多光谱成像技术在文检中应用的理论与实践
发布时间：2018-07-24 09:49:16浏览次数：
摘要：近年来多光谱成像技术得到迅猛发展广泛地应用到医疗、航天、国防等领域，公安、司法鉴定用多功能光谱仪器已经成为了必不可少的基础装备，专门对文件有效性进行分析鉴定的红外文检仪已也获得了很好的应用，由于某些原因这种技术的应用在很大程度上还停留在以实验经验为主的阶段。本文旨在更为详细和系统地介绍多光谱成像技术，并介绍其在提高光谱成像分析仪器鉴定能力中的应用。 关键词：多光谱成像技术 窄带滤光片 图像增强和处理 多光谱光源 一、多光谱成像技术原理 构成文件的材质通常包括油墨、纸张、染料等有机物和能够形成记录痕迹的物质。公安、司法鉴定的目的是区分两个或多个不同材质的对象，它们可能处于连续、涂抹、覆盖、涂改等关系。这些不同种类的材质，在不同波段的光波下可能有不同的反射、吸收、透射属性或者受激发光特性，通过对经过物质调制了的光成像，从而在图像上反映出他们的差别，为文件涂抹、票证篡改、文字图形消退以及烧毁文件显现等提供了客观判别的物理基础，能够得到比宽光谱或者白光成像更为丰富的图像信息，从而通过这种光谱图像差异鉴别出原文件被破坏的情况。 下面以物质的反射特性为例说明多光谱成像技术在物质图像鉴别中的应用。假设入射光光谱能量分布I(λ)。物质A的反射特性为RAλ（I），物质B的反射特性为RBλ（I），成像系统的光谱特性为g(λ)，那么在某个光波波段(λ1,λ2)下，物质A和物质B所成的图像能量密度分布S如公式(1)所示： SA=∫g(λ)×RAλ（I）×dλ SB=∫g(λ)×RBλ（I）×dλ (1) 定义对比度为： C∝ SA－SB SA＋SB (2) 不同的物质，在其反射特征光谱在某个光波段会表现出一定的差异，而特征光谱反映了物质的基本反射、吸收特性。通过多个窄光谱波段、或者多个窄光谱的组合方式，来增加图像SA和SB的对比度，从而得出两种物质的真伪。因此，在某窄波段光（λ，λ）照射下，图像能量差别会反映这种光谱反射差异，从而形成一定的对比度的图像。通过对这种图像对比度，我们可以判别物质A和物质B的异同，提高文件的鉴别能力。 由于能量守恒关系，可知物质对于光波的作用的特性可以表现为以下表达式： I（λ）=R（λ）+A（λ）+T（λ） 其中，I（λ）为入射能量光谱分布，R（λ）为反射能量光谱分布，A（λ）为吸收能量光谱分布，T（λ）为投射能量光谱分布。由此可知入射光谱能量分布一定，当物质吸收特性不明显时，反射特性和投射特性呈互补关系；当物质不能投射光时，反射特性和吸收特性呈现互补关系。从上述的物质光谱反射特性分析关系，结合公式(3)容易推论出投射光谱特性或者吸收光谱特性的关系，因为这种作用调制形成的物质多光谱图像差异也容易理解。 通常，在红外波段和复色光的红光波段，物质的反射特性或者投射、吸收特性表现得比较明显。 另外，相对于前者，可见光的蓝紫光波段以及紫外波段，对不同的物质不但表现出反射特性、投射特性差异，而且能够激发出不同物质产生波长比激发光的波长要长的不同荧光而显现物质的差异。由于不同的物质原子结构和分子结构不同，因此不同物质产生的激发光谱有差异；这种激发特性差异是由于短波长的光子能量较强，因而和物质更高能量级别的外层电子或者构成物质的键结构发生作用而造成的。由于物质原子外层电子吸收了光子能量而造成状态不稳定，当其向能量低层跃迁时，产生波长更长的连续光谱。同时不同物质在不同激发光谱波段也会呈现出一定差异。例如近紫外光的光子激发物质时常产生可见光中的某段光波长；蓝光一般能够激发出近红外光或者更长波长的红外光。利用这种短波长光对物质激发特性的差异，选择适当的滤光镜把激发光谱滤掉，就可能形成具有一定对比度差异的图像。其激发特性如下式(4)所表示： I（λ）［R（λ）+A（λ）+T（λ）］+S（λ） (4) S=∫g（λ）×S（λ）×dλ (5) 其中S（λ）为激发光谱，λ表示被激发出射光波长，比入射激发波长要长。过滤掉式中方括号中的入射光谱能量，则成像光谱主要表现如公式(5)所示。 通常，宽光谱条件下成像系统不能够细致的表征物质成像差异，是因为在某个波段的信息差异被其他波长的成像信息掩盖了。而多光谱成像却能够通过窄带光谱选择成像或者多种光谱选择成像以及检测到人眼成像波段之外的光谱信息而发觉物质的差异。 二、文检用多光谱成像系统 宽光谱成像系统一般由宽光谱光源(多光谱)、滤光镜、宽光谱低照度特性的成像采集设备(如低照度宽光谱CCD、象增强器等)、工作台、具有图像增强和处理能力的辅助软件工具。 1. 宽光谱光源 多光谱光源可以由可调节的大功率宽光谱光源和滤光镜构成。光源应当满足以下要求： （1）光源的光谱分布与成像系统工作的光谱范围应当尽可能的相互匹配； （2）启动过程短，即接通电源后应迅速达到稳定的辐射状态； （3）光谱宽，覆盖近红外，可见光，近紫外光谱范围； （4）辐射效率高； 卤钨白炽灯在可见光和近红外光区域有丰富的辐射，而疝灯、高压短弧疝灯在近红外光谱区、可见光区域和紫外区域都有很强的辐射效率，可作为宽光谱光源。但是灯的发热效应也相当高，因此常常需要配备小型风扇使热量快速排出，从而提高灯的辐射稳定性和寿命。 2. 滤光镜 宽光谱成像系统中滤光镜是很重要的组成部分。一个方面，光源出射光束通过滤光镜进行光谱调制构成了多光谱光源。通常作为激发光源，选用紫外、深蓝、蓝色和蓝白滤光镜，经过滤光镜的光是具有一定带宽的单色光，波长较短，光子能量高，能够在红光和近红外光谱附近产生特征荧光，这对于我们在鉴定油墨、墨水、支票和钞票荧光印记等比较适用；此外，还可以选择性的适用橙红、橙黄、白光、近红外滤光镜等鉴定不同物质的反射或者投射特性。作为光源的滤光镜，要求具有一定的光谱选择性，同时要求有高的透射率，尤其是作为激发光源使用时。 另外一个方面，作为和摄像设备匹配的滤光镜，要求有高透射率和较强的选择性。所谓的宽光谱成像，主要是在成像设备上选用窄带滤光的方法获得各个谱段的特征信息的。理论上说，选用较窄的带通滤光片更为理想。目的是除去激发光源之外的光谱的背景干扰，并且使得通过的光具有一定的波长选择性，从而提高选定光谱范围内的成像对比度。通常成像设备前的滤光镜有窄带滤光片和短波截止滤光镜两种，适用于多种类型的鉴别情况。 3. 宽光谱、低照度特性的成像采集设备 为提高文检仪器的波长选择性能，成像设备应当具备宽光谱、低照度、高分辨力和高信噪比特点。 例如日本Watec公司生产的902H摄像机没有经过制冷和其他特殊处理已经能够达到靶面最低照度0.0003lx，分辨力达到570线，有效像素为44万，光谱宽度360nm~1100 nm。近些年来，低照度宽光谱CCD技术发展迅速。此外，背面减薄式CCD不但提高了CCD本身的量子效率而且拓宽了延伸向紫外的光谱响应范围，制冷CCD减少了背景噪声以及暗电流从而很大程度上降低了CCD本身的靶面照度。此外，CCD图像帧积分能够在降低图像噪声方面取得很好的效果。这些发展起来的低照度CCD技术，对于多光谱成像技术的发展是极大的促进。 4. 图像增强和处理技术 成像设备在低照度条件下形成的是灰度数字图像，带有一定的随机图像噪声，层次较差，对比度不高，因此往往需要进行采集后的图像增强和处理技术。通常进行的处理有滤波、图像对比度增强、图像亮度增强。为了提高对图像细节差异的鉴别效果，可以对图像进行伪彩色处理。此外，综合多个光谱通道的图像信息，同时表征其相对位置关系，还可以将多通道图像进行融合处理。这些图像增强和处理技术，常常成为从事鉴定工作人员的强有力的辅助工具，大大提高了操作人员对图像细节的鉴别能力。 在实际的多光谱成像文检仪器中，由于被检测文件尺寸较大(例如常常有A4左右大小的文件)，而且由于激发荧光较弱的关系，成像设备工作距离不能太高位了保证一定的通光量，因此成像用光学镜头都需要采用大视场、大相对孔径的短焦广角镜头。这种成像镜头，往往存在较大的图像畸变。在作为物证照片时，为了完整的表征和原物证原件的一致性，还需要进行图像畸变校正。畸变校正的方式有很多。采用较高倍率的变焦镜头，可以解决针对不同尺寸物证、对细节放大适当比例等问题。 三、小结 本文作者在为公安部物证鉴定中心十二处提供多光谱成像文检设备技术服务时，在实际的设计工作中发现要提高多光谱成像设备的性能，需要综合考虑一下几个方面： 1. 滤光镜光谱选择和匹配 在选择滤光镜时，并非滤光镜的光谱带宽越窄越好。选择性滤光的目的是希望能够使得不同的物质激发光或者反射(透射)调制光能够产生比较大的差异，表现为图像上的一定对比度，同时仍然需要确定其位置和形状特征所在。过窄的滤光，可能使得透过的光能量形成的成像设备上的辐照度低于其正常成像的最低容忍照度，因而光照度偏低，图像反而会层次不明晰，信噪比低。 通常设计两类滤光片：一类是带通滤光镜，光谱带宽一般为50nm左右；一类为高通滤光片，也就是从激发光源中除去波长与荧光光谱段相同的那部分光，而只接收被激发出来的长波长荧光。其方法是在激发光光源前和接收的摄像机前分别放置滤光镜。前者称为激发滤光镜，它必须滤去激发光源中的长波部分光；后者称为接收滤光镜，它必须滤去短波长的激发光，只允许通过物质本身发射的、波长长于激发光波长的荧光。由于不同波长激发荧光的效果不同，在极红区不同波段荧光强度也不相同，所以将激发光分波段激发和将红外荧光分波段观察将会产生更好的分辨效果。 2. 视场畸变校正和图像拼接 多光谱成像系统由于较强的成像光谱选择性，因此激发荧光和透射过滤光镜到达像面的光照度较低，所以一般工作距离比较短，通常在5~20cm左右。而被检测的文件尺寸可能比较大，这样，要求镜头的视场角在全局拍摄时往往达到70~80度，畸变成为一个比较严重的问题。例如，选择一般1/2inch的摄像机，由于有效像素和像面尺寸的原因，往往不能做到既清晰检测出细节特征又做到对整个较大的文件全局成像， 因此需要同一个镜头采样的对多个图像进行软件拼接。 在照度不均匀和有一定畸变的图像中，无缝拼接往往需要事先对图像进行均匀度校正和畸变校正，这样处理过后的图像才能够达到较好的拼接效果，尤其是支票纹路细节上的无缝连接。Adobe公司最新推出的phtoshop CS 9.0版本，提供了一个新的“镜头畸变校正”功能。该功能能够通过调整镜头光轴即画面实际中心校正枕形畸变和桶形畸变，并且能够很好的校正像面照度均匀性。经过实验验证，该功能在校正日本computar公司生产的HG3Z4512FCS广角变焦镜头时候效果良好。 此外，多光谱成像设备的机构设计要考虑到杂光干扰、滤光镜机构灵活性、选择微距变焦镜头。作者在选用变焦镜头时，选用了日本computar公司生产的HG3Z4512FCS。这款手动式多焦点变焦镜头视场宽，能实现4.5~12mm连续变焦。成像质量可手动调整，其最短成像距离能够小于5cm，其图像放大效果甚至高达15X以上，在处于放大位置并且进行侧光检测时，其性能在一定程度上能够达到双目体式显微镜的检测效果。
