姚園園河南警察學(xué)院

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光學(xué)顯現(xiàn)與圖像處理抑制指紋背景

姚園園
河南警察學(xué)院

姚園園（1980-）碩士，河南警察學(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)系，講師，研究方向：刑事圖像技術(shù)。

本文針對指紋復(fù)雜背景的分離抑制方法，提出了將光學(xué)檢驗與刑事數(shù)字圖像處理有機結(jié)合的方法，在刑事圖像處理中解決了光學(xué)處理與計算機數(shù)字圖像處理不能很好銜接的問題，有很好的實用價值。

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在犯罪現(xiàn)場或物證上提取的指紋往往質(zhì)量較差，尤其當指紋存在于復(fù)雜的背景上更加難于識別。目前的復(fù)雜背景指紋圖像抑制方法主要有兩大類：圖像獲取過程中的光學(xué)顯現(xiàn)方法和數(shù)字圖像處理方法。此兩種技術(shù)分屬兩個不同的學(xué)科領(lǐng)域，技術(shù)方法缺乏良好的銜接，使得某些完全可以利用的指紋圖像失去價值。打破相對獨立性，將圖像獲取過程和圖像處理融為一個整體考慮，光學(xué)顯現(xiàn)無法解決的問題在圖像處理中進一步修正，或圖像處理需求的前提條件在圖像獲取階段針對性的進行創(chuàng)造，就能極大地提高一些附著在復(fù)雜的背景上的低質(zhì)量指紋的利用率。

指紋識別和鑒定準確度受指紋圖像質(zhì)量的影響。在犯罪現(xiàn)場或物證上提取的指紋往往質(zhì)量較差，尤其當指紋存在于復(fù)雜的背景上更加難于識別，給特征提取與對比鑒定造成困難。研究復(fù)雜背景上的指紋提取和背景抑制的方法可以突出有效特征信息，提高指紋圖像質(zhì)量，最大限度使圖像達到識別鑒定的條件，提高指紋的利用率。目前的復(fù)雜背景指紋圖像抑制方法主要有兩大類：圖像獲取過程中的光學(xué)顯現(xiàn)技術(shù)和數(shù)字圖像處理分離技術(shù)。對復(fù)雜背景指紋圖像進行光學(xué)顯現(xiàn)，采集記錄之后，未達到檢驗要求的圖像往往需要進行后續(xù)的數(shù)字圖像處理。數(shù)字圖像處理的方法起始于圖像已獲取之后，而缺乏圖像采集之前的原始狀態(tài)信息。圖像采集過程與圖像處理過程相對獨立，技術(shù)方法缺乏完整的融合與溝通，使得某些完全可以利用的指紋圖像在技術(shù)手段不能良好銜接的情況下失去價值。因此在分離指紋圖像復(fù)雜背景中研究光學(xué)檢驗和圖像處理的銜接、融合具有必要性和重要價值。

指紋圖像復(fù)雜背景成因及分類

在現(xiàn)場中常見膠帶、彩色雜志、物品的彩色包裝、磁磚、水瓶等客體上的指紋需要提取，這類客體背景上雜亂的花紋、文字、色彩或材質(zhì)往往會對指紋紋線記錄的準確度、清晰度產(chǎn)生嚴重的干擾，繼而直接影響到指紋的檢驗和鑒定。

指紋圖像復(fù)雜背景的形成與光的作用和性質(zhì)直接相關(guān)。物質(zhì)的表面反射光影響物體的亮度。物體的花紋、圖案、色彩在一定程度上由內(nèi)反射光形成。指紋物質(zhì)與附著物質(zhì)形態(tài)及各部位反射光的強度和色調(diào)分布存在差異，即構(gòu)成圖像背景干擾。有些痕跡物的不規(guī)則形狀也會導(dǎo)致各部位表面反射光的不同，構(gòu)成圖像背景形狀干擾。

根據(jù)背景圖案的規(guī)律性將復(fù)雜背景指紋分為規(guī)律性背景指紋和無規(guī)律復(fù)雜背景指紋。規(guī)律性背景指背景圖案的分布從視覺角度具有重復(fù)性或具有一定有規(guī)則可循的穩(wěn)定變化。如紡織品；紙張上有重復(fù)的圖案；印刷品的油墨點跡等。根據(jù)背景圖像的色彩，將復(fù)雜背景指紋分為彩色指紋彩色背景，消色指紋消色背景和彩色消色交叉背景指紋。彩色指物體既有顏色又有亮度。消色指物體只有亮度而沒有顏色。

抑制指紋復(fù)雜背景的常規(guī)方法

利用光學(xué)顯現(xiàn)法抑制指紋復(fù)雜背景

光學(xué)顯現(xiàn)可以利用配光來抑制指紋復(fù)雜背景。配光方法使用定向反射照明法，暗視場照明法，掠入射照相法等方法改變或調(diào)整各物質(zhì)的相對亮度，加大背景與痕跡的反差，抑制背景，顯現(xiàn)指紋的細節(jié)特征。

光學(xué)顯現(xiàn)可以利用物質(zhì)對可見光、不可見光的光譜選擇性來抑制指紋復(fù)雜背景。分色照相法、紅外反射照相法、紫外反射照相法等方法利用不同的物質(zhì)成分對光的吸收和反射特性差異，有效地增加指紋與客體之間的反差，減弱或消除多色背景圖案的干擾，突出痕跡的特征。

光學(xué)顯現(xiàn)可以利用光致發(fā)光方法抑制痕跡圖像背景干擾?？梢姛晒庹障?、紫外熒光照相、紅外熒光照相等方法根據(jù)指紋物質(zhì)與背景物質(zhì)的熒光激發(fā)光譜和熒光反射光譜的特性差異，選擇適當?shù)募ぐl(fā)光波段和成像光波段，抑制背景。

利用數(shù)字圖像處理的方法去除指紋圖像復(fù)雜背景

數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)的方法主要有空間域處理和變換域處理兩大類。在指紋圖像處理中，通過減法運算能夠用來消除加性的指紋圖像背景干擾；圖像的相除運算能夠抑制乘性干擾成分，例如透射配光拍攝的指紋圖像的背景干擾，拍攝時光照的不均勻而形成干擾等。根據(jù)對分離指紋背景的應(yīng)用需求，還可應(yīng)用圖像增強技術(shù)中的灰度變換法、通道計算法等。有時直接針對二維數(shù)組本身進行空間域運算難以達到理想效果，還可以將圖像轉(zhuǎn)化至頻率域，進行頻域濾波來消除或抑制背景干擾。

上述兩類方法，各有特點、各具優(yōu)勢?；诠鈱W(xué)原理抑制指紋痕跡圖像背景干擾的優(yōu)點在于不破壞痕跡物證，但是其適用范圍和抑制效果有限；通過預(yù)處理方法抑制指紋痕跡圖像背景干擾可以有效地拓展光學(xué)方法的適用范圍，并使抑制效果得到增強，其缺點在于有破壞痕跡物證的風(fēng)險。

光學(xué)顯現(xiàn)與數(shù)字圖像處理相結(jié)合

在目前的應(yīng)用中，圖像采集過程與圖像處理過程相對獨立，導(dǎo)致在采集過程中未考慮圖像處理的需求，使大量有用信息丟失。打破相對獨立性，將圖像獲取過程和圖像處理融為一個整體考慮，可以更好的分離指紋與復(fù)雜背景，獲得采取單一方法無法達到的顯現(xiàn)效果，但需操作者在圖像采集階段便要進行干預(yù)。

分色照相法結(jié)合通道處理

分色照相通過不同物質(zhì)對可見光的光譜選擇性加大指紋與背景之間的亮度反差，從而抑制背景干擾。通道的處理方法根據(jù)指紋與背景的色彩分量組成差異，加大兩者的反差。兩種方法的本質(zhì)都是對色彩的處理，因而將兩者結(jié)合起來，理論上可以獲得比使用單一方法更好的效果。如報紙上的血指印，血液在波長415nm處具有峰值的吸收率，因此選用415nm紫色光照射檢材，能一定程度上加大血液與背景反差。將檢材采集為數(shù)字圖像后，再進一步用通道將指紋盡可能分離出來。

小偏角定向反射結(jié)合通道處理、圖像變換處理

使用小偏角定向反射法需在暗室環(huán)境進行，避免雜散光線攝入鏡頭。小偏角定向反射照明法是對定向反射法的一個變通應(yīng)用，在沒有半透半反射鏡的情況下可以使用。例如，彩色雜志封面上的汗液指印，用小偏角定向反射照明，照明光線以小角度入射，相機在定向反射方向記錄反射光的亮度分布。彩色雜志封面具有光滑表面特性，其反射光亮度較大；汗液指紋的紋線具有光澤表面特性，定向反射光亮度較低，兩者成了亮度反差。這種反差不足以完全消除背景的干擾，再對拍照的圖像進行通道處理進一步加大指紋紋線與背景的反差。由于相機拍攝時光軸不垂直于物證，使得拍攝結(jié)果物證產(chǎn)生微小變形，如對痕跡檢驗要求十分嚴格的情況下，需要使用圖象處理軟件對圖像進行透視矯正。

偏振光照相法結(jié)合FFT變換

非金屬光滑表面具有起偏振特性，其表面反射光存在混合偏振光。這類反射光容易形成無規(guī)律的干擾。利用偏振光照相可以一定程度上去掉這些無規(guī)律干擾。非金屬粗糙表面又具有退偏振特性。因此非金屬的光滑表面與粗糙表面在偏振鏡下可以加大亮度反差，減弱背景干擾。非金屬表面材質(zhì)較多具有規(guī)律背景，如木材紋理、紡織品圖案、紡織品經(jīng)緯紋路等，可使用FFT法消除背景干擾。如紙幣上的油脂指印，油脂屬于光滑表面，非金屬光滑表面對自然光具有一定的起偏振作用。紙幣表面屬于粗糙表面，不具有起偏振作用。先使用偏振光照相法加大指紋痕跡與紙幣花紋背景的反差。由于紙幣的背景花紋是由角度不同的平行線條組成，具有規(guī)律性，可用快速傅里葉變換加濾波的方法抑制背景。

暗視場配光法結(jié)合灰度變換

暗視場配光是光線以較小的入射角照射在被攝物體上，在垂直方向上接受物體的亮度分布。水杯表面為深色的光滑平面，能夠產(chǎn)生定向反射，該定向反射光不能進入鏡頭。但汗液指紋為光澤表面，產(chǎn)生混合反射，有垂直分量進入鏡頭成像，因此記錄的是深色背景下的淺色調(diào)痕跡。對于指紋檢驗來說，顏色非檢驗條件，所以灰度圖像的信息量已經(jīng)達到要求。而通常指紋采集獲得的樣本為白色背景黑色紋線，為使檢材和樣本一致，檢材也以白色背景黑色紋線為宜。圖像處理的灰度反轉(zhuǎn)、去色功能可以很好的完成這一工作。

紅、紫外反射法結(jié)合灰度變換處理

利用紫外反射，紅外反射照相采集圖像，由于光照度低，需要長時間曝光，一般所獲取的圖像整體曝光不足，畫面亮度偏低。若全波段CCD采集系統(tǒng)設(shè)置較大的增益，又容易使圖像產(chǎn)生較多噪點。要在兩者之間平衡，便可采用全波段CCD采集與數(shù)字圖像處理相結(jié)合的方法。如手機鉆石膜上的汗?jié)n指紋，由于獨特的“鉆”在可見光源照射的條件下會發(fā)出閃光，產(chǎn)生背景干擾，因此選用短波紫外反射照相法提取。汗?jié)撝赣儆诎牍饣砻妫詫Χ滩ㄗ贤饩€呈混合反射，且入射角度越小垂直方向的光線強度越大，因此選用暗視場配光法，在垂直的方向接受被攝物的亮度分布，指印以亮紋線呈現(xiàn)在暗背景上。再將提取到的指紋利用灰度變換法進行處理，進一步加大圖像反差。

指紋圖像背景抑制的討論與展望

物證照相的配光檢驗技術(shù)可以顯著地增強指紋痕跡與背景客體之間的亮度反差，從而把潛在的痕跡顯現(xiàn)出來并減弱或者消除背景干擾。這些方法能在一定程度上抑制背景干擾，但往往不能完全消除。在后續(xù)處理中往往較多應(yīng)用通道進一步處理彩色的采集圖像，用灰度變換方法處理無色的灰度圖像。特種照相可以利用特殊光源來對痕跡物證進行顯現(xiàn)和檢驗。但由于特種光源的感光性能較弱，往往需要長時間曝光才能將檢材痕跡記錄固定，表現(xiàn)在圖像上通常曝光不足、反差微弱、明顯噪點。這就需要與后續(xù)的圖像灰度處理、濾波等結(jié)合起來。利用灰度非線性變換的方法加大指紋紋線部分的亮度反差，利用平滑濾波去除圖像噪點。

在指紋圖像提取與處理相結(jié)合的發(fā)展趨勢中，圖像融合將是一種有效的手段。圖像融合可以使用單一傳感器采集到的多波段信息或者用不同類傳感器采集到的信息經(jīng)過圖像處理，最大限度的提取有效信息。在物證光學(xué)檢驗實際應(yīng)用中，將可見光照相、紅外反射照相、紫外反射照相、光致發(fā)光照相等不同波譜段針對同一指紋圖像顯示的不同的信息融合起來，將綜合出更多有用的信息，更好的提取指紋，抑制背景。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.016