引用本文
郭晶晶, 许小京, 黎智辉, 刘芳. THEMIS紫外光谱成像仪的放大率估计及其图像的长宽比校正[J]. 刑事技术,2014,39(1): 37-39
GUO Jing-jing, XU Xiao-jing, LI Zhi-hui, LIUFang. Extrapolation of magnification factor of THEMIS UV spectral imaging system and correction of its images aspect ratio[J]. Forensic Science and Technology,2014,39(1): 37-39  
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THEMIS紫外光谱成像仪的放大率估计及其图像的长宽比校正
郭晶晶1, 许小京1, 黎智辉1, 刘芳2
1.公安部物证鉴定中心,北京 100038
2.中国人民公安大学研究生部,北京 100038

作者简介:郭晶晶(1986—),女,天津人,助理研究员,硕士,主要从事图像处理的研究和鉴定工作。

基金: 公安部物证鉴定中心基本科研业务费(NO.2012JB009)国家科技支撑计划课题(NO.2012BAK02B04)
摘要

目的 校正THEMIS紫外光谱成像仪图像的长宽比并估计系统放大率参数。方法 制作测试图片,用紫外光谱成像仪拍摄紫外光谱影像集,由图像和测试图片的差异分析出成像缺陷和放大率参数。结果 通过Photoshop测量像素值的方法测量出图像的长宽比差异,并用MATLAB算法校正,同时得出紫外光谱成像仪的放大倍率β。结论 校正后紫外光谱图像恢复了原始比例,且系统放大率β可以在恢复痕迹原始大小时发挥作用,由此获得准确的紫外光谱图像供后续光谱分析检验和研究。

关键词: 紫外光谱成像仪; 长宽比校正; 放大率估计
中图分类号:DF793.2 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2014)01-0037-03
Extrapolation of magnification factor of THEMIS UV spectral imaging system and correction of its images aspect ratio
GUO Jing-jing, XU Xiao-jing, LI Zhi-hui, LIUFang
Abstract

Objective To establish a method for correcting images aspect ratio of the THEMIS UV spectral imaging system and obtain the parameterβof the system.Methods Test pictures made with Adobe Photoshop were analyzed by THEMIS UV spectral imaging system. The difference of aspect ratio of images were measured and corrected with MATLAB.Results Based on differences between test pictures and images, the imaging defects and the parameterβwere obtained.Conclusion UV spectral image can be recovered to the original aspect ratio and the parameterβcan be used for recovering the original size of objects.

Keyword: UV spectral imaging system; images aspect ratio correction; extrapolation of magnification factor

光谱成像技术在物证鉴定领域具有重要作用[1], 其中紫外光谱成像技术作为光谱成像技术的一种, 也已受到广泛关注, 它可以定义为通过成像光谱仪记录被检验物体在紫外光谱范围内(200nm~400nm)密集均匀分布的多个波段单色光的反射光亮度分布或荧光亮度分析, 形成由许多单色光影像构成的紫外光谱影像集。

为了研究典型客体痕迹物质的紫外光谱特性, 进行痕迹物质检验、光谱图像数据分析、物质成分区分等物证鉴定检验工作, 本实验使用了紫外光谱成像仪(THEMIS公司), 该光谱仪在显现潜在痕迹物证、生物物证的发现与拍照等多方面有广泛的应用前景[2]。利用此紫外光谱成像仪进行了多项课题研究和物证检验鉴定, 拍摄了大量典型客体如塑料、浅色瓷砖表面的血指印、混合油汗指印的紫外光谱影像集, 这些图像数据蕴藏了丰富的信息, 是研究紫外光谱成像技术最直接的一手资料。基于这些实验, 镜头与样本之间的距离已经固定, 每次再拍摄的时候无需再调节。但是在实验过程中作者直观发现紫外光谱图像有比例误差, 而且在还原痕迹原始大小时没有光谱仪相关的参数支持, 这就需要在使用THEMIS紫外光谱成像仪的过程中, 通过分析紫外光谱图像数据来确定紫外光谱成像仪的成像误差并校正, 同时获得仪器系统放大率参数, 介绍如下。

1 实验原理

THEMIS紫外光谱成像仪的基本原理是棱镜分光色散, 内部涉及复杂光路, 本文采用简化直观的方法, 使用输出和输入图像的差异来校正其成像误差。在本文制作的测试图片作为系统已知的标准输入, 再拍摄其紫外光谱图像作为输出, 用紫外光谱图像与测试图片的差异探究紫外光谱成像系统的成像误差, 分析紫外光谱图像的数据特点, 并用软件计算校正成像缺陷, 得到系统的参数特征(见图1)。THEMIS紫外光谱成像仪原理图(见图2)。

图1 实验原理

图2 紫外光谱仪原理图

2 仪器和方法
2.1 实验仪器

紫外光谱成像仪(THEMIS公司), 由计算机图像处理软件、紫外棱镜分光光谱成像仪、全反射镜、标准工作台、全波段CCD和氘灯光源等部分组成。

光源:68942型号氘灯(德国Newport公司), 它是能够在190nm~400nm波长范围内实现稳定连续输出的高强度紫外辐射光源; 图像采集系统:HAMAMATSU的型号为C8800系列的CCD相机, 使用非机械快门、高转帧CCD芯片, 分辨率为1000× 1000像素, 高敏感CCD芯片可以感应从近紫外至近红外范围的光谱, 其12位、30Hz帧频和高信噪比的数字输出适用于微光成像主要采用延长曝光时间和降低噪声的方法, 在照度低或者拍照目标很微弱的情况下, 获得较为清晰的图像[3]; 软件:HyperVisual超光谱分析软件, 终端用户可以与紫外光谱成像仪通信以及实现对它的控制。

主要仪器参数设定为:镜头与样本之间的距离固定; 氘灯与成像镜头呈30° 角度照明; 软件扫描线数设定为300, 即每幅图像的大小为1000× 300; 曝光时间为3000ms, 即扫描图像一条线所需要的时间。拍摄一次的时间为300× 3000ms, 约为15min。

2.2 实验样本

在Photoshop中制作测试图片20张, 测试图片大小为4″× 6″见图3, 图4), 包含正方形和正圆形。利用扩印机扩印出4″× 6″的纸质照片, 待测备用。

图3 测试图片A

图4 测试图片B

2.3 实验方法

拍摄测试图片的紫外光谱图像需要暗视场条件。镜头与样本之间距离无需调节, 粗调焦后再微调焦, 多次尝试, 反复调整, 才能尽可能获得准确的焦距。整个拍摄过程时间比较长, 需要严格控制在黑暗条件下, 且不能移动测试图片, 保证整个拍摄过程的连续。按照顺序拍摄测试图片1~20的紫外光谱影像集。

2.4 实验处理

紫外光谱影像数据存储格式有BSQ:波段交叉存储, BIL:波段按行交叉存储。以上两种都是三维数据典型的存储格式, 在系统中有一个功能是给存储的数据加上一个ENVI头, 此紫外光谱数据便可以在其他三维处理软件中打开。本文将紫外光谱影像集存为BSQ格式, 并在软件中将最清晰的波段存储为BMP格式的单张图像。图5、图6为测试图片A、B(见图3, 图4)的紫外光谱图像。

图5 测试图片A紫外光谱图像

图6 测试图片B紫外光谱图像

2.4.1 校正长宽比 可以直观看出, 测试图片经过紫外光谱成像仪成像后不再是正方正圆, 而是呈现“ 压扁” 的状态, 因此可以得出紫外光谱成像仪存在一定的成像误差, 探究其原因则是由于其成像原理, 光谱仪每次扫描一条线是依靠步进电机带动的狭缝运动, 其运动不可能完全匀速, 且每次的渐进的步长也会有误差, 导致了图像最后的变形。

为了校正紫外光谱图像的长宽比, 利用在Photoshop中利用测像素值的方法, 多次测得原正方形边长成像后的长和高以及正圆成像后的横向直径和纵向直径(见表1、表2)。由多次测量取平均值的方法, 可以确定该紫外光谱成像仪成像的长宽比约为1.11。

在MATLAB中利用函数circle_1=imresize(circle, [300* 1.11, 1000]), 即给定缩放后图像的行数和列数, 用以校正图像的长宽比, 校正后的图像见图7、图8。

运行上述程序于已采集的血指纹的紫外光谱图像见图9, 得到结果见图10。经过校正图像恢复痕迹的原始比例, 保证了紫外光谱图像的准确。

表1 Photoshop测量测试图片A的长和高
表2 Photoshop测量测试图片B的横向及纵向直径

图7 测试图片A校正长宽比后结果

图8 测试图片B校正长宽比后结果

图9 血指纹紫外光谱图像

图10 校正长宽比后血指纹紫外光谱图像

2.4.2 系统放大率 每一个成像系统都有自身的系统放大率β , 知道系统的β , 才能够得到图像与拍摄目标的放大比例关系, 查阅此光谱仪的英文资料并未发现此参数, 因此本实验也意在确定系统放大率β 。如图4和图8为测试图片B和其校正长宽比后图像。还是利用在Photoshop中测量像素值的方法多次测量原始直径和成像后直径(见表3)。

表3 Photoshop测量测试图片B原始直径与成像后直径

通过取平均值的方法得出紫外成像系统的放大率β =1.6344, 即像是物的1.6344倍。在实际办案过程中, 需要恢复痕迹原大的情况时, 需要此参数。

在MATLAB中使用函数circle_2=imresize(circle_1, 1/1.6344), 即可以得到原大图像(见图11)。

图11 血指纹原大紫外光谱图像

3 讨 论

通过实验方法的确定, 利用MATLAB算法校正了在最佳拍摄条件下紫外光谱图像的长宽比并得出紫外光谱成像仪的放大倍率β , 校正THEMIS紫外光谱成像仪成像的缺陷, 更好的发挥紫外光谱成像仪在检验疑难检材中的重要作用, 为后续痕迹检验、指纹比对等检验提供更好的图像条件。在使用仪器的过程中需要通过硬件或软件来校正仪器本身的误差以确保实验结果的准确性。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 王桂强. 光谱成像检验技术[J]. 刑事技术, 2004(1): 7-12. [本文引用:1]
[2] 杨志超, 许小京. 紫外光谱成像技术在物证检验中的应用[A]. 高光谱成像技术及其应用研讨会[C]. 苏州: 中国宇航学会光电技术专业委员会. 2012: 494-496. [本文引用:1]
[3] 许小京, 林景. 全波段物证检验CCD系统在刑事摄影技术领域的应用[J]. 影像技术, 2003(3): 35-39. [本文引用:1]