运用光谱成像技术区分同色棉纤维

运用光谱成像技术区分同色棉纤维
摘要： 目的研究同色棉纤维的检验方法。方法运用成像光谱法对红、蓝、黑3个颜色组的棉纤维进行区 分。结果红色棉纤维的鉴别率为62．2 9／6，蓝色棉纤维的鉴别率为77．8 ，黑色棉纤维的鉴别率为69．6 。 结论 实验结果表明，光谱成像技术可以区分大部分同色棉纤维。拓宽了纤维检验的方法，解决了同色棉纤维 的区分问题，该方法能够用于对微量同色棉纤维的快速鉴别。 关键词：光谱成像；纤维 纺织纤维是最常见的物证之一。在交通肇事、盗 窃、强奸、纵火、爆炸等各类刑事案件现场上，经常可 以提取到纺织纤维。通过对这些纺织纤维及其制品 的检验，可以为破案提供线索，从而缩小侦查范围，为 证实犯罪提供科学的依据。 在各类案件中所能发现的纤维物证，按颜色分， 黑色比例最大，占到了5O 左右，蓝色次之，占到了 3O ；按种类分，数量最大的是棉纤维，达到纤维总数 的7O ；比例最大的纤维的颜色和种类组合是黑色 棉纤维，达到了纤维总数的3O ，其次是蓝色棉纤 维，达到了纤维总数的2O l1]。 目前，检验纤维的燃烧法、溶解、熔点、染色等方 法及一些大型仪器检验方法并不理想。一般生物显 微镜只能观察天然纤维的表面形态，对化学纤维用途 不大。偏振光显微镜是一种常用的方法但要求操作 人员非常熟悉各种纤维的彩色偏光干涉图像，对于相 同分子结构相同颜色的纤维也很难区分。红外分光 光度法同样不能区分分子结构相同的同色纤维。 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目(20O6BAKO7BO4) 作者简介：张鹏(198O一)，男，吉林省九台市人，硕士研究生， 主要从事刑事影像技术研究。E-mail：aiju626@126．com 光谱成像(Spectral Imaging)是通过成像光谱仪 记录被检验物体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集。光谱 成像技术也被称为多光谱成像或超光谱成像(Hyper— spectral Imaging)以及化学成像(Chemical Ima ging)l2]。2003年9月澳大利亚联邦警察在J Foren— sic Sciences发表了第一篇光谱成像检验指印的文 章，目前英美等国家也正在积极研究这项技术。在国 内，公安部物证鉴定中心王桂强研究员于2004年在 刑事技术》第1期上发表了《光谱成像检验技术》一 文，从专业理论角度论证了光谱成像技术应用于物证 检验的可行性、先进性、技术性；在实验研究方面，中 国人民公安大学硕士研究生黄威在运用光谱成像技 术进行文件检验和指印显现加强方面做了初步研究 工作l3]。在纤维物证检验方面，Katherine Flynn等 人在双组分纤维的检验上作了初步研究l4]，并于2006 年发表了一篇运用光谱成像技术检验双组分纤维的 文章，在国内，还没有公开发表过这方面的文章。

1 实验 1．1 实验器材 成像光谱仪型号：美国Cambridge Research& Instrumentation，Inc．(CRi)公司Nuance Multispec— real Imaging System；液晶可调波长滤光镜波段范 围：420nm~720nm，所提供的单色波段波长带宽为 1Onto，最小间隔波长为1nm，最大间隔波长300nm； Nikon 50mm标准光学镜头；戴尔电脑及自带的专用 计算机分析软件；徕佧显微镜(1 EICA)型号： DM6000B／M；载玻片；双面胶。

1．2 实验方法 1．2．1 纤维样本的制作 (1)将棉纤维样品按颜色 分成黑色、蓝色和红色3组，黑色纤维10种，蓝色纤 维10种，红色纤维10种；(2)将双面胶贴在载玻片 上，载玻片的另一面 上灰色纸板作为衬底；(3)在立 体显微镜下制作同色纤维比对样本。 1．2．2 实验条件 (1)采用徕佧显微镜自带光源 (100瓦卤素灯)，照明方式涮整为反射光，放大倍数 调整为200倍；(2)采用55Onto可见光下自动曝光调 节样本在徕佧显微镜自动照明条件下的曝光时间； (3)在计算机影像摄取窗口(Acquire)上设定8bit的 数位输出，选择采集影像集光谱范围为420 nli1～ 720nm可见光之间，设定每间隔5nm采集一幅影像， 每个影像集包含61张单色影像。

2 结果与讨论 2．1 实验结果 将实验得到的结果影像分成0、1、2、3、4五个等 级，0代表结果影像没有任何区分效果，1代表有效果 但不能达到区分标准，2代表有效果并能达到区分标 型童整 生箜 塑 2一aRGB影像：2一b光谱成像区分结果影像：2一c光谱成像光谱曲线 图2 黑色纤维比对结果 区分效果显著的组合有2对，区分效果明显的组合有 17对，仅能达到区分标准的组合是16对，有效果但 不能达到区分标准的组合是8对，完全没有区分效果 的组合是2对。对于区分效果显著的同色纤维组合， 在区分结果影像中两根纤维的伪彩色没有混杂而整 根纤维色彩均匀，如图3所示。 灌 3-aRGB影像： 3-b光谱威像区分结果影像；3-c光谱成像光谱曲线 图3 蓝色纤维比对结果

2．1．3 红色纤维比对结果红色纤维10种45对组 合，能够区分的组合共28对，占红色组合的62．2 。 其中，没有区分效果显著的组合，区分效果明显的组 合有10对，仅能达到区分标准的组合是18对，有效 果但不能达到区分标准的组合是14对，完全没有区 分效果的组合是3对。对于区分效果明显的同色纤 维组合，在区分结果影像中两根纤维的伪彩色边缘有 混杂而整根纤维色彩均匀，如图4所示。 在成像光谱仪对3 个颜色组的135对同 色纤维组合的分析比 对实验中，可以区分出 94对组合，总的区分 率为69．6 。不同颜 色组合区分等级比率 不同，如图1所示。 图1 区分等级比率示意图

2．1．1 黑色纤维比对结果黑色纤维l0种45对组 合，能够区分的组合共30对，占黑色组合的66．7 。 其中，没有区分效果显著的组合，区分效果明显的组 合有l2对，仅能达到区分标准的组合是l8对，有效 果但不能达到区分标准的组合是l1对，完全没有区 分效果的组合是4对。对于区分效果明显的同色纤 维组合，在区分结果影像中两根纤维的伪彩色边缘稍 有混杂而整根纤维色彩均匀，如图2所示。

2．1．2 蓝色纤维比对结果蓝色纤维l0种45对组 合，能够区分的组合共35对，占蓝色组合的77．8 。 棉花的实际生长条件、生长过程也各有差异，这就使 棉纤维的内部形态结构、分子结构中原子或原子团相 互间在空间的排列状态都有所不同；棉纤维的组成在 生长过程中是不断变化的，成熟棉纤维的主体部分是 纤维素，此外还含有一定量的共生物，纤维素和共生 物的种类和数量都不相同；在加工工艺上，各个地区 各个厂家的加工方法会因生产条件、产品种类等原因 而有所差异。以上的种种不同，都为光谱成像技术检 验棉纤维提供了可能性。

光谱成像技术对相同颜色棉纤维的区分率比较 高，效果明显，具有很多优势，可以与其它方法互补成 为检验棉纤维的方法之一。对于案件中的棉纤维物 证，首先可以考虑运用光谱成像技术对其进行初步排 除工作，为进一步检验打下良好的基础。光谱成像技 术拓宽了对棉纤维检验的方法，初步解决了同色棉纤 维的区分问题。

由于一些客观条件的限制，实验中采集的纤维样 本有限。本文旨在分析用光谱成像检验纤维物证的 方法，并研究此种方法的可能性。光谱成像技术在其 它纤维检验中的应用，还有待于进一步探讨。