什么是光谱成像，光谱成像检验技术的发展和前景

摘要：光谱成像组合了光谱技术和成像技术。通过运用成像光谱仪，光谱成像方法可以记录被检验物体在一个较宽光谱范围内均匀密集分布的窄波段反射光或荧光亮度分布影像，形成含有物体亮度信息和光谱信息的光谱影像集。这种技术方法可以用于物证的形态特征检验和物质成分检验。相对传统光谱检验或成像检验技术，光谱成像检验的能力和效果都具有明显优势。  

1光谱成像概念

光谱成像(SpectralImaging)是通过成像光谱仪记录被检验物体在一定光谱范围内密集均匀分布的多个窄波段单色光的反射光亮度分布或荧光亮度分布，形成由许多单色光影像构成的光谱影像集。

光谱成像组合了光谱技术和数字成像技术，其装置由液晶可调波长滤光镜(LCTF)、数字CCD照相机、照明光源和计算机及专用软件组成(图1)，其中由计算机控制的液晶可调波长滤光镜与CCD照相机连接构成了成像光谱仪。光谱成像首先要根据检材状况和检验目的，按照光学检验原理，选择照明光源和照明条件，在检材上形成适当的反射光亮度分布或荧光亮度分布。在成像记录时，计算机控制液晶可调波长滤光镜在一定范围内依次透过预先设定的多个等间距波长位置上的窄波段单色光，使检材在各个波段的反射光或荧光透过滤光镜依次到达CCD感应器。计算机控制CCD感应器记录操作与滤光镜透过单色光操作同步进行，使CCD感应器能够记录检材在相应波段的亮度分布，并将众多单色光亮度影像储存在计算机中形成光谱成像的光谱影像集。

图1.光谱成像装置示意图 光谱成像记录的光谱影像集包含了检材物体在多幅等间隔波长位置的窄波段单色光亮度分布影像，因此这种成像技术也被称为多光谱成像或超光谱成像(HyperspectralImaging)。此外，光谱影像上任意一个像点在各个单色影像中的亮度变化，就是这个像点位置物质的光谱亮度曲线。由于这些光谱亮度曲线能够在一定程度上反映被检验物体上物质的化学成分，光谱成像又被称为“化学成像”(ChemicalImaging)。这两种名称反映的侧重点不同，光谱成像或超光谱成像强调了这种技术方法的性质和影像集信息的光谱属性，而化学成像更着重强调的是这种技术方法鉴别物质化学成分的应用。 光谱影像集的每幅单色影像记录了物体在相应波长的光亮度分布信息，单色影像的组合记录了物体在所有选定单色波段的光亮度分布信息。这些表达物体表面光谱亮度分布性质的信息可以由两个空间坐标(X，Y)和一个波长坐标(λ)构成的三维坐标描述(图2)，光谱影像集也因此被称为“光谱影像立方体”(SpectralImageCube)。此外，光谱成像记录的影像也可以被想象成为一幅特殊的，其每个像点上不仅有这个像点对应物质的亮度值信息，还含有物质光谱信息的“光谱平面影像”。

图2.光谱影像集属性示意图。

左侧为影像上任意像点的光谱亮度曲线, 右侧为在空间(X, Y)坐标和波长(λ)坐标中的“ 光谱影像立方体” 。 通过专用的计算机软件程序可以将光谱影像集包含的光谱亮度分布信息转化为反映物体亮度分布性质的结果影像或反映物质光谱性质的曲线和数据，用于物证形态特征检验或物质化学成分鉴别两种用途。

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3.5 光谱成像技术的局限性

在物证技术领域，现阶段光谱成像技术还存在一些局限性。由于目前多数成像光谱仪不是专门为物证检验应用配套的，它们的成像检验范围偏小，只能用于较小尺寸的痕迹(10～20cm)。另外一个限制因素是目前研究工作大多处于探索阶段，还需开展更多研究才能使其成为物证检验的常规手段。此外，光谱成像装置需要使用科学级的CCD数字照相机和液晶可调波长滤光镜，成本相对较高。

4 光谱成像检验技术的发展和前景

光谱成像技术的理论和技术实践已有数十年历史，但近年来液晶可调波长滤光镜的出现和数字成像技术的成熟，使这项技术的作用能力达到了一个崭新的水平。它在飞机和卫星遥感测量及工业检测等领域取得了很好的应用效果，并被尝试用于包括物证检验技术在内的更多的应用领域。 近年来，光谱成像技术开始试用于指印显现和加强、墨水种类鉴别、油漆和纤维等微量物证检验。初步的研究工作表明光谱成像技术在许多物证检验专业中具有独特的优势，显示出非常好的应用前景，但它还是一个有待进一步开发研究的领域。例如，光谱成像技术显现潜在指印的灵敏度在实验研究中显示出明显高于常规成像检验方法。无损的影像检验是物证检验领域最有吸引力和最有效的检验技术方法，在各种类型物证检验鉴定中占有重要地位。刑事影像检验方面的任何技术改善和进步，都将在物证检验实践中显示出重要的积极作用。因此，通过引入光谱成像技术提高刑事影像检验能力具有非常重要的实际意义。光谱成像技术将为刑事物证检验技术带来新的发展机遇，并很有可能在今后几年成为刑事影像技术发展的热点而倍受关注。相信经过更广泛和深入的技术和应用研究，光谱成像将被证明是物证检验领域有价值的工具。  

编辑：黄飞