基于超光谱技术检验添改文件的实验研究

赵 巍， 高树辉

(中国人民公安大学刑事科学技术学院， 北京 100076)

0 引言

添改文件是指在原真实文件(或文字)上添加、改写部分内容(或笔画)从而改变原真实文件而形成的内容虚假的可疑文件[1]。传统上对添改文件进行无损检验的方法主要有显微、分色、紫外[2]、红外照相等，这些方法虽然能实现对添改文件的无损检验，但是只能对文件进行形态学分析，当手写字迹物理性质相近、依靠形态学难以区分时就难以发挥作用。常用于检验的仪器方法主要有薄层色谱(TLC)[3]、高效薄层色谱(HPTLC)[4]、实时质谱分析(DART MS)[5]、高效液相色谱(HPLC)[6]、毛细管电泳(CE)[7]等，这些方法虽然具有良好的鉴别能力，但是在实验过程中会对样本造成不同程度的破坏。光谱成像检验不会对样品造成损失，能为检验结果提供量化的证据支持、使结果更具客观性和科学性，在文件检验领域的应用越来越普遍。目前常用的光谱技术主要有：红外光谱(IR)[8]、紫外可见光谱(UV-VIS)[9]、微量分光光度测定法(MSP)[10]、拉曼光谱(RS)[11]等。

本文就同色不同笔书写形成的添改文件检验进行探讨，采用信封和红鑫感热记录热敏纸(光滑面)为书写载体，选用20种不同品牌型号的蓝色中性笔芯为书写工具，利用超光谱技术对实验样本进行分析，探索科学定量的方法在添改文件检验中的应用。

1 实验原理和实验过程

1.1 实验原理

超光谱成像(Hyperspectral imaging)将数字成像技术和光谱技术相结合，获得同时包含样本空间和光谱信息的超立方阵(Hypercube)[12]。图像中每个像素的强度均可以被绘制成波长的函数，在任何给定波长处形成油墨的反射率光谱。由于不同型号油墨的油料配比不同，光谱特性存在差异。利用超光谱技术的上述优势，探测不同油墨光谱的细微差异，以区分不同种类的墨迹。

本实验中采用CIE1931Yxy表色方法对油墨颜色进行测量：色度图上马蹄形光谱轨迹线及其内部分别代表不同波长可见光的色度值，轨迹线上各点表示100%纯色、饱和度最高；马蹄形内部中心色度坐标近似为(0.33，0.33，0.33)为白光点，近似日光、饱和度最低；色度坐标x、y分别代表R、G原色的比例，色度图上每一点代表一个颜色，所有的颜色都被包含在马蹄形轨迹的范围内。我们通常所说的同色字迹泛指目视颜色相同的字迹，而人眼感知的同种颜色在色度图上表现为一个范围而非一点，当颜色在这个范围内变化时人眼不能接收到颜色变化的信息。这种人眼无法区分差别的颜色宽容量[13]在CIE色度图上以两色度点之间的距离得以清晰量化，为同色不同笔字迹的添改检验提供颜色测量新思路。

1.2 实验过程

1.2.1 实验样本的制作

选取不同品牌型号的蓝色中性笔芯20支，依次从1～20编号(见表1)；分别以信封和红鑫感热记录热敏纸(光滑一面)为承载客体，用20支蓝色中性笔芯书写各自编号，形成实验样本(见图1、图2)。

表1 实验所用笔芯及品牌型号一览表

图1 信封上书写样本

图2 热敏纸书写样本

1.2.2 不同波段下样本的成像实验

使用Foster&Freeman VSC8000工作站，观察视野的放大倍率设置为6.18，在可见光下得到样本原貌图像(见图1、图2)，依次选取530 nm、550 nm、570 nm、590 nm、610 nm、630 nm、645 nm、665 nm、715 nm、725 nm、780 nm、830 nm、850 nm、925 nm以及偏振光为成像光波段，收集样本在不同波段的成像情况(见图3、图4)。

图3 信封上20种笔芯6个波段提取结果图

图4 热敏纸上20种笔芯4个波段提取结果图

信封样本(记为x)上，570 nm时，1、3、16、17号字迹明显变淡；715 nm时，1号字迹消失，3、16、17号字迹隐约可见；780 nm时，3、16、17号字迹消失，2号字迹半消失，14号字迹隐约可见；830 nm时，4、6、7、11号字迹消失，除18号字迹外其他字迹仍然有轮廓存余；925 nm时，5、9、20号字迹轮廓隐约尚存并接近消失，18号字迹仍然清晰可见。

热敏纸样本(记为r)上，645 nm时，1号字迹完全消失；830 nm时，3、16、17号字迹接近消失，2号字迹次之；925 nm时，18号字迹仍清晰可见，其他字迹肉眼仍能辨别。

1.2.3 超光谱量化分析实验

对实验样本进行超光谱量化分析，本实验收集吸收光谱图(Abs)(信封样本x1～20号字迹的光谱曲线见图5，红鑫感热记录热敏纸样本r1～20见图6)。吸收光谱图上，横轴坐标为波长(单位：nm)，纵轴代表吸收光强度百分比(%)，光谱曲线上每一点反映了特定波长下墨迹吸收光强百分比；墨迹在吸光能力强的波长处成峰，反之成谷；对同一波长的光吸收反射性质相同的墨迹曲线相交形成交点；光谱曲线总体反映了物体在给定范围波长光的吸收反射特性。图中20条不同颜色的光谱曲线分别是20支笔芯油墨对400～1 000 nm波长范围内光反射吸收性质的量化结果，实验结果表明：20种不同品牌型号的字迹具有20条不同的光谱曲线，超光谱技术可对不同蓝色墨迹进行有效区分。

图5 信封样本x1～20号字迹的光谱曲线

图6 信封样本x1～20号字迹的光谱曲线

收集墨迹样本CIE1931Yxy色度图(信纸样本x1～20色度图见图7，热敏纸样本r1～20色度图见图8)。色度图中，参数Y与Y刺激值一致、用于表征亮度，x、y分别代表红、绿原色的比例，色度坐标(x，y)用于在图上定点表色。不同墨迹组成成分不同，色度坐标存在差异。CIE色度图将颜色量化，人眼难以辨别差异的颜色通过在色度图上占据不同的位置、以不同色度坐标的形式呈现，为同色不同笔形成的添改文件的检验提供了一个新的思路。实验结果表明：20种同色字迹在CIE色度图上分别占据20个不同的位置，为同色不同笔添改文件检验提供证据支持。

图7 信封样本x1～20号CIE色度图

图8 热敏纸样本x1～20号CIE色度图

2 实验分析

2.1 不同波段下的成像情况

由于不同品牌型号笔芯配料存在差异，对相同波长光的反射吸收情况不同，因此同一客体上不同墨迹在不同光波段下的成像情况不同。根据墨迹的这一性质，可以对不同笔书写的添改文件进行检验；但是对于同一光波段下成像情况区别不大，肉眼难以分辨的添改文件，如x3、x16、x17号字迹(见图3)，同时变淡同时消失，这一方法则难以发挥效力。传统检验方法的局限性，亟需我们探索新的方法进行检验。另外，实验结果表明：不同客体上同种墨迹在同一光波段下的成像情况也存在差别，书写载体的变化会对墨迹的光谱特性产生一定的影响，如x1在715 nm时消失，r1在645 nm时即消失，x样本上925 nm时大部分字迹消失不可辨而r样本上大部分字迹仍残存肉眼可分辨的轮廓(见图3、图4)。

2.2 同种承载客体上20种不同墨迹的超光谱曲线与CIE色度图

信纸样本上，20种墨迹的超光谱曲线各不相同(见图5)；色度图(见图9，序号9代表1号字迹依次下排)分为明显的3簇，色度坐标(见图7)各不相同。热敏纸样本上，20种墨迹的超光谱曲线形成明显区分(见图6)；色度图(见图10，序号37代表1号字迹，57代表2号字迹依次下排)分为明显的6簇，色度坐标(见图8)各不相同。不同品牌型号的笔芯油墨配料存在差异，通过光谱图和色度图可以对油墨成分进行区分。超光谱量化分析对20种笔芯在实验中两种承载客体上的墨迹实现了有效区分，为添改文件提供了新的检验方法。

2.3 不同承载客体上相同墨迹的超光谱曲线与CIE色度图

信封与热敏纸上相同墨迹的超光谱曲线不同，色度坐标不同：这里以3号笔芯分别在信纸和热敏纸上形成的实验样本比较为例，光谱比较结果见图9，CIE色度图比较结果见图10。承载客体不同，会对字迹光谱曲线测量产生一定的影响，在利用光谱曲线对添改文件进行检验时要综合考虑多方因素。同时，承载客体表面性质不同，不仅对相同波长光的反射/吸收情况不同，还会影响墨迹颜料在客体表面的分布状态并在墨迹色泽上形成区分，因此，同支笔书写的字迹在不同的书写载体上，会表现出“不同的颜色”。

图9 信封与热敏纸上3号字迹样本光谱曲线对比图

图10 信封与热敏纸上3号字迹样本CIE色度图对比图

3 结论

3.1 实验中标准白测量对获得光谱曲线的影响

对实验样本进行检测时，每次测量之前都要在相同放大倍率下校正、进行标准白测量，以确保仪器准确识别并降低背景干扰，从而得到更为准确的结果。

3.2 实验中选点位置对光谱曲线的影响

不同笔画处墨迹均匀度不同，选取至少3个点进行测量，以平均化结果获取光谱曲线，降低实验误差；对样本进行采点时，尽可能让十字检测点覆盖处不留白，提高测量的精度。

3.3 思考

同一书写载体上不同品牌型号笔芯书写字迹的光谱曲线(见图5、图6)、CIE色度坐标不同(见图7)，不同书写载体上同一型号笔芯书写的字迹光谱曲线(见图9)、CIE色度坐标(见图10)存在差异。超光谱成像技术能够检测出不同种类墨迹成分的细微差别，对样本的需求量少，可实现对于添改文件的高效无损检验。它将结果量化，最大限度地降低了检验过程中鉴定人员主观经验的影响，使得检验过程更加科学、客观。同时，CIE色度图能充分捕获人眼难以分辨的色彩差别，将传统意义上的同色字迹加以分别，为添改文件的检验提供了更加充足的证据支持。但是，对于同支笔不同时间书写的字迹是否能在光谱曲线和CIE色度图上有所区分，尚需进一步的实验加以验证。