CN112464017B - 一种红外物证提取仪、光谱特征库建立方法和利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外物证提取仪、光谱特征库建立方法和利用方法，本发明的提取仪包括主机；主机包括红外光谱成像系统、快速处理系统、控制单元、存储单元和通讯单元；红外光谱成像系统用于采集不同波长下的目标场景图像；控制单元用于控制红外光谱成像系统的工作；快速处理系统用于循环存储红外光谱成像系统采集的原始图像，并对存储的图像进行数据处理；存储单元用于存储原数始图像、处理过的图像以及物证光谱特征库数据；通讯单元负责与控制终端进行无线通信。本发明有效实现了装备小型化，且能够实现快速的区域成像及快速获取有用的光谱信息，可在现场快速提取具有红外光谱特征的物质，极大提高了物证提取的效率，为案情侦破节约了时间。
Description
技术领域
本发明属于物证提取技术领域，具体涉及一种红外物证提取仪、光谱特征库建立方法和利用方法。
背景技术
案事件现场物证的快速提取对案情的快速侦破非常重要，为案情研判和物证鉴定提供了前提基础。目前刑侦现场采用了紫外拍照、多波长拍照，多角度摄影等无损光学拍照方式对指纹、血迹、体液等生物物证进行显示提取。紫外拍照主要依据生物有机分子的荧光效应，大部分有机物质的荧光非常微弱，只有具有刚性平面结构和大离域π键的少数有机分子才有较强的荧光。另外，纵使具有强荧光的有机物，还往往因为其在目标物证中的含量偏少，导致荧光强度不够，从而无法获取清晰的图像，因此紫外拍照应用范围有一定的局限性。多波长拍照主要工作在可见及近红外谱段，主要区分同色异谱的物质，此谱段范围内物质光谱的特征性不强，很难作为物质定性的依据。多角度摄影利用的是不同材质的偏振特性，区分的是表面材质的粗糙度、纹理走向、电导率等宏观性质，如拍摄光滑表面上的手指印，在一定的光照和拍摄角度下可以得到清晰的图像。
传统的刑事影像技术只记录了光学信号中的光强信息，而牺牲了能够反映物证光学特性的光谱信息。光谱分析技术则牺牲了检材的空间信息，很多对案件侦查有重要意义的证据没有得到充分利用。光谱成像技术具备了检测物质光谱且同时记录其空间分布状态的能力，被美国FBI和FSS认为是“物证形态检验与物证成分检验完美结合”。红外光谱可以获得分子振动或转动信息，不同的分子结构和官能团往往具有其特征的振动能级或转动能级跃迁的红外吸收，这些吸收形成的谱线常常作为分子指纹，可以用于物质的定性分析，因此红外光谱成像可以同时获得物质的定性、形貌和位置信息，在物证提取中具有广泛的应用前景。
用于现场物证提取的红外光谱成像装备需要具备如下特性：装备小型化，易于携带和使用；能够实现快速的区域成像及快速获取有用的光谱信息；能够灵活改变工作状态，实现多种物证的搜索；相对稳定准确的结果，保证结论的可靠性。然而目前，还没有装备兼具上述所有特性，仅有一些大型的实验室装备可以利用红外光谱成像技术对物证进行提取分析。
发明内容
为了克服现有物证提取装备存在的缺陷，本发明提供了一种红外物证提取仪。
本发明通过下述技术方案实现：
一种红外物证提取仪，本发明的提取仪包括主机；
所述主机包括红外光谱成像系统、快速处理系统、控制单元、存储单元和通讯单元；
所述红外光谱成像系统用于采集不同波长下的目标场景图像；
所述控制单元用于控制所述红外成像系统的工作；
所述快速处理系统用于循环存储所述红外光谱成像系统采集的原始图像，并对存储的图像进行数据处理；
所述存储单元用于存储原始图像、处理过的图像以及物证光谱特征库数据；
所述通讯单元负责与控制终端进行无线通信。
本发明通过上述红外物证提取仪特定的整体结构、工作流程及数据处理，能够有效实现了装备小型化，易于携带和使用，且能够实现快速的区域成像及快速获取有用的光谱信息，可在现场快速提取具有红外光谱特征的物质，极大提高了物证提取的效率，为案情侦破节约了时间；能够灵活改变工作状态，实现多种物证的搜索，同时获得相对稳定准确的结果，保证结论的可靠性。
优选的，本发明的红外光谱成像系统由红外镜头、可调滤光器和红外相机组成；
所述快速处理系统由缓存单元和处理单元组成；
所述红外相机拍摄的单张图像数据和输入的波长、时间、位置及案情信息合并，生成单张打标的原始光谱图像数据流；
所述原始光谱图像数据流同时写入所述存储单元和所述缓存单元；
所述存储单元采用连续写入的模式，所述缓存单元采用循环写入的模式。
优选的，本发明的处理单元周期性地从所述缓存单元中读取一个完整的原始光谱图像序列；
所述处理单元对读取的原始光谱图像序列进行数据处理，生成目标光谱曲线、打标的光谱处理结果图片；
所述处理单元将处理结果连续写入所述存储单元；
所述处理单元还将处理结果发送到所述通讯单元。
优选的，本发明的处理单元在用于生成光谱特征时将处理结果写入所述物证光谱特征库；
所述处理单元在用于现场提取物证时将从所述物证光谱特征库中读取该物证的数据。
优选的，本发明的通讯单元将所述快速处理系统的处理结果发送给所述控制终端；
所述通讯单元实时接收所述控制终端发送来的控制指令；
所述控制终端对接收到的处理结果进行实时显示和/或存储。
优选的，本发明的提取仪利用物证的红外光谱特征作为物证提取的依据，具备物证光谱特征库建立及依据光谱特征库现场提取两种工作模式。
优选的，本发明的主机还包括照明光源；
所述照明光源给予目标场景提供均匀的红外光照明；
所述照明光源与所述红外光谱成像系统的协同工作由所述控制单元控制。本发明通过设置主动红外光源照明，可以有效降低环境光的影响，获得较高准确度的红外光谱图像，提高了识别的准确性。
优选的，本发明的主机还包括供电单元；
所述供电单元负责为电器件供电。
另一方面，本发明还提出了一种基于上述红外物证提取仪的光谱特征库建立方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，将已知的典型物证和一块光学白板同时放置于所述红外光谱成像系统的视场中，所述红外光谱成像系统连续采集工作全谱段内的光谱图像；
步骤S2，通过所述快速处理系统对每张光谱图像进行处理得到目标物证的归一化反射率；
步骤S3，将所有波长下目标物证的归一化反射率绘制成光谱曲线图，并从光谱曲线图中选取强吸收或高反射的一些波长作为该物证的特征波长序列；
步骤S4，将该物证的特征波长序列中每个波长的归一化反射率除以第一特征波长的归一化反射率得到该物证的特征值序列；
步骤S5，输入名称、编号、特征波长序列及特征值序列，建立该物证的光谱特征库信息。
此外，本发明还提出了一种基于上述红外物证提取仪的光谱特征库利用方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，选择一种需要提取的物证，通过所述通讯单元接收到控制命令，所述快速处理系统将查询该物证在光谱特征库中的信息，并依据该物证的特征波长序列将所述红外光谱成像系统的工作波长序列设置为相同值；
步骤S2，通过所述红外光谱成像系统完成对应波长序列的原始光谱图像采集，并在原始光谱图像上标记白板的位置后，通过所述快速处理系统计算每个像元位置的特征值序列；
步骤S3，判断像元位置的每个特征值相对于目标物证的对应特征值的相对偏差是否均小于阈值，如果是则判定该像元为待提取物证，并记录其像元坐标；
步骤S4，选定图像相对清晰的某个波长的原始光谱图像，对图像上记录像元坐标位置赋彩色，其他保留原灰度值，得到彩色突显目标物证的图片。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明的提取仪基于红外光谱成像，通过采集典型物证的红外光谱图像并经过分析处理，建立物证光谱特征库；该提取仪现场使用时，根据需提取的物证种类，自动调整自身的工作参数，完成数据采集及分析处理，同时能够在采集的图像上对目标物证加以突出显示，实现相应物证位置分布和轮廓形貌的快速提取。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的红外物证提取仪主机结构框图。
图2为本发明的红外物证提取仪控制终端结构框图。
图3为本发明的红外物证提取仪工作方式图。
图4为本发明的红外物证提取仪工作流程图。
图5为本发明的红外物证提取仪工作场景图。
图6为本发明的物证光谱特征库建立示例图。
图7为本发明的物证光谱特征库结构示例图。
图8为本发明的物证提取的具体流程示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-主机，101-红外镜头，102-可调滤光器，103-红外相机，104-照明光源，105-控制单元，106-信息单元，107-存储单元，108-缓存单元，109-处理单元，110-无线通讯单元，111-供电单元，2-控制终端，201-显示单元，202-终端存储单元，203-终端无线通讯单元。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
相较于现有的物证提取设备，本实施例提出了一种红外物证提取仪，本实施例的红外物证提取仪利用物证的红外光谱特征作为物证提取的依据，具备物证光谱特征库建立及依据光谱特征库提取目标物证的功能，可实现案事件现场一定类别物证位置分布及形貌轮廓信息快速获取。
本实施例的红外物证提取仪的硬件主要由主机1和控制终端2两部分组成，两者通过无线网络通讯，可由两个人分别单独操作。本实施例的主机1专注于移动位置和保护现场，本实施例的控制终端2专注于物证的发现提取。
具体如图1所示，本实施例的主机1包括由红外镜头101、可调滤光器102和红外相机103组成的红外光谱成像系统、由缓存单元108和处理单元109组成的快速处理系统、控制单元105、存储单元107和无线通讯单元110。
具体如图3所示，本实施例的红外光谱成像系统中的红外相机103采集不同波长下的目标场景图像；控制单元105用于控制红外成像系统的工作；缓存单元108用于循环存储一段红外相机103采集的原始图像，处理单元109对缓存单元108中存储的图像进行数据处理；存储单元107用于存储原始图像、处理过的图像以及物证光谱特征库数据；通讯单元110负责与控制终端2进行无线通信。
本实施例红外物证提取仪工作时，红外相机103拍摄的单张图像数据和信息单元106提供的波长、时间、位置及案情等信息合并，生成单张打标的原始光谱图像数据流；该原始光谱图像数据流同时写入存储单元107和缓存单元108，存储单元107采用连续写入的模式，缓存单元108采用循环写入的模式。处理单元109周期性地读取缓存单元108中一个完整的原始光谱图像序列并对其进行数据处理，生成目标光谱曲线、打标的光谱处理结果图片等处理结果。当处理单元109用于生成物证光谱特征时，则将处理结果写入物证光谱特征库；当处理单元109用于提取某物证，将从特征库中读取该物证的数据。处理单元109的处理结果将连续写入存储单元107，同时还将处理结果发送到无线通讯单元110；无线通讯单元110将结果发送到控制终端2，并可实时接收控制终端2发送来的控制（提取）指令。
本实施例的红外镜头101依据一起的工作谱段可以选择现有的近红外、中红外或远红外镜头；可调滤光器102可选用现有的声光可调滤光器、液晶可调滤光器等电控可调滤光器；红外相机103依据仪器谱段可以选择现有的近红外、中红外或远红外相机。
本实施例的控制单元105可以集成为一个电路板，以发送脉冲或电平信号的方式控制可调滤光器、红外相机及红外光源的工作状态。
本实施例的存储单元107可以是硬盘、Flash存储板及存储卡等存储器件。
本实施例的缓存单元108可以采用目前的闪存材料，处理单元109可以选用CPU、GPU或FPGA等处理芯片系统。
本实施例的无线通讯单元110可以采用WIFI器件或移动通讯器件。
本实施例的主机1通过信息单元106可以包括GPS、北斗等定位、授时部件，还可以包含一个信息表格，用于记录案件、人员、环境等信息。
本实施例的主机1还包括一个照明光源104，给予目标场景均匀的红外光照明，照明光源104可以采用在一般红外光源前加匀化镜的方式。
本实施例的主机1还包括一个供电单元111，负责为电器件提供电力，供电单元111可以采用现有的大容量电池或电池组。
具体如图2所示，本实施例的控制终端2包括显示单元201、终端存储单元202和终端无线通讯单元203。本实施例的终端无线通讯单元203负责向主机1发送一系列工作指令及接收来自主机1的信息反馈和处理结果，处理结果将实时显示在终端的显示单元201上，同时可以依据情况选择是否写入到终端存储单元202中。
本实施例的显示单元201可采用液晶显示器等显示器件产品，终端存储单元202可以是硬盘、Flash存储板及存储卡等存储器件，终端无线通讯单元203可以采用WIFI器件或移动通讯器件。
本实施例的红外物证提取仪具备光谱特征库建立及依据光谱特征库提取两种工作模式，具体如图4所示，当处于物证光谱特征库建立工作模式时，则通过采集典型物证的红外光谱图像并经过分析处理，建立物证光谱特征库；当处于物证提取工作模式时，则根据需提取的物证种类，自动调整自身的工作参数，完成数据采集及分析处理，在拍摄图像上对目标物证加以突出显示，实现相应物证位置分布和轮廓形貌的快速提取。
本实施例的光谱特征库建立方法采集典型物证宽谱范围内的连续光谱曲线，通过分析选取光谱曲线上一些特定波长作为该物证的特征波长序列，将这些波长处归一化反射率除以第一个特征波长的归一化反射率得到数值序列，以该数值序列作为该物证的特征值序列。最后，以物证名称、编号、特征波长序列及特征值序列等内容作为物证光谱特征库信息。具体过程包括：
红外物证提取仪的工作场景如图5所示，提取仪的红外光源均匀地照亮前方的一定区域，该区域面积稍大于光学成像系统的视场，视场中的物体反射的红外光进入光学成像系统后生成数字图像。为建立物证光谱特征库，可将已知的典型物证放置于视场中，并在其旁边放置一块光学白板，物证提取仪连续采集工作全谱段内的光谱图像。针对每张光谱图像进行如下处理得到目标物证的归一化反射率。
例如在第i个波长的光谱图像上，读取物证m个像素的灰度值，按下面的公式计算物证的灰度平均值。
式中，
为物证m个像素中的某一像素的灰度值。
读取光学白板n个像素的灰度值，按下面的公式计算白板的灰度平均值。
式中，
为白板n个像素中的某一像素的灰度值。
将物证的灰度平均值除以白板的灰度平均值得到物证在第i个波长的归一化反射率。
将所有波长下目标物证的归一化反射率绘制成图6所示的光谱曲线图，根据光谱学的专业知识，选取强吸收或高反射的一些波长作为该物证的特征波长序列。
将物证特征波长序列中每个波长的归一化反射率除以第一个特征波长的归一化反射率得到该物证的特征值序列。
式中，
为物证特征波长序列中某个波长的归一化反射率，
为第一个特征波长的归一化反射率。
在建立该物证的光谱特征库时，将输入名称、编号、特征波长序列及特征值序列，得到如图7所示的物证光谱特征库。数据库检索时以物证名称或编号为索引，返回该物证的在光谱特征库中的全部信息。
本实施例的目标物证提取方法可选择一种待提取物证，依据该物证在物证光谱特征库中的信息，自动设定提取仪的工作参数，拍摄的原始图像可打标时间、位置、波长及案情等信息，保证物证原始资料的完整性，图像经过处理后，将通过彩色在图像上突显目标物证，方便获取该物证的位置分布和轮廓形貌。具体过程如图8所示，包括：
在建立了典型物证的光谱特征数据库后，红外物证提取仪就可以对相关物证进行现场提取。其工作场景与图5类似，在需要提取物证的区域放置一块光学白板，用提取仪主机对该区域进行拍摄。
第一步由控制终端操作者选择一种需要提取的物证，控制终端将命令发送到提取仪主机，提取仪主机将查询该物证在光谱特征库中的信息，依据该物证的特征波长序列将可调滤光器的工作波长序列设置为相同值。
提取仪主机将完成对应波长序列的原始光谱图像采集，在人工标记白板的位置后，提取仪将通过快速处理系统计算每个像元位置的特征值序列。
式中，
为第k个特征波长光谱图像中坐标为（x，y）的像元的灰度值，
为第k个特征波长光谱图像中白板的平均灰度值，
为第1个特征波长光谱图像中坐标为（x，y）的像元的灰度值，
为第1个特征波长光谱图像中白板的平均灰度值。
设定一个阈值
，若像元位置的每个特征值相对于目标物证对应特征值的相对偏差均小于该阈值，则判定该像元为待提取物证，并记录其像元坐标。
选定图像相对清晰的某个波长的原始光谱图像，对图像上记录像元坐标位置赋彩色，其他保留原灰度值，得到彩色突显目标物证的图片。提取仪主机将该图片发送到控制终端，控制终端的显示单元将其呈现给操作人员。操作人员将获得目标物证在该区域的位置分布及轮廓形貌信息，从而进一步指导物证采样和案情研判。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于红外物证提取仪的光谱特征库利用方法，其特征在于，该提取仪包括主机（1）；
所述主机（1）包括红外光谱成像系统、快速处理系统、控制单元（105）、存储单元（107）和通讯单元（110）；
所述红外光谱成像系统用于采集不同波长下的目标场景图像；
所述控制单元（105）用于控制所述红外成像系统的工作；
所述快速处理系统用于循环存储所述红外光谱成像系统采集的原始图像，并对存储的图像进行数据处理；
所述存储单元（107）用于存储原始图像、处理过的图像以及物证光谱特征库数据；
所述通讯单元（110）负责与控制终端（2）进行无线通信；
所述光谱特征库的建立过程包括：
步骤S1，将已知的典型物证和一块光学白板同时放置于所述红外光谱成像系统的视场中，所述红外光谱成像系统连续采集工作全谱段内的光谱图像；
步骤S2，通过所述快速处理系统对每张光谱图像进行处理得到目标物证的归一化反射率；
步骤S3，将所有波长下目标物证的归一化反射率绘制成光谱曲线图，并从光谱曲线图中选取强吸收或高反射的一些波长作为该物证的特征波长序列；
步骤S4，将该物证的特征波长序列中每个波长的归一化反射率除以第一特征波长的归一化反射率得到该物证的特征值序列；
步骤S5，输入名称、编号、特征波长序列及特征值序列，建立该物证的光谱特征库信息；
所述光谱特征库利用方法包括：
步骤S11，选择一种需要提取的物证，通过所述通讯单元（110）接收到控制命令，所述快速处理系统将查询该物证在光谱特征库中的信息，并依据该物证的特征波长序列将所述红外光谱成像系统的工作波长序列设置为相同值；
步骤S12，通过所述红外光谱成像系统完成对应波长序列的原始光谱图像采集，并在原始光谱图像上标记白板的位置后，通过所述快速处理系统计算每个像元位置的特征值序列；
步骤S13，判断像元位置的每个特征值相对于目标物证的对应特征值的相对偏差是否均小于阈值，如果是则判定该像元为待提取物证，并记录其像元坐标；
步骤S14，选定图像相对清晰的某个波长的原始光谱图像，对图像上记录像元坐标位置赋彩色，其他保留原灰度值，得到彩色突显目标物证的图片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述红外光谱成像系统由红外镜头（101）、可调滤光器（102）和红外相机（103）组成；
所述快速处理系统由缓存单元（108）和处理单元（109）组成；
所述红外相机（103）拍摄的单张图像数据和输入的波长、时间、位置及案情信息合并，生成单张打标的原始光谱图像数据流；
所述原始光谱图像数据流同时写入所述存储单元（107）和所述缓存单元（108）；
所述存储单元（107）采用连续写入的模式，所述缓存单元（108）采用循环写入的模式。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述处理单元（109）周期性地从所述缓存单元（108）中读取一个完整的原始光谱图像序列；
所述处理单元（109）对读取的原始光谱图像序列进行数据处理，生成目标光谱曲线、打标的光谱处理结果图片；
所述处理单元（109）将处理结果连续写入所述存储单元（107）；
所述处理单元（109）还将处理结果发送到所述通讯单元（110）。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述处理单元（109）在用于生成光谱特征时将处理结果写入所述物证光谱特征库；
所述处理单元（109）在用于现场提取物证时将从所述物证光谱特征库中读取该物证的数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通讯单元（110）将所述快速处理系统的处理结果发送给所述控制终端（2）；
所述通讯单元（110）实时接收所述控制终端（2）发送来的控制指令；
所述控制终端（2）对接收到的处理结果进行实时显示和/或存储。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提取仪利用物证的红外光谱特征作为物证提取的依据，具备物证光谱特征库建立及依据光谱特征库现场提取两种工作模式。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述主机（1）还包括照明光源（104）；
所述照明光源（104）给予目标场景提供均匀的红外光照明；
所述照明光源（104）与所述红外光谱成像系统的协同工作由所述控制单元（105）控制。
8.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述主机（1）还包括供电单元（111）；
所述供电单元（111）负责为电器件供电。
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