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      視頻熒光光譜圖像技術(shù)鑒別復(fù)印紙

      2018-05-31 01:42:47陳維娜楊春松
      發(fā)光學(xué)報(bào) 2018年5期
      關(guān)鍵詞:復(fù)印紙等高線紫外光

      陳維娜, 楊春松, 楊 旭

      (1. 中國(guó)人民公安大學(xué), 北京 100038; 2. 北京華夏物證鑒定中心, 北京 100089;3. 司法部司法鑒定科學(xué)技術(shù)研究所, 上海 200042)

      1 引 言

      復(fù)印紙是適用于復(fù)印機(jī)、打印機(jī)和傳真機(jī)使用的紙張[1],紙品潔白、平整,纖維細(xì)密,挺度較高,因其具有一定的抗靜電性,也稱為“靜電復(fù)印紙”。復(fù)印紙的性能穩(wěn)定,是日常辦公中一種不可或缺的紙質(zhì)品。一些不法之徒常利用復(fù)印紙來(lái)印制反動(dòng)宣傳品、敲詐勒索信等,使復(fù)印紙成為其從事違法犯罪活動(dòng)的一種工具;此外,在經(jīng)濟(jì)類案件中,當(dāng)事方有時(shí)通過(guò)復(fù)制、換頁(yè)等方式來(lái)偽造或變?cè)旌贤f(xié)議、票證等文件材料,引發(fā)民商事糾紛,破壞金融秩序。因此,法庭科學(xué)領(lǐng)域的文件檢驗(yàn)從業(yè)人員經(jīng)常要對(duì)復(fù)印紙的種類、品牌、批次等進(jìn)行檢驗(yàn)和鑒別,確定文件材料的真?zhèn)渭皝?lái)源,進(jìn)而為偵查工作提供方向和線索,為法庭訴訟提供有力的證據(jù)。

      國(guó)內(nèi)外的文件檢驗(yàn)從業(yè)人員通常使用顯微鏡檢法、紅外光譜法、紫外-可見(jiàn)反射光譜法、掃描電鏡與電子能譜儀檢驗(yàn)法等[2-7]對(duì)復(fù)印紙的纖維種類、填料成分等進(jìn)行定性分析。但這些方法或操作復(fù)雜、或儀器設(shè)備昂貴、或損壞紙張樣品,都具有一定的局限性,在實(shí)際辦案中難以普及。復(fù)印紙中含有熒光增白劑等熒光物質(zhì),在一定波長(zhǎng)光源的激發(fā)下多數(shù)都能發(fā)射熒光;但由于不同廠家生產(chǎn)復(fù)印紙的工藝、配方以及原料來(lái)源都有可能不同,故不同復(fù)印紙樣本的熒光現(xiàn)象就可能存在差異,這就為我們利用視頻熒光光譜法檢驗(yàn)、鑒別復(fù)印紙?zhí)峁┝艘罁?jù)。

      視頻熒光光譜檢驗(yàn)法是借助視頻光譜儀(又稱文檢儀),選擇激發(fā)光譜獲得某一文件材料的最佳熒光效果,通過(guò)熒光現(xiàn)象和強(qiáng)度來(lái)鑒別可疑文件的性質(zhì)、狀態(tài)及真?zhèn)蔚囊环N準(zhǔn)確、可靠的方法[8]。由于該方法具有無(wú)損、快速且檢驗(yàn)結(jié)果直觀的優(yōu)勢(shì),在文件檢驗(yàn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,視頻光譜儀也成為法庭科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中必備的儀器設(shè)備,普及程度極廣。本文嘗試通過(guò)視頻熒光光譜檢驗(yàn)法結(jié)合圖像處理技術(shù)尋求一種更有效、更便捷的檢驗(yàn)方法,實(shí)現(xiàn)不同品牌、型號(hào)復(fù)印紙的快速、無(wú)損鑒別。

      2 實(shí) 驗(yàn)

      2.1 儀器

      英國(guó)法司特公司(Foster & Freeman)的VSC6000視頻光譜儀,配置光源有泛光源、透射光源、強(qiáng)光源、側(cè)光源(白熾燈400~1 000 nm),同軸光源、衍射光源(LED 400~700 nm),紫外光源(低壓蒸氣放電管 UV-A/B/C),反斯托克斯激發(fā)光源(閃光管 850~1 100 nm)等;監(jiān)視器為高分辨率內(nèi)置冷紅外彩色數(shù)碼攝像系統(tǒng),光譜范圍400~1 000 nm;PC系統(tǒng)和VSC6000軟件。

      2.2 樣品

      從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上采購(gòu)定量為70 g/m2、紙幅規(guī)格為A4(297 mm×210 mm)的復(fù)印紙共20種作為實(shí)驗(yàn)樣品,編號(hào)Y1~Y20;涉及15個(gè)品牌,12個(gè)生產(chǎn)廠家,詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

      表1 不同品牌的復(fù)印紙

      表1(續(xù))

      2.3 方法及工作條件

      將待檢樣品置于視頻光譜儀的載物臺(tái)上,光學(xué)放大16倍,以便清晰地觀察到紙張表面狀態(tài)和纖維分布情況;在同一樣品上隨機(jī)選擇3個(gè)不同部位,分別在長(zhǎng)波紫外光源(激發(fā)光源功率9 W、數(shù)量4個(gè),截止濾色片長(zhǎng)通可見(jiàn)、曝光時(shí)間15 ms、光圈60%)和強(qiáng)光源(激發(fā)光源尺寸50 mm、功率25 W、電壓24 V,濾色片400~570 nm、截止濾色片長(zhǎng)通715 nm、曝光時(shí)間354 ms、光圈80%)條件下獲取樣品的視頻熒光光譜圖像,對(duì)熒光現(xiàn)象、熒光強(qiáng)度進(jìn)行觀察和記錄;應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)獲取的視頻熒光光譜圖像進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。

      3 結(jié)果與討論

      3.1 紫外視頻熒光光譜分析

      在長(zhǎng)波紫外光源的工作條件下,獲取不同紙張樣品的視頻熒光光譜圖像(Video fluorescence spectroscopy,VFS)。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn):樣品Y1~Y20在UV-365 nm激發(fā)光源下均可發(fā)出藍(lán)色熒光,同一樣品的視頻熒光光譜反映一致,不同樣品間的熒光強(qiáng)弱沒(méi)有明顯差異,但熒光現(xiàn)象的表現(xiàn)不同,大體可分為4類。第Ⅰ類樣品的熒光光譜均勻、雜質(zhì)少,如Y1(圖1);第Ⅱ類樣品的熒光光譜中有長(zhǎng)短不一的纖維狀暗色區(qū)域,如Y16(圖2);第Ⅲ類樣品的熒光光譜中不僅有纖維狀暗色區(qū)域,還有大小不一的點(diǎn)塊狀暗色區(qū)域,如Y9(圖3);第Ⅳ類樣品的熒光光譜中除有部分暗色區(qū)域外,還有少量的纖維狀亮色區(qū)域,如Y17(圖4)。

      圖1 樣品Y1的UV視頻熒光光譜

      圖2 樣品Y16的UV視頻熒光光譜

      圖3 樣品Y9的UV視頻熒光光譜

      圖4 樣品Y17的UV視頻熒光光譜

      紙張樣品在紫外光源激發(fā)下發(fā)出藍(lán)色熒光的現(xiàn)象反映出這20種紙張樣品中均含有熒光增白劑。熒光增白劑是一種色彩調(diào)理劑,其作用原理是吸收光線中不可見(jiàn)的紫外線而反射出強(qiáng)的藍(lán)色光線,以彌補(bǔ)和增強(qiáng)白色物體因藍(lán)光缺損而造成的視覺(jué)上的泛黃,是造紙過(guò)程中一種常用的添加劑。部分紙張樣品紫外光視頻熒光光譜中出現(xiàn)的點(diǎn)塊狀暗色區(qū)域是造紙過(guò)程中添加的填料、膠料所致;纖維狀亮色區(qū)域或暗色區(qū)域是不同紙漿纖維的光致發(fā)光現(xiàn)象不同所引起的差異。盡管不同品牌、型號(hào)的復(fù)印紙中均含有熒光增白劑,但由于不同復(fù)印紙樣品中所用的造紙?jiān)喜煌?,因此紙張的視頻熒光光譜特性存在差異,根據(jù)上述熒光光譜的特征差異可對(duì)不同紙張進(jìn)行初步鑒別,結(jié)果見(jiàn)表2。

      表2 復(fù)印紙樣本的長(zhǎng)波紫外光分析結(jié)果

      3.2 強(qiáng)光源視頻熒光光譜分析

      由于在紫外光源激發(fā)下,紙張樣品中一些纖維物質(zhì)和填料、膠料等化學(xué)物質(zhì)不發(fā)光,導(dǎo)致部分紙張樣品中存在暗色區(qū)域,故嘗試采用強(qiáng)光源激發(fā)紙張熒光,以便進(jìn)一步對(duì)紙張的光致發(fā)光現(xiàn)象進(jìn)行探究。

      在強(qiáng)光源的工作條件下,獲取不同紙張樣品的VFS圖像,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)紙張樣品均可呈現(xiàn)出不同程度的亮色熒光,發(fā)光部位多呈點(diǎn)塊狀和纖維狀。同一紙張樣品的不同部位熒光光譜未見(jiàn)明顯差異。不同樣品的VFS圖像則呈現(xiàn)出不同的表現(xiàn),大致可分為6類:第Ⅰ類樣品的熒光光譜整體色調(diào)很暗,存在極少量且微弱的熒光點(diǎn)和條,如Y4(圖5);第Ⅱ類樣品的熒光光譜整體色調(diào)也很暗,但存在較多微弱的熒光點(diǎn)和條,如Y9(圖6);第Ⅲ類樣品的熒光光譜整體色調(diào)灰暗,存在少量的熒光點(diǎn)和條,如Y2(圖7);第Ⅳ類樣品的熒光光譜整體色調(diào)灰暗,存在較多的熒光點(diǎn)和條,如Y14(圖8);第Ⅴ類樣品的熒光光譜整體色調(diào)灰白,存在大量明亮的熒光點(diǎn)和條,如Y5(圖9);第Ⅵ類樣品的熒光光譜整體色調(diào)很亮,存在大量明亮且連成片的熒光點(diǎn)和條,如Y13(圖10)。根據(jù)VFS圖像中是否存在熒光區(qū)域以及熒光的強(qiáng)弱、分散程度、形態(tài)和面積等視頻熒光光譜特征可進(jìn)一步對(duì)復(fù)印紙樣品進(jìn)行鑒別,結(jié)果見(jiàn)表3。

      圖5 樣品Y4的強(qiáng)光源視頻熒光光譜

      圖6 樣品Y9的強(qiáng)光源視頻熒光光譜

      圖7 樣品Y2的強(qiáng)光源視頻熒光光譜

      圖8 樣品Y14的強(qiáng)光源視頻熒光光譜

      圖9 樣品Y5的強(qiáng)光源視頻熒光光譜

      圖10 樣品Y13的強(qiáng)光源視頻熒光光譜

      表3 復(fù)印紙樣品的強(qiáng)光源分析結(jié)果

      經(jīng)與長(zhǎng)波紫外光視頻熒光光譜(UV-365 nm VFS)比對(duì)分析發(fā)現(xiàn),強(qiáng)熒光可激發(fā)出紫外光條件下不發(fā)光的紙張物質(zhì)熒光。如圖11所示,樣品Y6的黃色方框標(biāo)示區(qū)域在紫外光條件下不發(fā)光,但在強(qiáng)光源條件下可以發(fā)出微弱的熒光;如圖12所示,樣品Y8在紫外光條件下那些纖維狀的暗色區(qū)域,在強(qiáng)光源條件下可以發(fā)出明亮的熒光,圖12中用黃色方框?qū)Σ糠謪^(qū)域進(jìn)行了標(biāo)識(shí)。

      圖11 樣品Y6的UV視頻熒光光譜與強(qiáng)光源視頻熒光光譜對(duì)比圖

      圖12 樣品Y8的UV視頻熒光光譜與強(qiáng)光源視頻熒光光譜對(duì)比圖

      從紫外光與強(qiáng)光源工作條件下VFS的比對(duì)中可以發(fā)現(xiàn),紫外光主要用于激發(fā)紙張中熒光增白劑的熒光,而強(qiáng)光源則主要激發(fā)紙張中纖維物質(zhì)和填料、膠料等化學(xué)品的熒光。由于不同品牌、型號(hào)的紙張所用的紙漿存在差異,造紙過(guò)程中加入的填料等濕部化學(xué)品和表面施膠的物質(zhì)種類、用量均有所不同,故強(qiáng)光源激發(fā)出的紙張樣品的發(fā)光現(xiàn)象也不相同。

      紫外光和強(qiáng)光源工作條件下均可對(duì)復(fù)印紙樣品做出快速的鑒別,主要的依據(jù)是視頻光譜中的熒光現(xiàn)象及通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的光譜形態(tài)學(xué)特征。兩種激發(fā)光源得到的VFS存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,相比而言強(qiáng)光源工作條件下的鑒別效果更佳。但不可否認(rèn)的是這兩種基于形態(tài)學(xué)的鑒別方式受主觀影響較大,同一熒光現(xiàn)象不同人可能存在不同的解讀,因此有必要結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)視頻熒光光譜進(jìn)行分析,使得鑒別結(jié)果在可視化的基礎(chǔ)上更為客觀。

      3.3 熒光光譜圖像的量化分析

      強(qiáng)光源工作條件下不同紙張樣品的熒光現(xiàn)象區(qū)分度較紫外光工作條件下更大,且VFS中的熒光強(qiáng)度、形態(tài)均存在差異,因此嘗試使用Matlab2017a科學(xué)圖形計(jì)算工作站對(duì)強(qiáng)光源工作條件下的熒光光譜圖像在可視化基礎(chǔ)上進(jìn)行量化分析。

      3.3.1 等高線分布

      根據(jù)強(qiáng)光源工作條件下獲取的紙張樣品的視頻熒光光譜圖像,按當(dāng)前色階的明暗值繪制等高線分布圖;原圖像中的色階越暗,等高線圖像中的線條顏色越深,反之則越淺;以此將視頻熒光光譜圖像賦予偽彩色,使其可視化效果更為清晰。

      通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)同一樣品復(fù)印紙的等高線分布圖相符合,不同樣品復(fù)印紙的等高線分布圖存在一定差異,主要表現(xiàn)在顏色、層次、分布位置和面積等方面。圖13是樣品Y17的等高線分布圖,以紫色和藍(lán)色為主,色調(diào)層次單一,分布位置相對(duì)集中在中心和邊緣區(qū)域;圖14是樣品Y15的等高線分布圖,圖中由外向內(nèi)可見(jiàn)紫色、藍(lán)色和綠色3層相對(duì)集中的環(huán)形區(qū)域,色調(diào)依舊以冷色為主,層次相對(duì)單一;圖15是樣品20的等高線分布圖,其中紫色、藍(lán)色、綠色和黃色呈密集分布狀,層次豐富;圖16是樣品10的等高線分布圖,圖中以暖色調(diào)黃色為主色,邊緣零星有紫色、藍(lán)色和綠色的分布。由此可見(jiàn),根據(jù)這些等高線分布特征差異可定性地對(duì)不同紙張進(jìn)行分析和鑒別,結(jié)果見(jiàn)表4。

      圖13 樣品Y17的等高線分布圖

      圖14 樣品Y15的等高線分布圖

      圖15 樣品Y20的等高線分布圖

      圖16 樣品Y10的等高線分布圖

      表4 復(fù)印紙樣品的等高線分析結(jié)果

      3.3.2 熒光強(qiáng)度分析

      將強(qiáng)光源工作條件下獲取的視頻熒光圖像轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ab模式,分別計(jì)算出各樣品3個(gè)被檢測(cè)部位的L、a、b值,對(duì)應(yīng)0~255范圍,得到紙張樣品視頻熒光的亮度信息。分析中發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)部位的L值不同,a值、b值均為128,故通過(guò)L值對(duì)紙張樣品的熒光強(qiáng)度進(jìn)行量化分析,結(jié)果見(jiàn)表5、圖17。

      對(duì)表5中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),不同紙張樣品的熒光圖像L值最低為63.28,最高為253.08,均值為138.55,標(biāo)準(zhǔn)偏差為62.08,存在明顯差異。

      由圖17可知,根據(jù)樣本Y1~Y20 VFS圖像的L值分布情況,可將20種復(fù)印紙樣品分為4類。第Ⅰ類:樣品Y1、Y4、Y6、Y9、Y11、Y12和Y17,VFS圖像中L值均低于100,熒光弱。第Ⅱ類:樣品Y2、Y3、Y8、Y14、Y15、Y16和Y20,VFS圖像中L值在100~150之間,熒光強(qiáng)度較弱。第Ⅲ類:樣品Y5和Y19,VFS圖像中L值在150~200之間,熒光強(qiáng)度較強(qiáng)。第Ⅵ類:樣品Y7、Y10、Y13和Y18,VFS圖像中L值均高于200,熒光強(qiáng)。

      表5 樣品Y1~Y20 VFS圖像的L值

      圖17 樣品Y1~Y20 VFS圖像的L值分布

      3.4 鑒別結(jié)果

      3.4.1 鑒別指標(biāo)

      通過(guò)視頻熒光光譜和圖像處理技術(shù)能夠?qū)?fù)印紙進(jìn)行檢驗(yàn),依據(jù)是不同紙張的紙漿纖維成分、添加的濕部化學(xué)品成分和膠料、色料等存在一定差異,通過(guò)視頻熒光現(xiàn)象的形態(tài)學(xué)分析、定性和量化檢測(cè),分別采用UV-365 nm視頻熒光現(xiàn)象(UV-365 nm VFS)、強(qiáng)光源視頻熒光現(xiàn)象(400~570 nm VFS)、熒光圖像等高線分布(VFS-C)和熒光強(qiáng)度量化統(tǒng)計(jì)(VFS-L)4項(xiàng)鑒別指標(biāo),可將不同品牌、型號(hào)的復(fù)印紙張大致分為4類或6類,見(jiàn)表6。

      3.4.2 鑒別結(jié)果

      綜合利用UV-365 nm視頻熒光現(xiàn)象(UV-365 nm VFS)、強(qiáng)光源視頻熒光現(xiàn)象(400~570 nm VFS)、熒光圖像等高線分布(VFS-C)和熒光強(qiáng)度量化統(tǒng)計(jì)(VFS-L)4項(xiàng)鑒別指標(biāo),對(duì)復(fù)印紙進(jìn)行系統(tǒng)分析和指標(biāo)疊加鑒別,可將20種不同品牌、不同型號(hào)的復(fù)印紙細(xì)化為12類;每一類中最多有4個(gè)樣本,最少僅1個(gè)樣本;其中復(fù)印紙樣本Y4、Y6、Y9、Y10、Y11、Y17、Y18在一定程度上實(shí)現(xiàn)了唯一性鑒別,結(jié)果見(jiàn)表7。

      表6 不同鑒別指標(biāo)下復(fù)印紙樣品分類

      表7 復(fù)印紙樣品鑒別結(jié)果

      4 結(jié) 論

      不同品牌、不同型號(hào)的復(fù)印紙中均含有熒光增白劑,但因在造紙過(guò)程中使用的原料不同,加入的填料、膠料、色料等化學(xué)成分存在差異,雖在紫外光源激發(fā)下均可發(fā)出藍(lán)色熒光,但熒光現(xiàn)象存在一定差異。根據(jù)紫外光視頻熒光現(xiàn)象的形態(tài)學(xué)特征差異可對(duì)不同紙張進(jìn)行初步鑒別。不同品牌、不同型號(hào)的復(fù)印紙組成成分不同,故在強(qiáng)光源激發(fā)下不同紙張樣品的視頻熒光特性存在形態(tài)學(xué)上的差異。據(jù)此,可將樣品Y1~Y20加以鑒別。通過(guò)繪制視頻熒光圖像的等高線分布圖,根據(jù)顏色、層次、分布位置和面積等特征差異,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)印紙樣品的可視化鑒別。通過(guò)計(jì)算不同紙張樣品視頻熒光圖像的L值,發(fā)現(xiàn)不同品牌、不同型號(hào)紙張的熒光強(qiáng)度存在明顯差異,利用L值所在區(qū)間的不同,可以對(duì)紙張樣品的熒光強(qiáng)度進(jìn)行量化分析和鑒別。綜合運(yùn)用UV-365 nm視頻熒光現(xiàn)象、強(qiáng)光源視頻熒光現(xiàn)象、熒光圖像等高線分布和熒光強(qiáng)度量化統(tǒng)計(jì)4項(xiàng)鑒別指標(biāo)可將不同品牌、型號(hào)的20種復(fù)印紙樣品分為12類,其中樣本Y4、Y6、Y9、Y10、Y11、Y17、Y18自成一類,實(shí)現(xiàn)了復(fù)印紙樣本的唯一性鑒別。

      由此可見(jiàn),使用視頻熒光光譜可以快速、清晰地觀察到不同品牌、型號(hào)紙張樣品在紫外光、強(qiáng)光源工作條件下的視頻熒光現(xiàn)象;結(jié)合圖像處理技術(shù)可對(duì)熒光強(qiáng)度和形態(tài)進(jìn)行可視化分析和量化檢驗(yàn)。視頻熒光光譜圖像處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)印紙的系統(tǒng)分析和有效鑒別,這種分析方法能夠有效地應(yīng)用于法庭科學(xué)中對(duì)于復(fù)印紙的檢驗(yàn),為案件偵破提供重要的線索和訴訟證據(jù)。

      參 考 文 獻(xiàn):

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