

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