基于荧光光谱方法计算手印显现对比度的研究

沈敦璞，李 明, 2，袁传军, 2，于海峰，王 猛, 2*

1. 中国刑事警察学院痕迹检验技术系，辽宁 沈阳 110035 2. 痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室，辽宁 沈阳 110035

引 言

手印显现的原理是通过减弱客体背景对手印乳突纹线的干扰，增强两者之间的对比反差，使潜在手印肉眼可分辨或仪器可检测[1-2]。长期以来，研究人员致力于研究手印显现的新方法，但对手印显现效果定量评估的研究还很少涉及[3-6]。研究人员通常采用客体背景干扰是否严重、乳突纹线是否清晰连贯、细节特征是否反映明显等语言对手印显现效果进行主观、片面、定性评价[7-10]，而没有对手印的显现效果进行客观、全面、定量评估。2008年，Humphreys[11]等基于显现手印和捺印手印提出了相对对比指数(relative contrast index，RCI)的概念。2011年，Vanderwee[12]等也针对捺印手印进行了类似的研究。2013年，Matuszewski[13]等使用Adobe Photoshop软件分别对乳突纹线和客体背景图像进行灰度分析，进一步对手印显现的效果进行评价。然而，以上研究主要是基于捺印手印的捺印效果进行评价，不具备普遍意义。2017年，本研究小组Wang[2]等提出了衡量手印显现效果的三个指标，即对比度(Contrast)、灵敏度(Sensitivity)、选择性(Selectivity)，但并未对以上衡量指标进行具体量化。

为建立一种适用于荧光类物质显现手印对比度的客观评价方法，本研究提出了手印显现对比度的概念，即手印显现信号与客体背景噪声的亮度以及颜色之间的总体对比差异程度。首先，建立手印显现对比度的量化计算方法； 然后，对该量化方法的准确性进行验证； 最后，通过数据定量分析荧光粉末显现手印对比度的影响因素，总结提高手印显现对比度的途径。

1 实验部分

1.1 手印显现与固定

潜在手印的显现步骤按照文献中的粉末显现方法进行； 稀土上转换及下转换荧光粉末的合成步骤按照文献中的合成方法进行[8-9]。将稀土下转换荧光粉末显现的手印置于254 nm紫外灯下观察，将稀土上转换荧光粉末显现的手印置于980 nm红外激光器下观察。使用Nikon D810型单反数码相机对显现的手印进行拍照固定。暗场手印拍摄参数为： 光圈值f/10、曝光时间2 s、感光度100。

1.2 荧光检测

采用Cary Eclipse型荧光分光光度计(美国Agilent公司)分别检测客体、荧光粉末、经荧光粉末显现手印的荧光发射光谱。激发狭缝为5 nm、发射狭缝为5 nm，PMT电压为550 V。

1.3 手印显现对比度的量化

1.3.1 强度因子的量化

将经荧光粉末显现手印的荧光发射光谱数据导入到软件Origin 9中，分析并计算出客体对应的发射峰(背景噪声)面积SA与吸附有荧光粉末的乳突纹线对应的发射峰(显现信号)面积SB。强度因子(Intensity Index，I)定义为显现信号与背景噪声之间的比值，强度因子I的计算公式如式(1)

(1)

1.3.2 色度因子的量化

将客体、荧光粉末、经荧光粉末显现手印的荧光发射光谱数据分别导入到软件CIE1931xy中，计算出各自的色坐标并标注于色度图中，记为A(XA,YA)，B(XB,YB)，O(XO,YO)。色度因子(Chroma Index，C)定义为色度图中|OA|与|OB|的比值，色度因子C的计算公式如式(2)

(2)

1.3.3 显现对比度的量化

在借鉴了相对对比指数RCI计算方法的基础上[11-13]，本研究建立了一种适用于荧光类物质显现手印对比度的计算方法。手印显现对比度(Contrast)定义为色度因子C与强度因子I的常用对数值的乘积，对比度的计算公式如式(3)

Contrast=C·lgI

(3)

2 结果与讨论

2.1 手印显现对比度量化方法的建立

本研究提出了手印显现对比度的概念，即手印显现信号与客体背景噪声之间的对比差异程度[2]。这种对比差异主要由手印显现信号与客体背景噪声之间的亮度差异(即强度因子)和颜色差异(即色度因子)所共同决定。本研究借鉴了图像与视频质量客观评价中信噪比(signal-to-noise ratio)的概念，提出了利用强度因子和色度因子综合评价手印显现对比度的量化方法。

以玻璃表面的潜在手印为研究对象[图1(a)]，使用稀土下转换荧光粉末显现后，手印的乳突纹线部位因吸附有荧光粉末，在254 nm紫外光的激发下产生了明亮的红色荧光，且承痕客体表面也产生了微弱的蓝色荧光[图1(b)]。

图1 红色荧光粉末显现玻璃表面潜在手印的照片

(a)： in the bright field； (b)： under 254 nm ultraviolet excitation in the dark field

2.1.1 强度因子的量化方法

强度因子反映手印显现信号与客体背景噪声之间的亮度差异。在254 nm紫外光的激发下，玻璃客体在400～550 nm范围内产生微弱的蓝色荧光[图2(a曲线1)]，对应于背景噪声； 荧光粉末在575～675 nm范围内产生较强的红色荧光[图2(a曲线2)]，对应于显现信号； 使用荧光粉末显现后的手印同时产生显现信号与背景噪声[图2(b)]。经计算，背景噪声的峰面积SA为2 606.878，显现信号的峰面积SB为2 325.373。根据式(1)计算，其强度因子I为1.121。

图2 玻璃客体、红色荧光粉末(a)和经红色荧光粉末显现手印(b)的荧光发射光谱图

Fig.2Emissionspectraofglasssubstrate,redfluorescentpowders(a),andlatentfingerprintdevelopedbyredfluorescentpowders(b)

2.1.2 色度因子的量化方法

色度因子反映手印显现信号与客体背景噪声之间的颜色差异。如图3所示，在254 nm紫外光的激发下，玻璃客体产生的蓝色荧光对应于A，荧光粉末产生的红色荧光对应于B，使用荧光粉末显现手印所产生的混合荧光对应于O。经计算，|OA|为0.067，|OB|为0.368。根据式(2)计算，其色度因子C为0.181。

图3 红色荧光粉末显现玻璃表面潜在手印的色度图

Fig.3Chromaticitydiagramoffingerprintdevelopmentonglassusingredfluorescentpowders

2.1.3 手印显现对比度的量化方法

手印显现对比度综合反映手印显现信号与客体背景噪声之间的亮度差异和颜色差异。将强度因子I和色度因子C代入式(3)计算得出，手印显现的对比度为0.009。

2.2 提高手印显现对比度的途径

由对比度计算公式可知，提高手印显现的对比度可通过提高强度因子、提高色度因子两种途径来实现。对于利用荧光粉末显现潜在手印的情况，可以通过增强显现粉末的荧光强度、降低客体背景干扰来提高强度因子，通过调整显现粉末的荧光颜色来提高色度因子。

2.2.1 增强粉末的荧光强度

研究选用玻璃为承痕客体，分别使用荧光强度较弱的粉末[图4(a)]、荧光强度较强的粉末[图4(b)]对其表面的潜在手印进行显现。

从视觉角度主观分析，在254 nm紫外光的激发下，玻璃表面都产生了微弱的蓝色荧光，但使用荧光强度较高的粉末显现手印，其乳突纹线部位产生的红色荧光更强，与承痕客体之间形成了更大的亮度反差。从定量角度客观分析，在254 nm紫外光的激发下，使用不同荧光强度的红色荧光粉末显现潜在手印的发射光谱如图4(a′—b′)所示。显现的手印在400～550 nm范围内均产生了强度接近的客体背景噪声； 使用荧光强度较高的红色荧光粉末在550～675 nm范围内能够产生更强的手印显现信号，故手印显现信号与客体背景噪声之间的亮度反差更大。

图4 经弱荧光强度(a—a′)、强荧光强度(b—b′)的红色荧光粉末显现玻璃表面潜在手印在254 nm紫外光激发下的暗场照片(a—b)及对应的荧光发射光谱图(a′—b′)

表1 不同荧光强度的红色荧光粉末显现手印对比度量化结果的汇总表

表1汇总了具体的计算结果，手印显现对比度计算结果客观分析与视觉效果主观分析的结论相一致。综上所述，增强粉末的荧光强度能够在一定程度上提高手印显现的对比度。

2.2.2 调整粉末的荧光颜色

研究选用红色纸张为承痕客体，分别使用红色荧光粉末[图5(a)]、绿色荧光粉末[图5(b)]对其表面的潜在手印进行显现。

从视觉角度主观分析，在254 nm紫外光的激发下，红纸表面均产生了明亮的红色荧光，但使用绿色荧光粉末显现的手印，其乳突纹线部位产生了明亮的绿色荧光，与承痕客体之间形成了更大的颜色反差。从定量角度客观分析，在254 nm紫外光激发下，使用红色、绿色荧光粉末显现潜在手印的发射光谱如图5(a’—b’)所示。使用红色荧光粉末显现时，手印显现信号与客体背景噪声在550～675 nm范围内出现了严重重叠[图5(a’)]。通过分峰拟合，将曲线1中的重叠信号分离为客体背景噪声(曲线2)和手印显现信号(曲线3)，因两者之间的波长与强度均较为接近，彼此干扰较大。使用绿色荧光粉末显现时，手印显现信号出现在540 nm处[图5(b’)]，其强度较高且波长远离客体背景噪声的范围，彼此干扰较小。

表2汇总了具体的计算结果，手印显现对比度计算结果客观分析与视觉效果主观分析的结论相一致。综上所述，调节粉末的荧光颜色能够在一定程度上提高手印显现的对比度。

图5 经红色(a—a′)、绿色(b—b′)荧光粉末显现红色纸张表面潜在手印在254 nm紫外光激发下的暗场照片(a—b)及对应的荧光发射光谱图(a′—b′)

表2 不同荧光颜色的荧光粉末显现手印对比度量化结果的汇总表

2.2.3 降低背景荧光

以上研究中所使用的手印显现粉末均为稀土下转换荧光粉末，即在短波紫外光的激发下能够产生可见光。由于紫外光的能量较高，显现手印时通常会激发承痕客体产生背景荧光，进而降低了显现的对比度。与稀土下转换荧光粉末的发光机理相反，稀土上转换荧光粉末能够在长波红外光的激发下产生可见光。使用稀土上转换荧光粉末显现手印，能够有效避免客体背景荧光的干扰。研究选用红色纸张为承痕客体，使用具有绿色荧光性能的稀土上转换荧光粉末对其表面的潜在手印进行显现[图6(a)]。

从视觉角度主观分析，经稀土上转换荧光粉末显现的手印在980 nm红外光的激发下[图6(b)]，乳突纹线部位产生了明亮的绿色荧光，而客体背景几乎不产生荧光。与使用同色稀土下转换荧光粉末显现手印的效果[图5(b)]相比，手印显现信号与客体背景噪声之间的亮度和颜色都形成了更大的反差。从定量角度客观分析，在980 nm红外光的激发下，红色纸张在400～550 nm范围内产生了极其微弱的紫色荧光[图6(c)曲线1]，对应于背景噪声； 稀土上转换荧光显现粉末在550～575 nm范围内产生了较强的绿色荧光[图6(c)曲线2]，对应于显现信号； 使用稀土上转换荧光粉末显现后的手印，手印显现信号的主峰出现在540 nm处且强度较高，而客体背景荧光可忽略[图6(d)]。与图5(b’)相比，使用稀土上转换荧光粉末进行手印显现，能够在大幅增加手印显现信号荧光强度的同时，显著降低客体背景噪声的干扰程度，故二者之间的亮度反差明显增强。

表3汇总了具体的计算结果，手印显现对比度计算结果客观分析与视觉效果主观分析的结论相一致。综上所述，降低客体背景的荧光能够显著提高手印显现的对比度。

图6 经绿色上转换荧光粉末显现红色纸张表面潜在手印的明场照片(a)及其在980 nm红外光激发下的暗场照片(b)； 红色纸张、绿色上转换荧光粉末(c)和经绿色上转换荧光粉末显现手印(d)的荧光发射光谱图

Fig.6Latentfingerprintsleftonredpaperandthendevelopedbygreenup-conversionfluorescentpowders: (a)imageinthebrightfield,and(b)imageunder980nminfraredexcitationinthedarkfield；Emissionspectraofredpaper,greenup-conversionfluorescentpowders(c),andlatentfingerprintdevelopedbygreenup-conversionfluorescentpowders(d)

表3 不同发光机理的绿色荧光粉末显现手印对比度量化结果的汇总表

3 结 论

提出了荧光类物质显现手印的对比度这一概念，研究了手印显现对比度的量化方法，即色度因子C与强度因子I的常用对数值的乘积，并阐述了基于光谱仪器和色度软件表征手印显现对比度的具体操作。从视觉效果的主观角度与计算结果的客观角度，详细分析了手印显现对比度的影响因素，并从强度因子和色度因子两个层面上提出了提高手印显现对比度的三个有效途径，即增强显现试剂的荧光强度、调整显现试剂的荧光颜色、降低承痕客体的背景荧光。实验结果表明，使用稀土下转换荧光粉末配合254 nm紫外光源进行手印显现，能够增强手印显现的信号，但是无法完全避免客体背景荧光的干扰，较适用于弱背景荧光客体表面手印的高对比度显现； 使用稀土上转换荧光粉末配合980 nm红外光源进行手印显现，能够在增强手印显现信号的同时，有效避免客体背景荧光的干扰，更适用于强背景荧光客体表面手印的高对比度显现。