光谱成像技术在朱墨时序鉴定中的运用研究

魏 东 甘德安 罗 飞

（1.深圳市公安局技术处，广东 深圳518000；2.深圳市中达瑞和科技有限公司，广东 深圳518057）

朱墨时序工作一直是文检界的难题之一，多年来，国内外对此难题进行了不断地探索研究，主要方法有以下几种：体式显微镜检验法、荧光显微镜检验法、生物显微镜检验法、文件检验仪检验法［1，4］。显微成像及荧光分析方法直观但难以量化。近些年来，光敏印章与签字笔被广泛使用。由于光敏印章印文色料与签字笔印迹色料渗透性均较强，二者交叉之后色料混合交错在显微镜下观察表观特征少，鉴定难度大。光谱成像是通过成像光谱仪记录被检物质在一定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，形成由许多单色光影像构成的光谱影像［5］。光谱成像检验技术将光谱技术和成像技术结合在一起，即通过分析物质的光谱信息对该物质进行检验鉴定。本文研究应用透反射光谱成像技术，对朱墨形成的先后顺序进行定量计算，并根据光谱曲线相似程度给出评判标准，从实验结果看，朱墨时序透反光谱成像方法可以作为朱墨时序鉴定的一个重要补充，并在后续研究中完善推广。

1 实验原理

之所以能够判断朱墨时序，是由于印油印文与书写墨水之间表现出具有规律性的层次结构。如先写字后盖印，则墨水先渗透并填充纸张的纤维及毛细孔，所以墨水的光谱占主导地位。如先盖印后写字，则印油先渗透并填充纸张的纤维及毛细孔，所以印油的光谱站主导地位［6］。不同的朱墨时序，交叉部分的反射光谱曲线不同，但在实际鉴定过程中，朱墨时序已经确定，仅从交叉部分反射光谱曲线难以获得具体时序的结论。利用透反光谱成像系统，获得交叉区域透射光谱曲线和反射光谱曲线，结合计算方法解算从混合光谱中得到与背景纸张无关的两种材质分离的特征光谱；以分离的光谱数据作为输入条件，利用计算仿真获得交叉区域不同先后次序的光谱特征，对仿真的不同先后次序的交叉区域光谱特征与实测的交叉区域光谱特征进行相关性检测，以定量的相关系数值来确认印迹的先后次序。在整个分析过程中，以实测光谱数据及计算数值作为检测鉴定结果，排除鉴定人员主观判定，可获得确定性的鉴定结论。

2 实验器材

鉴定设备：中达瑞和科技有限公司生产的D1000凝视型透反高光谱成像仪如图1所示。

原子印章，亦称万次印章，属于现代高科技产品它印迹清晰，印油均匀鲜艳；防伪性强，不易为一般工具制做，使用方便，盖印迅速快捷，我国许多省市政府都行文规定各机关团体工厂企业必须统一使用原子印章。

钢笔，使用英雄墨水。

纸张，得力7404打印复印纸，白色A4，单张70g。

图1 D1000凝视型高光谱成像仪

3 透反光谱成像系统

采集实验样本数据时，选择含有印迹、笔迹、交叉部分的区域进行透反射光谱采集。如图2所示，宽谱光源准直均匀化后，经过50%反射50%透射镜后，分为两路，关闭光阑1，打开光阑2，经过50%反射50%透射镜后，以和成像光路同轴的方式对样品照明，反射光进入光谱成像仪，获得样品反射光谱图像；关闭光阑2，打开光阑1，则提供透射照明，透射光进入光谱成像仪，获得样品透射光谱图像。反射和透射照明光的强度通过光阑来调节。

图2 透反光谱成像系统光路图

采集完成数据后，通过D1000凝视型透反高光谱成像仪的配套SHIS分析软件进行数学计算。实际案件中通常无法获取分离的交叉区域光谱特征，通过采集交叉区域及背景纸张的透射光谱和反射光谱，联立解算可得到交叉区域反射和透射光谱，以分离的交叉区域反射光谱数据和透射光谱数据，则可进行计算机仿真计算交叉区域时序的光谱特征和光谱差异，比较仿真计算交叉区域时序与实测交叉区域时序的光谱特征，可以进行准确判别。

4 实验步骤

4.1 制作实验材料

4.1.1 先盖印印章，后书写笔迹

4.1.2 先书写笔迹，后盖印印章

4.2 实验过程

4.2.1 透反光谱成像系统

透反光谱成像系统中，采用400～1000nm的宽谱光源，光谱光源准直均匀化后，经过50%反射50%透射镜1后，分为两路，关闭光阑1，打开光阑2，经过50%反射50%透射镜2后，以照明和成像同轴的方式对样品照明，获得样品反射光谱图像；关闭光阑2，打开光阑1，则提供照明，获得样品透射光谱图像。反射和透射照明光的强度通过光阑来调节，采用基于液晶可调谐滤波器的凝视式光谱成像系统采集光谱图像，凝视式光谱成像的光谱分辨率为10nm×550nm，探测器像素数为2048×2048。

（1）印迹及背景纸张透射光谱图像数据采集

图3为纸张、印迹、印章及交叉区域示意图。

图3 纸张、印迹、印章及交叉区域图

（2）光源光谱数据采集

移除样品台上样品，使均匀的透射照明光直接进入光谱成像仪，光谱成像仪在450～950nm范围内，以10nm步长进行光谱扫描，采集透射光源1光谱图像，获得光源各波长对应的强度值。

（3）背景纸张透射光谱数据采集

在样品台上放入样品，选取采样区域如图4所示。

图4 采样区域

4.2.2 计算仿真过程

（1）交叉区域及背景纸张透射光谱图像数据采集

光源光谱数据采集，利用光谱成像仪采集透射光源1光谱图像，获得光源各波长对应的强度值，记为(λ)；

背景纸张透射光谱数据采集，背景纸张是印迹载体，交叉区域时序鉴别过程中所获得的交叉区域透射光谱实是交叉区域与纸张的混合光谱，因此纸张的光谱特征对交叉区域时序鉴别的最基础的数据。在采集的透射光谱图像中选取不含印迹像素点或像素区域，各光谱波段的强度记为(λ)，则背景纸张透射光谱为：

第一种印迹及背景透射光谱数据采集。在采集的透射光谱图像中选取印迹的像素点或像素区域，各光谱波段的强度记为(λ)，则印迹的透射光谱为：

第二种印迹及背景投射光谱数据采集。在采集的透射光谱图像中选取字迹的像素点或像素区域，各光谱波段的强度记为(λ)，则字迹的透射光谱为：

交叉区域及背景投射光谱数据采集。在采集的透射光谱图像中选取印迹和字迹交叉区域的像素点或像素区域，各光谱波段的强度记为(λ)，则印迹和字迹交叉区域的透射光谱为：

（2）交叉区域及背景纸张反射光谱图像数据采集

a．利用光谱成像仪采集光源2经过漫反射白板反射光谱图像，获得光源各波长对应的强度值，记为(λ)；

b．背景纸张反射光谱数据采集。在采集的反射射光谱图像中选取不含印迹像素点或像素区域，各光谱波段的强度记为(λ)，则背景纸张反射光谱为：

c．第一种印迹及背景混合反射光谱数据采集。在采集的反射射光谱图像中选取印迹的像素点或像素区域，各光谱波段的强度记为(λ)。则有：

d．第二种印迹及背景混合反射光谱数据采集。在采集的反射射光谱图像中选取字迹的像素点或像素区域，各光谱波段的强度记为(λ)。则有：

e．交叉区域及背景反射光谱数据采集。在采集的反射射光谱图像中选取印迹和字迹交叉区域的像素点或像素区域，各光谱波段的强度记为(λ)。

（3）交叉区域时序计算光谱特征确定

印迹先字迹后的仿真计算光谱特征。据印迹、字迹以及背景纸张的透射光谱以及反射光谱，若印迹先字迹后，则有：

字迹先印迹后的仿真计算光谱特征。据印迹、字迹以及背景纸张的透射光谱以及反射光谱，若字迹先印迹后，则有：

（4）交叉区域时序仿真计算光谱与实测光谱相关性检测

其中，N为光谱波段数目。

（5）交叉区域时序确定

若rW1/W2＞rW2/W1，则印迹顺序为1先2后；若rW2/W1＞rW1/W2，则印迹顺序为2先1后。

结果计算：将采集到的透射、反射数据导入SHIS分析软件，操作鼠标选择背景、笔迹、印章、交叉区域。按照先朱后墨和先墨后朱两种方式代入数学模型进行计算，将计算的结果与实际测试的光谱曲线进行相关系数计算比较，取相关系数大的为鉴定结论。

图5 实际为先墨后朱的计算结果图

图5 的数据计算结果为：先朱后墨和实际测量曲线的相关系数为0.976，先墨后朱和实际测量曲线的相关系数为0.997，此处结论为：先墨后朱。

图6 实际情况为先朱后墨的计算结果

图6 的数据计算结果为：先朱后墨和实际测量曲线的相关系数为0.976，先墨后朱和实际测量曲线的相关系数为0.997，此处结论为：先朱后墨。

5 实验结果

本次实验共收集、制作样本80份，其中先盖章后书写印迹的样本40份，先书写印迹后盖印章的样本40份，结论正确的样本为65份，错误的样本为15份，识别率达到了81.25%。实验表明，基于透反光谱成像技术对朱墨时序鉴定的准确率较高。

6 结论

利用透反光谱成像方法获得了包含印油、墨水印迹、纸张背景的混合光谱曲线，建立了透反光谱计算模型，解算获得分离的印油、墨水印迹、纸张背景的光谱特征。通过计算机模拟各种条件下朱墨时序的光谱特征，并与实测光谱特征进行定量对比分析，以相关性数值大小来评判朱墨时序。朱墨时序透反光谱成像分析方法对朱墨时序鉴定的准确率达到了80%以上，具备了继续研究，提高鉴定精度的基础。

透反光谱成像朱墨时序分析方法的基础是不同时序的两种材质交叉区域具有光谱差异。如果两种材质，如印泥与墨水或两种墨水完全互溶，将导致不同时序交叉区域的仿真光谱曲线与实测光谱曲线具有相同的相关性，即无法确认交叉印记的时序。

透反光谱成像朱墨时序分析方法具有操作简单、结论可定量的特点。在计算模型中充分考虑印油与墨水互溶性后，可进一步提高透反光谱成像朱墨时序分析的准确性。