高光谱成像技术在生物物证领域的研究进展_高毅.pdf

Journal of Forensic Medicine,October 2022,Vol.38,No.5高光谱成像技术在生物物证领域的研究进展高毅1，黄涛1，郝静如2，马越11.中国刑事警察学院 痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室，辽宁 沈阳 110035；2.北京市公安司法鉴定中心，北京 100054摘要：高光谱成像技术能同时获取物质的空间和光谱三维成像，在一定的空间分辨率下获取宽谱段范围内物质独特的连续特征光谱，对生物物质的精细分类和识别具有突出的优势。随着高光谱成像技术的发展，其在数据获取、图像处理及物质检验的探索过程中已经积累大量数据。作为新兴技术手段，高光谱成像技术具有独特的自身优势和广泛的应用前景，其与案件现场常见生物物证血液（斑）、唾液（斑）、精液（斑）、汗液（斑）、毛发、指甲、骨骼等结合可实现物质的快速分离、检验与鉴定。本文将介绍高光谱成像技术的基本理论及其在常见生物物证检验中的应用研究，并对各技术应用于生物物证检验与鉴定的可行性和当前发展现状进行分析，以便为新技术的开发提供理论基础，促进高光谱成像技术在相关生物检材检验中的进一步研究与发展，从而更好地服务于法医学鉴定实践。关键词：法医遗传学；生物物证；高光谱成像；血液（斑）；唾液（斑）；精液（斑）；综述中图分类号：DF795.2 文献标志码：A doi：10.12116/j.issn.1004-5619.2021.510904文章编号：1004-5619（2022）05-0640-10Research Progress of Hyperspectral Imaging Technology in Biological EvidenceGAO Yi1,HUANG Tao1,HAO Jing-ru2,MA Yue11.Key Laboratory of Trace Inspection and Identification Technology,Ministry of Public Security,Criminal Investigation Police University of China,Shenyang 110035,China;2.Beijing Public Security Judicial Expertise Center,Beijing 100054,ChinaAbstract：Hyperspectral imaging technology can obtain the spatial and spectral three-dimensional imaging of substances simultaneously,and obtain the unique continuous characteristic spectrum of substances in a wide spectrum range at a certain spatial resolution,which has outstanding advantages in the fine classification and identification of biological substances.With the development of hyperspectral imaging technology,a large amount of data has been accumulated in the exploration of data acquisition,image processing and material inspection.As a new technology means,hyperspectral imaging technology has its unique advantages and wide application prospects.It can be combined with the common biological physical evidence of blood（stains）,saliva,semen,sweat,hair,nails,bones,etc.,to achieve rapid separation,inspection and identification of substances.This paper introduces the basic theory of hyperspectral imaging technology and its application in common biological evidence examination research and analyzes the feasibility and development of biological evidence testing and identification,in order to provide a theoretical basis for the development of new technology and promote hyperspectral imaging technology in related biological examination,to better serve the forensic practice.Keywords：forensic genetics;biological evidence;hyperspectral imaging;blood（stain）;saliva（stain）;semen（stain）;review 综述 基金项目：公安部科技强警基础工作专项资助项目（2020GABJC04）；辽宁省教育厅重大科研经费资助项目（ZGXJ2020002）；痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室开放基金资助项目（KFKT201901）；中国刑事警察学院科研基金资助项目（D2019036）作者简介：高毅（1978），男，硕士，副教授，主要从事痕迹物证检验研究；E-mail：通信作者：马越，男，硕士，副教授，主要从事痕迹物证检验研究；E-mail：引用格式：高毅，黄涛，郝静如，等.高光谱成像技术在生物物证领域的研究进展J.法医学杂志，2022，38（5）：640-649.To cite：GAO Y，HUANG T，HAO J R，et al.Research progress of hyperspectral imaging technology in biological evidenceJ.Fayi-xue Zazhi，2022，38（5）：640-649.随着现代光谱技术的发展，一些新型分析手段在生物领域得到了良好应用，并逐渐拓展到法庭科学研究领域，如高光谱成像技术，可有效弥补刑事技术手段对于生物物证及时发现、提取、检验与鉴定的不足。生物物证是指能够以其生物成分和特性来证明案件事实的生物物质，包括常见的血液（斑）、精液（斑）、阴道分泌液（斑）、唾液（斑）、毛发、指甲、骨骼及内部器官组织碎块等。高光谱成像技术1是基于窄波段的影像数据技术，融合成像技术与光谱技术，探测目标的二维几何空间及一维光谱数据，同时获得采集物品的图像数据信息以及图像中每个像素点的光谱信息，即高光谱数据三维立方体2。当前高光谱成像技术发展迅速，可应用于多种物证检验与鉴定。在不同种生物物证的检验与鉴定中，近年来衍生出 CRi Nuance 光谱成像仪、超紧凑型手持式高光谱成像仪、高光谱融合处理技术、虚拟高光谱成像（virtual hyperspectral imaging，VHI）、高光谱明视场成像系统等多种高光谱成像分析技术和方法，极大程度地扩展了高光谱技术的应用。作为新一代光电检测技术，高光谱成像是一项安全、环保、前沿的光学技术，具有传统成像与光谱技术的双重优点，能同时捕获被检测物质的空间信息和光谱信息，即被测物质的外部品质和内部品质3，并同时提供实验对象的化学和物理特征，具有良好的空间分辨以及成像系统多样化、研究对象广泛化、临床诊断实用化和分析方法精准化等特征。利用高光谱成像技术对各种生物物证进行检验与鉴定时，可及时发现生物物证的存在位置并能实现无损检测4-5，既能为案件侦破提供必要的导向又能为诉讼活动提供可靠的证据支撑。当前高光谱成像技术与生物物证的结合可为侦破陈年积案和大数据时代下的新型犯罪提供新的契机，但同时也提出了新的挑战。对于仪器的性能而言，高光谱成像仪的灵敏度和空间分辨率谱段覆盖范围及信息实时处理能力尚不能满足相关技术的应用需求。高光谱成像光谱仪虽具有更多的通道数、更宽的光谱范围和更高的光谱精细度，但是每个通道对光谱的利用率和准确性并不高，这是无法实现近距离采集的主要原因6。高光谱成像技术所包含的丰富图像信息会增加数据后处理的难度，而且由于模型构建涵盖大量的样本数据会导致降维处理所需数据模型更为复杂，一定程度上也限制了高光谱成像技术在实际检测中的应用7。目前高光谱成像技术主要应用于食品安全、医学诊断、航天等领域，在生物物证领域涉足较少，相关生物物证的检验与鉴定还处于空白，伴随着高光谱成像技术不断创新与发展，未来将可在生物物证领域展现出巨大的应用潜力。1高光谱成像技术1.1 基本原理与主要构成高光谱成像兴起于20世纪80年代的光电探测技术8。高光谱成像可以在同一时间获得被测目标的图像信息和光谱信息。高光谱成像技术通过获取相邻窄光谱波段的一系列图像和重建图像的每个像素的反射光谱，可在一定的波长范围内，按照光谱分辨率将二维的平面图像连续组成一个三维数据，其包含光谱信息（波长）和二维空间信息（x行和y列）9。高光谱成像系统主要由光源、成像高光谱仪、相机、图像采集系统和计算机等组成，其中典型光源包括卤素灯、发光二极管、激光器和可调光源。光源作为光学检查系统的重要组成部分，主要负责产生光信号作为信息载体来激发照亮目标，其产生的光信号被检测物体吸收或散射后成为信息的载体，通过相机中的光谱成像仪将光信号映射到检测器上，由计算机采集、处理、分析及存储高光谱图像数据。高光谱成像系统的分辨率高，其波长范围包括紫外光、可见光、近红外光及更大波长的区域10。1.2 高光谱图像数据处理1.2.1 光谱图像数据采集依据高光谱图像采集方式的异同11，扫描可分为：（1）点扫描，也被称为搅拌扫帚法。单次扫描只能获取一个像素点的光谱，适用于检测微观对象，不适用于快速检测，且需要先进的定位硬件才可确保可重复性。（2）线扫描，每次扫描可以获得扫描线上的光谱，适用于传输带上物体的实时检测，是检测中最常用的图像采集方法。（3）区域扫描，也称为波段顺序方法或波长扫描。这种方法保持了视图的固定，扫描会在整个波段范围内重复进行，可产生一组单波段的图像，具有完整的二维单色图像信息。区域扫描的一个缺点是，不适用于移动样品或实时交付的检验。（4）单镜头法，使用一个带有一次曝光率的大面积探测器来捕获图像，可以同时记录空间信息和光谱信息，然而，其仍处于发展的早期阶段且其空间维度分辨率有限12。通常高光谱成像有 3种常见的传感模式，即反射模式、透射模式和电抗模式13。在反射模式下，探测器捕捉反射光从发光的样本中获得一个特殊的构象，通过使用反射模型检测其外部质量特征。在透射模式下，探测器位于光源的对面，并捕获透过样本的传输光线，携带有价值的内部信息，通常可用于确定固体样本的内部成分和液体物质的内部浓度。在电抗 640法 医 学 杂 志 2022年 10月 第38卷 第5期随着现代光谱技术的发展，一些新型分析手段在生物领域得到了良好应用，并逐渐拓展到法庭科学研究领域，如高光谱成像技术，可有效弥补刑事技术手段对于生物物证及时发现、提取、检验与鉴定的不足。生物物证是指能够以其生物成分和特性来证明案件事实的生物物质，包括常见的血液（斑）、精液（斑）、阴道分泌液（斑）、唾液（斑）、毛发、指甲、骨骼及内部器官组织碎块等。高