光学显现与图像处理抑制指纹背景

姚园园河南警察学院



光学显现与图像处理抑制指纹背景

姚园园
河南警察学院

姚园园（1980-）硕士，河南警察学院刑事科学技术系，讲师，研究方向：刑事图像技术。

本文针对指纹复杂背景的分离抑制方法，提出了将光学检验与刑事数字图像处理有机结合的方法，在刑事图像处理中解决了光学处理与计算机数字图像处理不能很好衔接的问题，有很好的实用价值。

link

评估值31万

appraisement

行业曲线

industry

point

在犯罪现场或物证上提取的指纹往往质量较差，尤其当指纹存在于复杂的背景上更加难于识别。目前的复杂背景指纹图像抑制方法主要有两大类：图像获取过程中的光学显现方法和数字图像处理方法。此两种技术分属两个不同的学科领域，技术方法缺乏良好的衔接，使得某些完全可以利用的指纹图像失去价值。打破相对独立性，将图像获取过程和图像处理融为一个整体考虑，光学显现无法解决的问题在图像处理中进一步修正，或图像处理需求的前提条件在图像获取阶段针对性的进行创造，就能极大地提高一些附着在复杂的背景上的低质量指纹的利用率。

指纹识别和鉴定准确度受指纹图像质量的影响。在犯罪现场或物证上提取的指纹往往质量较差，尤其当指纹存在于复杂的背景上更加难于识别，给特征提取与对比鉴定造成困难。研究复杂背景上的指纹提取和背景抑制的方法可以突出有效特征信息，提高指纹图像质量，最大限度使图像达到识别鉴定的条件，提高指纹的利用率。目前的复杂背景指纹图像抑制方法主要有两大类：图像获取过程中的光学显现技术和数字图像处理分离技术。对复杂背景指纹图像进行光学显现，采集记录之后，未达到检验要求的图像往往需要进行后续的数字图像处理。数字图像处理的方法起始于图像已获取之后，而缺乏图像采集之前的原始状态信息。图像采集过程与图像处理过程相对独立，技术方法缺乏完整的融合与沟通，使得某些完全可以利用的指纹图像在技术手段不能良好衔接的情况下失去价值。因此在分离指纹图像复杂背景中研究光学检验和图像处理的衔接、融合具有必要性和重要价值。

指纹图像复杂背景成因及分类

在现场中常见胶带、彩色杂志、物品的彩色包装、磁砖、水瓶等客体上的指纹需要提取，这类客体背景上杂乱的花纹、文字、色彩或材质往往会对指纹纹线记录的准确度、清晰度产生严重的干扰，继而直接影响到指纹的检验和鉴定。

指纹图像复杂背景的形成与光的作用和性质直接相关。物质的表面反射光影响物体的亮度。物体的花纹、图案、色彩在一定程度上由内反射光形成。指纹物质与附着物质形态及各部位反射光的强度和色调分布存在差异，即构成图像背景干扰。有些痕迹物的不规则形状也会导致各部位表面反射光的不同，构成图像背景形状干扰。

根据背景图案的规律性将复杂背景指纹分为规律性背景指纹和无规律复杂背景指纹。规律性背景指背景图案的分布从视觉角度具有重复性或具有一定有规则可循的稳定变化。如纺织品；纸张上有重复的图案；印刷品的油墨点迹等。根据背景图像的色彩，将复杂背景指纹分为彩色指纹彩色背景，消色指纹消色背景和彩色消色交叉背景指纹。彩色指物体既有颜色又有亮度。消色指物体只有亮度而没有颜色。

抑制指纹复杂背景的常规方法

利用光学显现法抑制指纹复杂背景

光学显现可以利用配光来抑制指纹复杂背景。配光方法使用定向反射照明法，暗视场照明法，掠入射照相法等方法改变或调整各物质的相对亮度，加大背景与痕迹的反差，抑制背景，显现指纹的细节特征。

光学显现可以利用物质对可见光、不可见光的光谱选择性来抑制指纹复杂背景。分色照相法、红外反射照相法、紫外反射照相法等方法利用不同的物质成分对光的吸收和反射特性差异，有效地增加指纹与客体之间的反差，减弱或消除多色背景图案的干扰，突出痕迹的特征。

光学显现可以利用光致发光方法抑制痕迹图像背景干扰。可见荧光照相、紫外荧光照相、红外荧光照相等方法根据指纹物质与背景物质的荧光激发光谱和荧光反射光谱的特性差异，选择适当的激发光波段和成像光波段，抑制背景。

利用数字图像处理的方法去除指纹图像复杂背景

数字图像处理的基础的方法主要有空间域处理和变换域处理两大类。在指纹图像处理中，通过减法运算能够用来消除加性的指纹图像背景干扰；图像的相除运算能够抑制乘性干扰成分，例如透射配光拍摄的指纹图像的背景干扰，拍摄时光照的不均匀而形成干扰等。根据对分离指纹背景的应用需求，还可应用图像增强技术中的灰度变换法、通道计算法等。有时直接针对二维数组本身进行空间域运算难以达到理想效果，还可以将图像转化至频率域，进行频域滤波来消除或抑制背景干扰。

上述两类方法，各有特点、各具优势。基于光学原理抑制指纹痕迹图像背景干扰的优点在于不破坏痕迹物证，但是其适用范围和抑制效果有限；通过预处理方法抑制指纹痕迹图像背景干扰可以有效地拓展光学方法的适用范围，并使抑制效果得到增强，其缺点在于有破坏痕迹物证的风险。

光学显现与数字图像处理相结合

在目前的应用中，图像采集过程与图像处理过程相对独立，导致在采集过程中未考虑图像处理的需求，使大量有用信息丢失。打破相对独立性，将图像获取过程和图像处理融为一个整体考虑，可以更好的分离指纹与复杂背景，获得采取单一方法无法达到的显现效果，但需操作者在图像采集阶段便要进行干预。

分色照相法结合通道处理

分色照相通过不同物质对可见光的光谱选择性加大指纹与背景之间的亮度反差，从而抑制背景干扰。通道的处理方法根据指纹与背景的色彩分量组成差异，加大两者的反差。两种方法的本质都是对色彩的处理，因而将两者结合起来，理论上可以获得比使用单一方法更好的效果。如报纸上的血指印，血液在波长415nm处具有峰值的吸收率，因此选用415nm紫色光照射检材，能一定程度上加大血液与背景反差。将检材采集为数字图像后，再进一步用通道将指纹尽可能分离出来。

小偏角定向反射结合通道处理、图像变换处理

使用小偏角定向反射法需在暗室环境进行，避免杂散光线摄入镜头。小偏角定向反射照明法是对定向反射法的一个变通应用，在没有半透半反射镜的情况下可以使用。例如，彩色杂志封面上的汗液指印，用小偏角定向反射照明，照明光线以小角度入射，相机在定向反射方向记录反射光的亮度分布。彩色杂志封面具有光滑表面特性，其反射光亮度较大；汗液指纹的纹线具有光泽表面特性，定向反射光亮度较低，两者成了亮度反差。这种反差不足以完全消除背景的干扰，再对拍照的图像进行通道处理进一步加大指纹纹线与背景的反差。由于相机拍摄时光轴不垂直于物证，使得拍摄结果物证产生微小变形，如对痕迹检验要求十分严格的情况下，需要使用图象处理软件对图像进行透视矫正。

偏振光照相法结合FFT变换

非金属光滑表面具有起偏振特性，其表面反射光存在混合偏振光。这类反射光容易形成无规律的干扰。利用偏振光照相可以一定程度上去掉这些无规律干扰。非金属粗糙表面又具有退偏振特性。因此非金属的光滑表面与粗糙表面在偏振镜下可以加大亮度反差，减弱背景干扰。非金属表面材质较多具有规律背景，如木材纹理、纺织品图案、纺织品经纬纹路等，可使用FFT法消除背景干扰。如纸币上的油脂指印，油脂属于光滑表面，非金属光滑表面对自然光具有一定的起偏振作用。纸币表面属于粗糙表面，不具有起偏振作用。先使用偏振光照相法加大指纹痕迹与纸币花纹背景的反差。由于纸币的背景花纹是由角度不同的平行线条组成，具有规律性，可用快速傅里叶变换加滤波的方法抑制背景。

暗视场配光法结合灰度变换

暗视场配光是光线以较小的入射角照射在被摄物体上，在垂直方向上接受物体的亮度分布。水杯表面为深色的光滑平面，能够产生定向反射，该定向反射光不能进入镜头。但汗液指纹为光泽表面，产生混合反射，有垂直分量进入镜头成像，因此记录的是深色背景下的浅色调痕迹。对于指纹检验来说，颜色非检验条件，所以灰度图像的信息量已经达到要求。而通常指纹采集获得的样本为白色背景黑色纹线，为使检材和样本一致，检材也以白色背景黑色纹线为宜。图像处理的灰度反转、去色功能可以很好的完成这一工作。

红、紫外反射法结合灰度变换处理

利用紫外反射，红外反射照相采集图像，由于光照度低，需要长时间曝光，一般所获取的图像整体曝光不足，画面亮度偏低。若全波段CCD采集系统设置较大的增益，又容易使图像产生较多噪点。要在两者之间平衡，便可采用全波段CCD采集与数字图像处理相结合的方法。如手机钻石膜上的汗渍指纹，由于独特的“钻”在可见光源照射的条件下会发出闪光，产生背景干扰，因此选用短波紫外反射照相法提取。汗潜指印属于半光滑表面，所以对短波紫外线呈混合反射，且入射角度越小垂直方向的光线强度越大，因此选用暗视场配光法，在垂直的方向接受被摄物的亮度分布，指印以亮纹线呈现在暗背景上。再将提取到的指纹利用灰度变换法进行处理，进一步加大图像反差。

指纹图像背景抑制的讨论与展望

物证照相的配光检验技术可以显著地增强指纹痕迹与背景客体之间的亮度反差，从而把潜在的痕迹显现出来并减弱或者消除背景干扰。这些方法能在一定程度上抑制背景干扰，但往往不能完全消除。在后续处理中往往较多应用通道进一步处理彩色的采集图像，用灰度变换方法处理无色的灰度图像。特种照相可以利用特殊光源来对痕迹物证进行显现和检验。但由于特种光源的感光性能较弱，往往需要长时间曝光才能将检材痕迹记录固定，表现在图像上通常曝光不足、反差微弱、明显噪点。这就需要与后续的图像灰度处理、滤波等结合起来。利用灰度非线性变换的方法加大指纹纹线部分的亮度反差，利用平滑滤波去除图像噪点。

在指纹图像提取与处理相结合的发展趋势中，图像融合将是一种有效的手段。图像融合可以使用单一传感器采集到的多波段信息或者用不同类传感器采集到的信息经过图像处理，最大限度的提取有效信息。在物证光学检验实际应用中，将可见光照相、红外反射照相、紫外反射照相、光致发光照相等不同波谱段针对同一指纹图像显示的不同的信息融合起来，将综合出更多有用的信息，更好的提取指纹，抑制背景。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.016