光譜成像技術(shù)在物證鑒定中的應(yīng)用

0傳統(tǒng)光學(xué)成像方法缺乏內(nèi)在的提取和利用樣品鑒定是指使用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段和成果，科學(xué)分析和評(píng)估研究活動(dòng)中收集的一些物證，并在病例或事件中解釋和回答人與事之間的關(guān)系，包括回答犯罪和非罪事件。光學(xué)技術(shù)作為一種無(wú)損的檢驗(yàn)方法,在物證的發(fā)現(xiàn)、記錄、提取、保全和鑒定等方面都發(fā)揮著重要的作用。不同物質(zhì)的空間分布狀態(tài)是最直觀的證據(jù)表述形式,對(duì)痕跡物證同時(shí)進(jìn)行定性定量定位檢驗(yàn),是物證鑒定光學(xué)檢驗(yàn)研究發(fā)展的重要目標(biāo)之一。傳統(tǒng)的光學(xué)成像方法只能記錄被攝物的亮度分布信息,各種化學(xué)成分所蘊(yùn)含的大量光學(xué)特性沒(méi)有得到充分挖掘和利用,而傳統(tǒng)的光譜分析技術(shù)則犧牲了檢材的空間信息。隨著光學(xué)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,光譜成像技術(shù)具備了根據(jù)不同化學(xué)成分光譜真實(shí)值準(zhǔn)確記錄其空間分布狀態(tài)的能力,為物證鑒定光學(xué)檢驗(yàn)提供了將形態(tài)檢驗(yàn)和成分檢驗(yàn)相結(jié)合的機(jī)會(huì)。1組的紅外光譜成像技術(shù)早在20世紀(jì)90年代中期,國(guó)外研究人員就進(jìn)行了將光譜成像技術(shù)應(yīng)用于物證鑒定領(lǐng)域的大膽嘗試,但由于缺少儀器設(shè)備、技術(shù)方法不成熟等原因,這項(xiàng)技術(shù)當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起物證鑒定工作者的廣泛關(guān)注。隨著陣列檢測(cè)器、高效濾光鏡及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,各國(guó)物證鑒定研究人員重新認(rèn)識(shí)了光譜成像檢驗(yàn)技術(shù)的巨大潛力,2003年澳大利亞的ClaudeRoux等使用液晶可調(diào)波長(zhǎng)濾光鏡(LCTF光譜成像裝置進(jìn)行了檢驗(yàn)指印紋線的初步實(shí)驗(yàn)研究,成為物證鑒定領(lǐng)域廣泛研究光譜成像檢驗(yàn)技術(shù)的開(kāi)端。DavidL.Exline等使用LCTF配合可見(jiàn)熒光方法檢驗(yàn)了10美元假鈔上的汗?jié)撝讣y,與傳統(tǒng)光學(xué)檢驗(yàn)方法相比,指印紋線顯現(xiàn)質(zhì)量有很大提高。EdwardG.Bartick等率先使用FTIR光譜成像方法,根據(jù)脂肪酸、酯、蛋白質(zhì)氨基酸等多種人體大量分泌的化學(xué)物質(zhì)顯現(xiàn)指印紋線。KatherineFlynn等使用FTIR光譜成像方法檢驗(yàn)了11種合成纖維的剖面形態(tài)特征,成功鑒別了6種平行排列合成纖維中的5種,而包繞型的合成纖維鑒別率較低。CamillaRicci等詳細(xì)介紹了利用海洛因在1758cm-1和1740cm-1波段存在紅外吸收峰和ATR-FTIR檢驗(yàn)海洛因毒品的方法。LiseL.Randeberg等使用推掃式多光譜成像儀記錄分析了由圓珠筆筆芯造成的手臂瘀傷隨時(shí)間變化規(guī)律。GemmaPayne等選取了9種不同品牌的黑色墨水和10種不同品牌的藍(lán)色墨水,分別使用FTIR光譜成像和傳統(tǒng)的VSC2000文檢儀、SEE2100分光光度計(jì)、薄層色譜檢驗(yàn)方法進(jìn)行區(qū)別檢驗(yàn),結(jié)果顯示光譜成像檢驗(yàn)方法的區(qū)分能力明顯高于傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法。國(guó)外物證鑒定領(lǐng)域?qū)庾V成像技術(shù)的應(yīng)用研究具有如下特點(diǎn):首先,研究成果具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值,正是由于國(guó)外專家學(xué)者對(duì)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的敏感性和創(chuàng)新意識(shí),使得物證鑒定領(lǐng)域成功引入了光譜成像技術(shù),豐富了痕跡物證檢驗(yàn)技術(shù)手段,特別是為光學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)開(kāi)辟了新的發(fā)展方向。其次,研究工作緊密跟蹤光譜成像前沿技術(shù),國(guó)外物證鑒定研究人員具有明顯的資源優(yōu)勢(shì),在研究過(guò)程中注重使用最先進(jìn)的光譜成像設(shè)備,從液晶可調(diào)波長(zhǎng)濾光鏡型光譜成像儀到傅里葉變換光譜成像儀的大尺幅面陣列焦平面系統(tǒng)(FocalPlaneArray),以及衰減全反射附件等現(xiàn)代儀器設(shè)備的應(yīng)用,基本實(shí)現(xiàn)了與光譜成像技術(shù)的同步發(fā)展。再次,研究?jī)?nèi)容涉及多個(gè)應(yīng)用方向,國(guó)外同行應(yīng)用光譜成像技術(shù)已經(jīng)在指紋檢驗(yàn)、文件檢驗(yàn)、微量物證檢驗(yàn)、生物物證檢驗(yàn)等多個(gè)方向進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究,為此項(xiàng)技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域的深入研究提供了新的思路,但由于國(guó)外研究人員專業(yè)方向的原因,他們所開(kāi)展的研究工作以確定和區(qū)分不同物質(zhì)成分為重點(diǎn)方向,而對(duì)于多光譜數(shù)據(jù)的分析處理方法以及結(jié)果影像的質(zhì)量沒(méi)有給與足夠的關(guān)注,已有的研究工作缺乏系統(tǒng)性,實(shí)際應(yīng)用效果有待提高。最后,研究團(tuán)隊(duì)分布廣泛,自本世紀(jì)初新型的光譜成像設(shè)備被應(yīng)用于物證鑒定領(lǐng)域以來(lái),迅速引起世界各國(guó)物證鑒定工作者的廣泛關(guān)注,根據(jù)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)資料以及學(xué)術(shù)交流情況可知,近幾年,光譜成像技術(shù)已經(jīng)成為包括美國(guó)聯(lián)邦調(diào)查局、英國(guó)內(nèi)政部、澳大利亞聯(lián)邦警察局在內(nèi)的眾多世界一流物證鑒定研究機(jī)構(gòu)重點(diǎn)發(fā)展的研究方向。2國(guó)內(nèi)關(guān)于物理圖像成像技術(shù)的研究在我國(guó)的專業(yè)人才國(guó)內(nèi)物證鑒定領(lǐng)域尤其是從事光學(xué)成像檢驗(yàn)專業(yè)的科技人員,長(zhǎng)期以來(lái)積極致力于研究如何利用不同物質(zhì)的光譜特性,實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)、提取、固定和檢驗(yàn)痕跡物證的新技術(shù)和新方法。由公安部物證鑒定中心提出的窄波段分色照相技術(shù),根據(jù)各種典型痕跡物證的特征光譜,使用單色儀作為輸出光源或選擇適當(dāng)?shù)恼瓗V色鏡,接收記錄被檢驗(yàn)物體在可見(jiàn)光譜區(qū)內(nèi)一個(gè)非常窄的光譜范圍內(nèi)的反射光亮度分布,這項(xiàng)技術(shù)所應(yīng)用的理論和技術(shù)方法與光譜成像技術(shù)具有相似性,為我國(guó)物證鑒定領(lǐng)域開(kāi)展光譜成像技術(shù)研究提供了堅(jiān)實(shí)的科研基礎(chǔ),積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在國(guó)際物證鑒定領(lǐng)域提出應(yīng)用光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)痕跡物證的設(shè)想之初,我國(guó)的研究學(xué)者就及時(shí)捕捉到了這個(gè)有可能改變傳統(tǒng)光學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)格局的重要信息,王桂強(qiáng)研究員于2004年提出光譜成像技術(shù)可以同時(shí)用于物證的形態(tài)檢驗(yàn)和物質(zhì)成分檢驗(yàn),為開(kāi)展相關(guān)研究提供了理論基礎(chǔ)和研究方向,此文現(xiàn)在已成為國(guó)內(nèi)物證鑒定領(lǐng)域權(quán)威期刊《刑事技術(shù)》雜志被引用次數(shù)最多的學(xué)術(shù)論文。經(jīng)過(guò)相關(guān)科研工作者的不懈努力,光譜成像技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用研究逐漸得到了行業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的關(guān)注和認(rèn)可?！肮庾V成像與圖像檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究”、“物證檢驗(yàn)與溯源關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)”兩項(xiàng)課題分別在“十一五”和“十二五”期間獲得了國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目的資助。其中,由公安部物證鑒定中心與武漢大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的“物證鑒定成像光譜影像分析軟件”被認(rèn)定為具有國(guó)際先進(jìn)水平的“十一五”科研成果。基于液晶可調(diào)波長(zhǎng)濾光鏡型光譜成像技術(shù),由我國(guó)科研人員首次系統(tǒng)提出了指紋檢驗(yàn)、文件檢驗(yàn)、微量物證檢驗(yàn)和生物物證檢驗(yàn)四大類7種疑難物證的檢驗(yàn)技術(shù)方法。公安部物證鑒定中心的研究人員已發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文20余篇,多次受邀在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上進(jìn)行大會(huì)發(fā)言,并于2009年成功舉辦了首屆物證鑒定光譜成像技術(shù)研討會(huì),有力地推動(dòng)了光譜成像技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域的普及和應(yīng)用,提高了我國(guó)相關(guān)研究成果的國(guó)際影響力。3主要研究成果3.1基于局部匹配分析的高改進(jìn)物物證鑒定應(yīng)用光譜成像技術(shù)的最主要目的是得到直觀、真實(shí)、準(zhǔn)確的結(jié)果影像。要得到檢材中不同物質(zhì)分布狀態(tài)的圖像信息,就必須有合適的數(shù)據(jù)處理方法作為后臺(tái)支持。功能全面、性能良好、運(yùn)行穩(wěn)定的數(shù)據(jù)處理方法是衡量光譜成像技術(shù)是否適用于物證鑒定領(lǐng)域的重要指標(biāo)之一。公安部物證鑒定中心與武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合攻關(guān),在總結(jié)現(xiàn)有光譜成像數(shù)據(jù)處理功能的基礎(chǔ)上,根據(jù)物證鑒定領(lǐng)域的實(shí)際需要,首次提出并設(shè)計(jì)了光譜特征局部匹配分析算法和基于加權(quán)混合導(dǎo)數(shù)特征的物證光譜特征整體匹配分析算法,以及各類典型物證多光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的架構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的物證鑒定專用光譜影像分析系統(tǒng)(圖1)為物證鑒定應(yīng)用光譜成像技術(shù)提供了更有針對(duì)性的計(jì)算方法和技術(shù)支持。3.2光譜成像儀及數(shù)據(jù)來(lái)源針對(duì)指紋、書(shū)寫(xiě)材料、微量物證、生物檢材等不同疑難痕跡物證,國(guó)內(nèi)物證鑒定領(lǐng)域已經(jīng)形成了比較成熟的光譜成像檢驗(yàn)技術(shù)方法,所使用的光譜成像儀主要包括光譜響應(yīng)范圍在可見(jiàn)波段(400~720nm)和近紅外波段(650~1100nm)的Nuance-macro光譜成像儀(美國(guó)CambridgeResearch&Instrumentation,Inc.),光譜數(shù)據(jù)使用物證鑒定成像光譜影像分析軟件MIsystem2.0進(jìn)行分析處理。3.2.1指紋重現(xiàn)技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域,指紋被譽(yù)為“證據(jù)之王”,研究和探索新的指紋顯現(xiàn)技術(shù)一直是各國(guó)物證鑒定專家學(xué)者所追求的目標(biāo)。我國(guó)的研究人員使用光譜成像技術(shù)成功消除了指紋下簽字筆字跡的干擾,解決了消除指紋復(fù)雜背景這一類的技術(shù)難題,如圖2所示。3.2.2書(shū)寫(xiě)文件的墨水是否一/文在經(jīng)濟(jì)案件特別是合同類案件中,爭(zhēng)議的焦點(diǎn)往往是簽名蓋章、文字條款真實(shí)與否,檢驗(yàn)書(shū)寫(xiě)文件的墨水是否同一。應(yīng)用光譜成像技術(shù)區(qū)分同色墨水的鑒別成功率達(dá)到了85.1%。3.2.3發(fā)現(xiàn)和區(qū)分微量物物證鑒定領(lǐng)域?qū)⒘啃◇w微的痕跡物證統(tǒng)稱為微量物證,類似油漆碎片、纖維斷頭、射擊殘留物這些肉眼難以發(fā)現(xiàn)和區(qū)分的微量物證通常蘊(yùn)含著豐富的信息,能夠?yàn)閭刹槠瓢柑峁┲匾木€索和依據(jù),具有重要的檢驗(yàn)鑒定價(jià)值。使用光譜成像技術(shù)對(duì)于同色油漆和纖維的鑒別率分別達(dá)到了72%和69.9%,能夠成功顯現(xiàn)出各種深色紡織物表面所遺留射擊殘留物的形態(tài)分布狀態(tài)(圖3),為微量物證的檢驗(yàn)鑒定提供了新的技術(shù)和方法。3.2.4生物樣品的發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)證明,光譜成像技術(shù)在發(fā)現(xiàn)和定位血液、精斑、毛發(fā)等生物檢材方面具有較高的能力。4信息關(guān)聯(lián)融合證明能力的提高深入研究和應(yīng)用光譜成像技術(shù)將開(kāi)辟新一代的物證鑒定光學(xué)檢驗(yàn)方法,甚至有可能推動(dòng)物證鑒定技術(shù)學(xué)科的整體發(fā)展。傳統(tǒng)的物證鑒定工作對(duì)于同一檢材所采用的檢驗(yàn)方法比較單一,比如指紋,大多數(shù)情況下僅局限于形態(tài)檢驗(yàn),應(yīng)用光譜成像技術(shù)將實(shí)現(xiàn)由單一的檢驗(yàn)技術(shù)向成分檢驗(yàn)、形態(tài)檢驗(yàn)以及特征推斷等多元化檢驗(yàn)技術(shù)體系的轉(zhuǎn)變;并且物證鑒定應(yīng)用光譜成像技術(shù)的研究將豐富鑒定結(jié)論信息內(nèi)容,拓展物證的應(yīng)用范圍,實(shí)現(xiàn)信息關(guān)聯(lián)融合證明能力?；谕粰z材定位、發(fā)現(xiàn)以及檢驗(yàn)的一體化檢驗(yàn)結(jié)果可以直接為判斷案件性質(zhì)、分析案情、發(fā)現(xiàn)偵查線索甚至確定偵查方向提供有力證明。從技術(shù)角度分析,充分發(fā)揮光譜成像技術(shù)確定化學(xué)成分的能力,為物證鑒定提供不同物質(zhì)空間分布狀態(tài)信息,仍將是此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的重要方向。如何提高光譜成像設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取速度和分析速度、加大顯微成像景深范圍、在光譜數(shù)據(jù)壓縮與保證成像質(zhì)量之間尋找到合理的平衡等問(wèn)題是限制光譜成像技術(shù)在物證鑒定領(lǐng)域深入應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。另外,掌握不同類型光譜成像設(shè)備的核心關(guān)鍵技術(shù),研究和制造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的物化成果,降低光譜成像軟硬件設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用,實(shí)現(xiàn)光譜成像技術(shù)在全國(guó)物證鑒定機(jī)構(gòu)的普及和