沈敦璞，李 明, 2，袁傳軍, 2，于海峰，王 猛, 2*

1. 中國刑事警察學(xué)院痕跡檢驗(yàn)技術(shù)系，遼寧 沈陽 110035 2. 痕跡檢驗(yàn)鑒定技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110035

引 言

手印顯現(xiàn)的原理是通過減弱客體背景對手印乳突紋線的干擾，增強(qiáng)兩者之間的對比反差，使?jié)撛谑钟∪庋劭煞直婊騼x器可檢測[1-2]。長期以來，研究人員致力于研究手印顯現(xiàn)的新方法，但對手印顯現(xiàn)效果定量評估的研究還很少涉及[3-6]。研究人員通常采用客體背景干擾是否嚴(yán)重、乳突紋線是否清晰連貫、細(xì)節(jié)特征是否反映明顯等語言對手印顯現(xiàn)效果進(jìn)行主觀、片面、定性評價(jià)[7-10]，而沒有對手印的顯現(xiàn)效果進(jìn)行客觀、全面、定量評估。2008年，Humphreys[11]等基于顯現(xiàn)手印和捺印手印提出了相對對比指數(shù)(relative contrast index，RCI)的概念。2011年，Vanderwee[12]等也針對捺印手印進(jìn)行了類似的研究。2013年，Matuszewski[13]等使用Adobe Photoshop軟件分別對乳突紋線和客體背景圖像進(jìn)行灰度分析，進(jìn)一步對手印顯現(xiàn)的效果進(jìn)行評價(jià)。然而，以上研究主要是基于捺印手印的捺印效果進(jìn)行評價(jià)，不具備普遍意義。2017年，本研究小組Wang[2]等提出了衡量手印顯現(xiàn)效果的三個(gè)指標(biāo)，即對比度(Contrast)、靈敏度(Sensitivity)、選擇性(Selectivity)，但并未對以上衡量指標(biāo)進(jìn)行具體量化。

為建立一種適用于熒光類物質(zhì)顯現(xiàn)手印對比度的客觀評價(jià)方法，本研究提出了手印顯現(xiàn)對比度的概念，即手印顯現(xiàn)信號(hào)與客體背景噪聲的亮度以及顏色之間的總體對比差異程度。首先，建立手印顯現(xiàn)對比度的量化計(jì)算方法； 然后，對該量化方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證； 最后，通過數(shù)據(jù)定量分析熒光粉末顯現(xiàn)手印對比度的影響因素，總結(jié)提高手印顯現(xiàn)對比度的途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 手印顯現(xiàn)與固定

潛在手印的顯現(xiàn)步驟按照文獻(xiàn)中的粉末顯現(xiàn)方法進(jìn)行； 稀土上轉(zhuǎn)換及下轉(zhuǎn)換熒光粉末的合成步驟按照文獻(xiàn)中的合成方法進(jìn)行[8-9]。將稀土下轉(zhuǎn)換熒光粉末顯現(xiàn)的手印置于254 nm紫外燈下觀察，將稀土上轉(zhuǎn)換熒光粉末顯現(xiàn)的手印置于980 nm紅外激光器下觀察。使用Nikon D810型單反數(shù)碼相機(jī)對顯現(xiàn)的手印進(jìn)行拍照固定。暗場手印拍攝參數(shù)為： 光圈值f/10、曝光時(shí)間2 s、感光度100。

1.2 熒光檢測

采用Cary Eclipse型熒光分光光度計(jì)(美國Agilent公司)分別檢測客體、熒光粉末、經(jīng)熒光粉末顯現(xiàn)手印的熒光發(fā)射光譜。激發(fā)狹縫為5 nm、發(fā)射狹縫為5 nm，PMT電壓為550 V。

1.3 手印顯現(xiàn)對比度的量化

1.3.1 強(qiáng)度因子的量化

將經(jīng)熒光粉末顯現(xiàn)手印的熒光發(fā)射光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件Origin 9中，分析并計(jì)算出客體對應(yīng)的發(fā)射峰(背景噪聲)面積SA與吸附有熒光粉末的乳突紋線對應(yīng)的發(fā)射峰(顯現(xiàn)信號(hào))面積SB。強(qiáng)度因子(Intensity Index，I)定義為顯現(xiàn)信號(hào)與背景噪聲之間的比值，強(qiáng)度因子I的計(jì)算公式如式(1)

(1)

1.3.2 色度因子的量化

將客體、熒光粉末、經(jīng)熒光粉末顯現(xiàn)手印的熒光發(fā)射光譜數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入到軟件CIE1931xy中，計(jì)算出各自的色坐標(biāo)并標(biāo)注于色度圖中，記為A(XA,YA)，B(XB,YB)，O(XO,YO)。色度因子(Chroma Index，C)定義為色度圖中|OA|與|OB|的比值，色度因子C的計(jì)算公式如式(2)

(2)

1.3.3 顯現(xiàn)對比度的量化

在借鑒了相對對比指數(shù)RCI計(jì)算方法的基礎(chǔ)上[11-13]，本研究建立了一種適用于熒光類物質(zhì)顯現(xiàn)手印對比度的計(jì)算方法。手印顯現(xiàn)對比度(Contrast)定義為色度因子C與強(qiáng)度因子I的常用對數(shù)值的乘積，對比度的計(jì)算公式如式(3)

Contrast=C·lgI

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 手印顯現(xiàn)對比度量化方法的建立

本研究提出了手印顯現(xiàn)對比度的概念，即手印顯現(xiàn)信號(hào)與客體背景噪聲之間的對比差異程度[2]。這種對比差異主要由手印顯現(xiàn)信號(hào)與客體背景噪聲之間的亮度差異(即強(qiáng)度因子)和顏色差異(即色度因子)所共同決定。本研究借鑒了圖像與視頻質(zhì)量客觀評價(jià)中信噪比(signal-to-noise ratio)的概念，提出了利用強(qiáng)度因子和色度因子綜合評價(jià)手印顯現(xiàn)對比度的量化方法。

以玻璃表面的潛在手印為研究對象[圖1(a)]，使用稀土下轉(zhuǎn)換熒光粉末顯現(xiàn)后，手印的乳突紋線部位因吸附有熒光粉末，在254 nm紫外光的激發(fā)下產(chǎn)生了明亮的紅色熒光，且承痕客體表面也產(chǎn)生了微弱的藍(lán)色熒光[圖1(b)]。

圖1 紅色熒光粉末顯現(xiàn)玻璃表面潛在手印的照片

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

2.1.1 強(qiáng)度因子的量化方法

強(qiáng)度因子反映手印顯現(xiàn)信號(hào)與客體背景噪聲之間的亮度差異。在254 nm紫外光的激發(fā)下，玻璃客體在400～550 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生微弱的藍(lán)色熒光[圖2(a曲線1)]，對應(yīng)于背景噪聲； 熒光粉末在575～675 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的紅色熒光[圖2(a曲線2)]，對應(yīng)于顯現(xiàn)信號(hào)； 使用熒光粉末顯現(xiàn)后的手印同時(shí)產(chǎn)生顯現(xiàn)信號(hào)與背景噪聲[圖2(b)]。經(jīng)計(jì)算，背景噪聲的峰面積SA為2 606.878，顯現(xiàn)信號(hào)的峰面積SB為2 325.373。根據(jù)式(1)計(jì)算，其強(qiáng)度因子I為1.121。

圖2 玻璃客體、紅色熒光粉末(a)和經(jīng)紅色熒光粉末顯現(xiàn)手印(b)的熒光發(fā)射光譜圖

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

2.1.2 色度因子的量化方法

色度因子反映手印顯現(xiàn)信號(hào)與客體背景噪聲之間的顏色差異。如圖3所示，在254 nm紫外光的激發(fā)下，玻璃客體產(chǎn)生的藍(lán)色熒光對應(yīng)于A，熒光粉末產(chǎn)生的紅色熒光對應(yīng)于B，使用熒光粉末顯現(xiàn)手印所產(chǎn)生的混合熒光對應(yīng)于O。經(jīng)計(jì)算，|OA|為0.067，|OB|為0.368。根據(jù)式(2)計(jì)算，其色度因子C為0.181。

圖3 紅色熒光粉末顯現(xiàn)玻璃表面潛在手印的色度圖

Fig.3Chromaticitydiagramoffingerprintdevelopmentonglassusingredfluorescentpowders

2.1.3 手印顯現(xiàn)對比度的量化方法

手印顯現(xiàn)對比度綜合反映手印顯現(xiàn)信號(hào)與客體背景噪聲之間的亮度差異和顏色差異。將強(qiáng)度因子I和色度因子C代入式(3)計(jì)算得出，手印顯現(xiàn)的對比度為0.009。

2.2 提高手印顯現(xiàn)對比度的途徑

由對比度計(jì)算公式可知，提高手印顯現(xiàn)的對比度可通過提高強(qiáng)度因子、提高色度因子兩種途徑來實(shí)現(xiàn)。對于利用熒光粉末顯現(xiàn)潛在手印的情況，可以通過增強(qiáng)顯現(xiàn)粉末的熒光強(qiáng)度、降低客體背景干擾來提高強(qiáng)度因子，通過調(diào)整顯現(xiàn)粉末的熒光顏色來提高色度因子。

2.2.1 增強(qiáng)粉末的熒光強(qiáng)度

研究選用玻璃為承痕客體，分別使用熒光強(qiáng)度較弱的粉末[圖4(a)]、熒光強(qiáng)度較強(qiáng)的粉末[圖4(b)]對其表面的潛在手印進(jìn)行顯現(xiàn)。

從視覺角度主觀分析，在254 nm紫外光的激發(fā)下，玻璃表面都產(chǎn)生了微弱的藍(lán)色熒光，但使用熒光強(qiáng)度較高的粉末顯現(xiàn)手印，其乳突紋線部位產(chǎn)生的紅色熒光更強(qiáng)，與承痕客體之間形成了更大的亮度反差。從定量角度客觀分析，在254 nm紫外光的激發(fā)下，使用不同熒光強(qiáng)度的紅色熒光粉末顯現(xiàn)潛在手印的發(fā)射光譜如圖4(a′—b′)所示。顯現(xiàn)的手印在400～550 nm范圍內(nèi)均產(chǎn)生了強(qiáng)度接近的客體背景噪聲； 使用熒光強(qiáng)度較高的紅色熒光粉末在550～675 nm范圍內(nèi)能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的手印顯現(xiàn)信號(hào)，故手印顯現(xiàn)信號(hào)與客體背景噪聲之間的亮度反差更大。

圖4 經(jīng)弱熒光強(qiáng)度(a—a′)、強(qiáng)熒光強(qiáng)度(b—b′)的紅色熒光粉末顯現(xiàn)玻璃表面潛在手印在254 nm紫外光激發(fā)下的暗場照片(a—b)及對應(yīng)的熒光發(fā)射光譜圖(a′—b′)

表1 不同熒光強(qiáng)度的紅色熒光粉末顯現(xiàn)手印對比度量化結(jié)果的匯總表

表1匯總了具體的計(jì)算結(jié)果，手印顯現(xiàn)對比度計(jì)算結(jié)果客觀分析與視覺效果主觀分析的結(jié)論相一致。綜上所述，增強(qiáng)粉末的熒光強(qiáng)度能夠在一定程度上提高手印顯現(xiàn)的對比度。

2.2.2 調(diào)整粉末的熒光顏色

研究選用紅色紙張為承痕客體，分別使用紅色熒光粉末[圖5(a)]、綠色熒光粉末[圖5(b)]對其表面的潛在手印進(jìn)行顯現(xiàn)。

從視覺角度主觀分析，在254 nm紫外光的激發(fā)下，紅紙表面均產(chǎn)生了明亮的紅色熒光，但使用綠色熒光粉末顯現(xiàn)的手印，其乳突紋線部位產(chǎn)生了明亮的綠色熒光，與承痕客體之間形成了更大的顏色反差。從定量角度客觀分析，在254 nm紫外光激發(fā)下，使用紅色、綠色熒光粉末顯現(xiàn)潛在手印的發(fā)射光譜如圖5(a’—b’)所示。使用紅色熒光粉末顯現(xiàn)時(shí)，手印顯現(xiàn)信號(hào)與客體背景噪聲在550～675 nm范圍內(nèi)出現(xiàn)了嚴(yán)重重疊[圖5(a’)]。通過分峰擬合，將曲線1中的重疊信號(hào)分離為客體背景噪聲(曲線2)和手印顯現(xiàn)信號(hào)(曲線3)，因兩者之間的波長與強(qiáng)度均較為接近，彼此干擾較大。使用綠色熒光粉末顯現(xiàn)時(shí)，手印顯現(xiàn)信號(hào)出現(xiàn)在540 nm處[圖5(b’)]，其強(qiáng)度較高且波長遠(yuǎn)離客體背景噪聲的范圍，彼此干擾較小。

表2匯總了具體的計(jì)算結(jié)果，手印顯現(xiàn)對比度計(jì)算結(jié)果客觀分析與視覺效果主觀分析的結(jié)論相一致。綜上所述，調(diào)節(jié)粉末的熒光顏色能夠在一定程度上提高手印顯現(xiàn)的對比度。

圖5 經(jīng)紅色(a—a′)、綠色(b—b′)熒光粉末顯現(xiàn)紅色紙張表面潛在手印在254 nm紫外光激發(fā)下的暗場照片(a—b)及對應(yīng)的熒光發(fā)射光譜圖(a′—b′)

表2 不同熒光顏色的熒光粉末顯現(xiàn)手印對比度量化結(jié)果的匯總表

2.2.3 降低背景熒光

以上研究中所使用的手印顯現(xiàn)粉末均為稀土下轉(zhuǎn)換熒光粉末，即在短波紫外光的激發(fā)下能夠產(chǎn)生可見光。由于紫外光的能量較高，顯現(xiàn)手印時(shí)通常會(huì)激發(fā)承痕客體產(chǎn)生背景熒光，進(jìn)而降低了顯現(xiàn)的對比度。與稀土下轉(zhuǎn)換熒光粉末的發(fā)光機(jī)理相反，稀土上轉(zhuǎn)換熒光粉末能夠在長波紅外光的激發(fā)下產(chǎn)生可見光。使用稀土上轉(zhuǎn)換熒光粉末顯現(xiàn)手印，能夠有效避免客體背景熒光的干擾。研究選用紅色紙張為承痕客體，使用具有綠色熒光性能的稀土上轉(zhuǎn)換熒光粉末對其表面的潛在手印進(jìn)行顯現(xiàn)[圖6(a)]。

從視覺角度主觀分析，經(jīng)稀土上轉(zhuǎn)換熒光粉末顯現(xiàn)的手印在980 nm紅外光的激發(fā)下[圖6(b)]，乳突紋線部位產(chǎn)生了明亮的綠色熒光，而客體背景幾乎不產(chǎn)生熒光。與使用同色稀土下轉(zhuǎn)換熒光粉末顯現(xiàn)手印的效果[圖5(b)]相比，手印顯現(xiàn)信號(hào)與客體背景噪聲之間的亮度和顏色都形成了更大的反差。從定量角度客觀分析，在980 nm紅外光的激發(fā)下，紅色紙張?jiān)?00～550 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生了極其微弱的紫色熒光[圖6(c)曲線1]，對應(yīng)于背景噪聲； 稀土上轉(zhuǎn)換熒光顯現(xiàn)粉末在550～575 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生了較強(qiáng)的綠色熒光[圖6(c)曲線2]，對應(yīng)于顯現(xiàn)信號(hào)； 使用稀土上轉(zhuǎn)換熒光粉末顯現(xiàn)后的手印，手印顯現(xiàn)信號(hào)的主峰出現(xiàn)在540 nm處且強(qiáng)度較高，而客體背景熒光可忽略[圖6(d)]。與圖5(b’)相比，使用稀土上轉(zhuǎn)換熒光粉末進(jìn)行手印顯現(xiàn)，能夠在大幅增加手印顯現(xiàn)信號(hào)熒光強(qiáng)度的同時(shí)，顯著降低客體背景噪聲的干擾程度，故二者之間的亮度反差明顯增強(qiáng)。

表3匯總了具體的計(jì)算結(jié)果，手印顯現(xiàn)對比度計(jì)算結(jié)果客觀分析與視覺效果主觀分析的結(jié)論相一致。綜上所述，降低客體背景的熒光能夠顯著提高手印顯現(xiàn)的對比度。

圖6 經(jīng)綠色上轉(zhuǎn)換熒光粉末顯現(xiàn)紅色紙張表面潛在手印的明場照片(a)及其在980 nm紅外光激發(fā)下的暗場照片(b)； 紅色紙張、綠色上轉(zhuǎn)換熒光粉末(c)和經(jīng)綠色上轉(zhuǎn)換熒光粉末顯現(xiàn)手印(d)的熒光發(fā)射光譜圖

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

表3 不同發(fā)光機(jī)理的綠色熒光粉末顯現(xiàn)手印對比度量化結(jié)果的匯總表

3 結(jié) 論

提出了熒光類物質(zhì)顯現(xiàn)手印的對比度這一概念，研究了手印顯現(xiàn)對比度的量化方法，即色度因子C與強(qiáng)度因子I的常用對數(shù)值的乘積，并闡述了基于光譜儀器和色度軟件表征手印顯現(xiàn)對比度的具體操作。從視覺效果的主觀角度與計(jì)算結(jié)果的客觀角度，詳細(xì)分析了手印顯現(xiàn)對比度的影響因素，并從強(qiáng)度因子和色度因子兩個(gè)層面上提出了提高手印顯現(xiàn)對比度的三個(gè)有效途徑，即增強(qiáng)顯現(xiàn)試劑的熒光強(qiáng)度、調(diào)整顯現(xiàn)試劑的熒光顏色、降低承痕客體的背景熒光。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用稀土下轉(zhuǎn)換熒光粉末配合254 nm紫外光源進(jìn)行手印顯現(xiàn)，能夠增強(qiáng)手印顯現(xiàn)的信號(hào)，但是無法完全避免客體背景熒光的干擾，較適用于弱背景熒光客體表面手印的高對比度顯現(xiàn)； 使用稀土上轉(zhuǎn)換熒光粉末配合980 nm紅外光源進(jìn)行手印顯現(xiàn)，能夠在增強(qiáng)手印顯現(xiàn)信號(hào)的同時(shí)，有效避免客體背景熒光的干擾，更適用于強(qiáng)背景熒光客體表面手印的高對比度顯現(xiàn)。