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基于高光谱成像技术的血迹形态及陈旧度研究

基于高光谱成像技术的血迹形态及陈旧度研究

四川双利合谱科技有限公司-黄宇

 

0 引言

命案现场中蕞常见的痕迹物证就是血迹。血迹作为刑事诉讼证据具有客观、稳定、广泛、复杂的特点,在法庭科学技术中一直被当作极具采信力的重要物证之一。由于血迹既具有痕迹的特点又具有物证的特点,其痕迹和物证的双重特点也充分反映出血迹在犯罪现场上的重要地位和重要作用。针对血迹的痕迹特点,通过对现场血迹的形态物理特征的测量和观察,它能反映出受害人状况和流血以后的活动路径及嫌疑人沾染现场血迹后的移动轨迹,这一切使其在犯罪现场重塑和案情分析推断中发挥出如指纹、鞋印等传统痕迹无法比拟的作用。针对其法医物证特点,利用血迹的物理及生物学特性,即血迹的陈旧度、种属、血型、性别以及DNA等参数,可实现现场血迹的来源认定。在犯罪现场血迹搜寻和定位识别检测方面己有较多的研究,但由于技术手段落后和犯罪现场复杂等因素的影响,在实际的现场实现血迹形态物理特征可视化仍存在许多困难。

随着高光谱成像技术的逐渐成熟,它己经被应用到很多领域,这些领域大到航天航空,小到医学的舌苔成像,猪肉的细菌检测等等,其功能的强大性己经渐渐显现出来,也获得了各国的重视。传统的血迹检测方法如观察法只适用于血迹较为明显的现场,而试剂法通过加入化学试剂发生化学反应达到显示血迹的目的,这会一定程度上破坏血迹中的DNA成分,为后续的法医学检测带来影响。而高光谱图像技术不仅能够分析检测血迹很明显的现场,特别是对潜在血迹也能够在不同波段进行成像,将二维图片信息与一维的光谱信息结合起来构成三维的数据立方体,由于血迹形态特征在不同波段下成像清晰度不一样,经过特征提取和图像融合可以得到清晰的血迹图像,同时得到的光谱图像可以进行血迹的生理特征如血迹陈旧度的分析。陈祖林等对血液吸收光谱的研究发现,血液在波长为578 nm, 416 nm, 278 nm处出现了高尖的吸收峰,ABO血型系统中不同血型血液的吸收光谱无明显差异,不同血型之间血液各成分的吸收、透射规律相似。李伟等应用分光光度法研究了在577 nm,416 nm,275 nm波长下大鼠右心血浆吸光度与死亡时间的关系,发现大鼠死后右心血浆在577 nm,416 nm,275 nm波长下的吸光度(n)与死亡时间呈正相关。因此基于高光谱成像技术的血迹形态特征及陈旧度的研究具有宽广的研究空间和应用前景,本研究利用不同介质上的血迹进一步分析不同介质形态特征及其血迹岁时间的变化规律。

1 材料与方法

1.1 实验仪器

实验采用四川双利合谱科技有限公司的GaiaTracer高光谱成像刑侦物检仪,光谱测定范围400-1000nm,采样间隔为0.58 nm,光谱分辨率为4nm,实验在室内进行,温度控制为20℃,以减少外界环境对光谱采集的干扰,光源采用卤钨灯,可提供215-2500 nm的紫外/可见/近红外波段的高效、高稳定性的连续输出光谱,实验数据以raw格式输出,分析软件为SpecViewENVI/IDL5.3

1.2 实验样品及平台

实验样品为手指末梢采集的新鲜血液,分别滴在不同的介质上,如光盘、白纸、木屑、红布、快递单、书籍、手机等。利用GaiaTracer高光谱成像刑侦物检仪每隔一段时间分别获取不同介质上血液的高光谱影像。整个采集过程中,光谱仪、光源、样本放置的位置固定。GaiaTracer高光谱成像刑侦物检系统的外观尺寸图和实体图如图1所示。其成像光谱仪参数如表1所示。

 

1GaiaTracer高光谱成像刑侦物检系统的外观尺寸图和实体图

 

1   GaiaSorter 高光谱分选仪系统参数

 

序号

相关参数

V10E

1

光谱范围

400-1000 nm

2

光谱分辨率

2.8 nm

3

像面尺寸

6.15×14.2

4

倒线色散

97.5nm/mm

5

相对孔径

F/2.4

6

杂散光

<0.5%

7

波段数

520

8

成像镜头

25 mm

 

1.3 高光谱图像预处理

在进行图像处理之前,先要对采集的光谱图像进行图像校正,图像校正公式如下:

(1)

式中,Rref 是校正过的图像,DNraw 是原始图像,DNwhite为白板校正图像,DNdark 是黑板校正图像。

试验得到的光谱含有由仪器和试验条件等引起的噪声,对这些噪声的处理有助于减少噪声对光谱分析的影响,突出光谱的有效信息。Savitzky-Golay (SG)平滑算法可以有效消减光谱数据中的随机噪声,消噪效果受平滑点数的影响,本文中选择SG二次多项式7点平滑对光谱数据进行处理。

结果与分析

2.1 不同介质的血迹光谱曲线图

经过黑白针校正、光谱降噪等预处理,分别获取白纸、红布、木块、红色印尼、书籍封面、快递单等六种介质上的血迹在400-1000 nm的光谱反射率,如图2A-F所示为血液滴在不同介质上1 h后的光谱曲线图。从图2A可知在白纸介质上,血迹与背景的光谱曲线在可见光差异较大,血液滴在白纸上,在可见光区域形成“两峰三谷”的现象,在590-620 nm之间形成一个陡坡,在近红外区域,血迹与白纸的变化趋势大致相同,但是反射率低于白纸。当血液滴在红布时,在400-1000 nm范围内,其光谱反射率小于红布的光谱反射率,与血液滴在白纸上相似,在590-620 nm处,红布上的血迹形成陡坡;红布在620-1000 nm范围内,形成90度“S”变化趋势,而血迹则呈缓慢上升趋势。当血液滴在木块上时,血迹在可见光区域的变化规律与血液滴在白纸上相似,也有“两峰三谷”的现象,且峰与谷的位置大致相同;然而,血液滴在木块上时,其在580-680 nm处形成的陡坡斜率小于血液滴在白纸上的陡坡斜率。当血液滴在红色字体上时,其主要区别还是在400-600 nm之间,血液滴在红色字体上时,有两峰三谷的现象,而红色字体只有一谷,如图2D所示。当血液滴在书籍封面时,以血液滴在绿皮封面为例,从图2E所示,从图形变化趋势来看,两者变化趋势相似,血迹的光谱反射率小于背景的光谱反射率,在可见光区域血迹与背景差异较大,易区分。当血液滴在快递单上时,其血迹得光谱曲线有较为明显的“两峰三谷”现象,而快递单的红色区域的光谱曲线有较为显著的一谷,位于575 nm附近,在该处,血迹也有一吸收谷,只不过谷的深度较低而已。



2  不同介质的血迹光谱曲线图

2.2 不同介质相同时间血迹的光谱曲线图

2分析了不同介质上的血迹与其背景的光谱在400-1000 nm的变化规律,从分析中可知,不同介质上的血迹与背景的光谱曲线差异显著,均能较好的区分出来。为了进一步探讨不同介质上,相同时间的血迹的光谱曲线变化规律,本节将白纸上的血迹、红布上的血迹、快递单上的血迹、书籍封面上的血迹、红色字体上的血迹以及木块上的血迹共六种不同介质的血迹进行讨论分析,探讨不同介质上血迹光谱曲线的共同之处与不同之处,如图3所示。从图3可知快递单血迹、书籍封面血迹、木块血迹、白纸血迹、红色字体血迹这五种介质上的血迹在553.45 nm处有一吸收谷;快递单血迹、木块血迹、白纸血迹、红色字体血迹这四种介质上的血迹在542.54 nm附近有一小峰值,在525.63 nm附近有一小吸收谷;白纸血迹、快递单血迹、书籍封面血迹以及木块血迹这四种介质上的血迹在505.19 nm附近有一峰值;快递单血迹、书籍封面血迹、红色字体血迹、木块血迹这五种介质在425 nm附近有一吸收谷。在400-1000 nm范围内,不同介质上的血迹都形成了“陡坡”现象,只是陡坡的位置不太相似。从分析中可知,由于介质白纸、快递单(纸质)、书籍、木块的原材料均为树木,所以这四种介质实际上其材料相似,因此,血液滴在这四种介质上,其血迹的光谱有一定的相似性,然而,虽然介质相似,但由于不同的介质上,其添加了不同的成分,如书籍封面、快递单等添加了不同的颜料,其血迹光谱及介质光谱都受到了一定程度的影响,如图2所示。

 

3 相同时间不同介质上血迹的光谱曲线图

2.3 相同介质不同时间下血迹的光谱曲线图

死亡时间(PMI)是指死后经历时间,或称死后时间间隔,即发现、检查尸体时距死亡发生时的时间间隔。PMI推断是法医命案现场首先需要解决的蕞重要问题之一。PMI的准确推断对缩小侦察领域,确定犯罪嫌疑人有无作案时间,重建案件现场等方而都有重要意义。随着科学技术的不断进步,许多法医学者应用多种技术手段研究尸体的各种指标变化,提出了多种推断PMI的方法。但由于PMI推断受到很多外界因素干扰,目前仍无很精确的方法。由于血迹形成时间与案发时间、死亡时间密切相关,故可通过判断血迹形成时间来间接地推断死亡时间。有研究表明通过检测和分析血液的散射光谱、吸收光谱和发射光谱,能获得一些反映血液状态和内部物质构成情况的信息。本节采用高光谱成像技术,通过探索不同介质上的血迹随时间的光谱变化规律,推测其与死亡时间推移的关系。

以白纸、红布两种介质上的血迹为研究对象,分析白纸血迹、红布血迹随时间的变化规律,如图4所示。从图4A中可知,白纸上的血迹随时间的变化(0 h1 h3 h20 h24 h),其在400-600 nm处仍有较为显著的“两峰三谷”的现象,但无显著变化规律;在580-640 nm范围内,不同时间段的白纸上的血迹均形成陡坡,在600-740 nm范围内,随着血迹时间的推移,其光谱反射率下降,陡坡位置发生了“红移”;在血液滴在白纸上的0-3 h内,在760 nm处有一峰,但在20-24 h内,该峰值消失。图4B为红布上的血液随时间的推移其光谱曲线的变化规律,从图中可知,在400-570 nm范围内,红布血迹并无规律变化,0-24 h内,红布血迹的光谱反射率变化差异不大,在600-1000 nm范围内,随着时间的推移,红布血迹的光谱反射率降低,与白纸上的血迹的光谱变化特征相似,在血液滴在红布上的0-3 h内,在760 nm处也有一峰值。

 

4 相同介质不同时间血迹的光谱反射率变化曲线图

 

2.4 不同介质血迹各波段光谱反射率与时间的相关性分析

以白纸血迹、红布血迹为例,分析血迹在各波段的光谱反射率与血迹时间的相关性,并综合白纸和红布的血迹光谱,探讨综合不同介质血迹的光谱反射率与血迹时间的关系,如图5所示。由于白纸血迹只有(0 h1 h3 h20 h24h5个数据,红布血迹只有(0 h1 h3 h24h4个数据,因此分析结果仅供参考。从图5可知,与血迹时间变化相关性较高的波段主要集中在600 nm以后的波段。

 

5 白纸、红布血迹各波段反射率与时间的相关性统计分析

2.5 血迹区域的快速提取分析

以快递单上的血迹为例,快速识别快递单上的血迹形态,如图6所示。根据快递单血迹的光谱特征与背景光谱特征的差异,构建差值指数,然后运用阈值分割算法获取血迹的位置的形态特征,如图6所示。

 

 

6 快递单上血迹的快速提取

 

结论

本实验利用成像高光谱技术,对白纸、红布、木块、红色印尼、书籍封面、快递单等六种介质上的血迹的进行分析,探讨其与不同介质上血迹的光谱差异,并分析白纸、红布上的血迹光谱反射率与时间推移的关系。研究发现这两种介质上的血迹随时间推移,在580-1000 nm,与死亡时间密切关系。这是由于死后呼吸及血液循环停止而导致细胞代谢异常、细胞膜结构异常、反应酶与蛋白质异常,加上实验环境中细菌的污染、血液渗透压和血液内 pH值变化作用于白细胞及补体成份而导致溶血。溶血过程使血红蛋白从细胞内释入血浆,吸光度相应的随之增加,从而反射率降低。由于时间和精力有限,本实验的研究成果仅供短期内的血迹陈旧度判断作参考,其余分析如想进一步了解欢迎随时与我们取得联系。

 

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