基于高光譜成像技術的血跡形態及陳舊度研究

基于高光譜成像技術的血跡形態及陳舊度研究

四川雙利合譜科技有限公司-黃宇

0 引言

命案現場中*常見的痕跡物證就是血跡。血跡作為刑事訴訟證據具有客觀、穩定、廣泛、復雜的特點，在法庭科學技術中一直被當作**采信力的重要物證之一。由于血跡既具有痕跡的特點又具有物證的特點，其痕跡和物證的雙重特點也充分反映出血跡在犯罪現場上的重要地位和重要作用。針對血跡的痕跡特點，通過對現場血跡的形態物理特征的測量和觀察，它能反映出受害人狀況和流血以后的活動路徑及嫌疑人沾染現場血跡后的移動軌跡，這一切使其在犯罪現場重塑和案情分析推斷中發揮出如指紋、鞋印等傳統痕跡無法比擬的作用。針對其法醫物證特點，利用血跡的物理及生物學特性，即血跡的陳舊度、種屬、血型、性別以及DNA等參數，可實現現場血跡的來源認定。在犯罪現場血跡搜尋和定位識別檢測方面己有較多的研究，但由于技術手段落后和犯罪現場復雜等因素的影響，在實際的現場實現血跡形態物理特征可視化仍存在許多困難。

隨著高光譜成像技術的逐漸成熟，它己經被應用到很多領域，這些領域大到航天航空，小到醫學的舌苔成像，豬肉的**檢測等等，其功能的強大性己經漸漸顯現出來，也獲得了各國的重視。傳統的血跡檢測方法如觀察法只適用于血跡較為明顯的現場，而試劑法通過加入化學試劑發生化學反應達到顯示血跡的目的，這會一定程度上破壞血跡中的DNA成分，為后續的法醫學檢測帶來影響。而高光譜圖像技術不僅能夠分析檢測血跡很明顯的現場，特別是對潛在血跡也能夠在不同波段進行成像，將二維圖片信息與一維的光譜信息結合起來構成三維的數據立方體，由于血跡形態特征在不同波段下成像清晰度不一樣，經過特征提取和圖像融合可以得到清晰的血跡圖像，同時得到的光譜圖像可以進行血跡的生理特征如血跡陳舊度的分析。陳祖林等對血液吸收光譜的研究發現，血液在波長為578 nm, 416 nm, 278 nm處出現了高尖的吸收峰，ABO血型系統中不同血型血液的吸收光譜無明顯差異，不同血型之間血液各成分的吸收、透射規律相似。李偉等應用分光光度法研究了在577 nm,416 nm,275 nm波長下大鼠右心血漿吸光度與死亡時間的關系，發現大鼠死后右心血漿在577 nm,416 nm,275 nm波長下的吸光度(n)與死亡時間呈正相關。因此基于高光譜成像技術的血跡形態特征及陳舊度的研究具有寬廣的研究空間和應用前景，本研究利用不同介質上的血跡進一步分析不同介質形態特征及其血跡歲時間的變化規律。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

實驗采用四川雙利合譜科技有限公司的GaiaTracer高光譜成像刑偵物檢儀，光譜測定范圍400-1000nm，采樣間隔為0.58 nm，光譜分辨率為4nm，實驗在室內進行，溫度控制為20℃，以減少外界環境對光譜采集的干擾，光源采用鹵鎢燈，可提供215-2500 nm的紫外/可見/近紅外波段的高效、高穩定性的連續輸出光譜，實驗數據以raw格式輸出，分析軟件為SpecView和ENVI/IDL5.3。

1.2 實驗樣品及平臺

實驗樣品為手指末梢采集的新鮮血液，分別滴在不同的介質上，如光盤、白紙、木屑、紅布、快遞單、書籍、手機等。利用GaiaTracer高光譜成像刑偵物檢儀每隔一段時間分別獲取不同介質上血液的高光譜影像。整個采集過程中，光譜儀、光源、樣本放置的位置固定。GaiaTracer高光譜成像刑偵物檢系統的外觀尺寸圖和實體圖如圖1所示。其成像光譜儀參數如表1所示。

圖1為GaiaTracer高光譜成像刑偵物檢系統的外觀尺寸圖和實體圖

表1   GaiaSorter 高光譜分選儀系統參數

1.3 高光譜圖像預處理

在進行圖像處理之前，先要對采集的光譜圖像進行圖像校正，圖像校正公式如下：

(1)

式中，R_ref 是校正過的圖像，DN_raw 是原始圖像，DN_white為白板校正圖像，DN_dark 是黑板校正圖像。

試驗得到的光譜含有由儀器和試驗條件等引起的噪聲，對這些噪聲的處理有助于減少噪聲對光譜分析的影響，突出光譜的有效信息。Savitzky-Golay (SG)平滑算法可以有效消減光譜數據中的隨機噪聲，消噪效果受平滑點數的影響，本文中選擇SG二次多項式7點平滑對光譜數據進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同介質的血跡光譜曲線圖

經過黑白針校正、光譜降噪等預處理，分別獲取白紙、紅布、木塊、紅色印尼、書籍封面、快遞單等六種介質上的血跡在400-1000 nm的光譜反射率，如圖2A-F所示為血液滴在不同介質上1 h后的光譜曲線圖。從圖2A可知在白紙介質上，血跡與背景的光譜曲線在可見光差異較大，血液滴在白紙上，在可見光區域形成“兩峰三谷”的現象，在590-620 nm之間形成一個陡坡，在近紅外區域，血跡與白紙的變化趨勢大致相同，但是反射率低于白紙。當血液滴在紅布時，在400-1000 nm范圍內，其光譜反射率小于紅布的光譜反射率，與血液滴在白紙上相似，在590-620 nm處，紅布上的血跡形成陡坡；紅布在620-1000 nm范圍內，形成90度“S”變化趨勢，而血跡則呈緩慢上升趨勢。當血液滴在木塊上時，血跡在可見光區域的變化規律與血液滴在白紙上相似，也有“兩峰三谷”的現象，且峰與谷的位置大致相同；然而，血液滴在木塊上時，其在580-680 nm處形成的陡坡斜率小于血液滴在白紙上的陡坡斜率。當血液滴在紅色字體上時，其主要區別還是在400-600 nm之間，血液滴在紅色字體上時，有兩峰三谷的現象，而紅色字體只有一谷，如圖2D所示。當血液滴在書籍封面時，以血液滴在綠皮封面為例，從圖2E所示，從圖形變化趨勢來看，兩者變化趨勢相似，血跡的光譜反射率小于背景的光譜反射率，在可見光區域血跡與背景差異較大，易區分。當血液滴在快遞單上時，其血跡得光譜曲線有較為明顯的“兩峰三谷”現象，而快遞單的紅**域的光譜曲線有較為顯著的一谷，位于575 nm附近，在該處，血跡也有一吸收谷，只不過谷的深度較低而已。

圖2  不同介質的血跡光譜曲線圖

2.2 不同介質相同時間血跡的光譜曲線圖

圖2分析了不同介質上的血跡與其背景的光譜在400-1000 nm的變化規律，從分析中可知，不同介質上的血跡與背景的光譜曲線差異顯著，均能較好的區分出來。為了進一步探討不同介質上，相同時間的血跡的光譜曲線變化規律，本節將白紙上的血跡、紅布上的血跡、快遞單上的血跡、書籍封面上的血跡、紅色字體上的血跡以及木塊上的血跡共六種不同介質的血跡進行討論分析，探討不同介質上血跡光譜曲線的共同之處與不同之處，如圖3所示。從圖3可知快遞單血跡、書籍封面血跡、木塊血跡、白紙血跡、紅色字體血跡這五種介質上的血跡在553.45 nm處有一吸收谷；快遞單血跡、木塊血跡、白紙血跡、紅色字體血跡這四種介質上的血跡在542.54 nm附近有一小峰值，在525.63 nm附近有一小吸收谷；白紙血跡、快遞單血跡、書籍封面血跡以及木塊血跡這四種介質上的血跡在505.19 nm附近有一峰值；快遞單血跡、書籍封面血跡、紅色字體血跡、木塊血跡這五種介質在425 nm附近有一吸收谷。在400-1000 nm范圍內，不同介質上的血跡都形成了“陡坡”現象，只是陡坡的位置不太相似。從分析中可知，由于介質白紙、快遞單（紙質）、書籍、木塊的原材料均為樹木，所以這四種介質實際上其材料相似，因此，血液滴在這四種介質上，其血跡的光譜有一定的相似性，然而，雖然介質相似，但由于不同的介質上，其添加了不同的成分，如書籍封面、快遞單等添加了不同的顏料，其血跡光譜及介質光譜都受到了一定程度的影響，如圖2所示。

圖3 相同時間不同介質上血跡的光譜曲線圖

2.3 相同介質不同時間下血跡的光譜曲線圖

死亡時間(PMI)是指死后經歷時間，或稱死后時間間隔，即發現、檢查尸體時距死亡發生時的時間間隔。PMI推斷是法醫命案現場首先需要解決的*重要問題之一。PMI的準確推斷對縮小偵察領域，確定犯罪嫌疑人有無作案時間，重建案件現場等方而都有重要意義。隨著科學技術的不斷進步，許多法醫學者應用多種技術手段研究尸體的各種指標變化，提出了多種推斷PMI的方法。但由于PMI推斷受到很多外界因素干擾，目前仍無很**的方法。由于血跡形成時間與案發時間、死亡時間密切相關，故可通過判斷血跡形成時間來間接地推斷死亡時間。有研究表明通過檢測和分析血液的散射光譜、吸收光譜和發射光譜，能獲得一些反映血液狀態和內部物質構成情況的信息。本節采用高光譜成像技術，通過探索不同介質上的血跡隨時間的光譜變化規律，推測其與死亡時間推移的關系。

以白紙、紅布兩種介質上的血跡為研究對象，分析白紙血跡、紅布血跡隨時間的變化規律，如圖4所示。從圖4A中可知，白紙上的血跡隨時間的變化（0 h、1 h、3 h、20 h、24 h），其在400-600 nm處仍有較為顯著的“兩峰三谷”的現象，但無顯著變化規律；在580-640 nm范圍內，不同時間段的白紙上的血跡均形成陡坡，在600-740 nm范圍內，隨著血跡時間的推移，其光譜反射率下降，陡坡位置發生了“紅移”；在血液滴在白紙上的0-3 h內，在760 nm處有一峰，但在20-24 h內，該峰值消失。圖4B為紅布上的血液隨時間的推移其光譜曲線的變化規律，從圖中可知，在400-570 nm范圍內，紅布血跡并無規律變化，0-24 h內，紅布血跡的光譜反射率變化差異不大，在600-1000 nm范圍內，隨著時間的推移，紅布血跡的光譜反射率降低，與白紙上的血跡的光譜變化特征相似，在血液滴在紅布上的0-3 h內，在760 nm處也有一峰值。

圖4 相同介質不同時間血跡的光譜反射率變化曲線圖

2.4 不同介質血跡各波段光譜反射率與時間的相關性分析

以白紙血跡、紅布血跡為例，分析血跡在各波段的光譜反射率與血跡時間的相關性，并綜合白紙和紅布的血跡光譜，探討綜合不同介質血跡的光譜反射率與血跡時間的關系，如圖5所示。由于白紙血跡只有（0 h、1 h、3 h、20 h、24h）5個數據，紅布血跡只有（0 h、1 h、3 h、24h）4個數據，因此分析結果僅供參考。從圖5可知，與血跡時間變化相關性較高的波段主要集中在600 nm以后的波段。

圖5 白紙、紅布血跡各波段反射率與時間的相關性統計分析

2.5 血跡區域的快速提取分析

以快遞單上的血跡為例，快速識別快遞單上的血跡形態，如圖6所示。根據快遞單血跡的光譜特征與背景光譜特征的差異，構建差值指數，然后運用閾值分割算法獲取血跡的位置的形態特征，如圖6所示。

圖6 快遞單上血跡的快速提取

3 結論

本實驗利用成像高光譜技術，對白紙、紅布、木塊、紅色印尼、書籍封面、快遞單等六種介質上的血跡的進行分析，探討其與不同介質上血跡的光譜差異，并分析白紙、紅布上的血跡光譜反射率與時間推移的關系。研究發現這兩種介質上的血跡隨時間推移，在580-1000 nm，與死亡時間密切關系。這是由于死后呼吸及血液循環停止而導致細胞代謝異常、細胞膜結構異常、反應酶與蛋白質異常，加上實驗環境中**的污染、血液滲透壓和血液內 pH值變化作用于白細胞及補體成份而導致溶血。溶血過程使血紅蛋白從細胞內釋入血漿，吸光度相應的隨之增加，從而反射率降低。由于時間和精力有限，本實驗的研究成果僅供短期內的血跡陳舊度判斷作參考，其余分析如想進一步了解歡迎隨時與我們取得聯系。