篡改(污損) 文件鑒定是文書(shū)鑒定中常規(guī)的鑒定項(xiàng)目， 是對(duì)檢材是否存在變?cè)焓聦?shí)及變?cè)靸?nèi) 容進(jìn)行檢驗(yàn)和鑒別， 或?qū)κ芪蹞p的檢材進(jìn)行整理、恢復(fù)固定、顯示和辨認(rèn)模糊或不可見(jiàn)內(nèi)容 的專門(mén)技術(shù)。篡改(污損)文件鑒定中常用的鑒定方法有宏觀 檢驗(yàn)法、顯微檢驗(yàn)法、壓痕檢驗(yàn)法和理化檢驗(yàn)檢測(cè)法等。在檢案實(shí)踐中，通常采用無(wú)損的宏 觀檢驗(yàn)法、顯微檢驗(yàn)法和壓痕檢驗(yàn)法，從形態(tài)學(xué)的角度對(duì) 文件要素的墨跡分布、色澤、壓 痕等特征進(jìn)行檢驗(yàn)。當(dāng)運(yùn)用上述檢驗(yàn)方法無(wú)法達(dá)到鑒定目的時(shí)，則需要 采用理化檢驗(yàn)檢測(cè) 法對(duì)文件要素進(jìn)一步檢驗(yàn)分析。針對(duì)上述文件要素理化特性檢驗(yàn)方法的不足，尋找一種能夠達(dá)到無(wú)損檢驗(yàn)、 可整體成像，且可操作性強(qiáng)、區(qū)分程度高的檢測(cè)分析方法十分必要。高光譜成像(HSI)是 一種采用原位分析技術(shù)識(shí)別物質(zhì)信息的方法， 具有快速、無(wú)損的特點(diǎn)。該技術(shù)是一種光譜傳 感技術(shù)，在可見(jiàn)光到近紅外的光譜范圍內(nèi)，通過(guò)核心元件分光器 進(jìn)行連續(xù)窄波分光，每個(gè) 波段進(jìn)行高分辨率的二維面陣成像，獲得完整的高光譜高清圖像序列， 具有光譜范圍大、波 段間隔小、波段信息豐富等特點(diǎn)，極大增強(qiáng)了成像的光譜分辨率和空間分辨率，可有效 彌 補(bǔ)現(xiàn)有鑒定方法的不足。該方法最初應(yīng)用于遙感 領(lǐng)域的衛(wèi)星和空間站， 目前已被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和水資源控制、軍事防御、文物保護(hù)、考古、醫(yī)學(xué)診斷、犯罪現(xiàn)場(chǎng)分析與重建、法庭科 學(xué)與食品質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域。

1 高光譜成像技術(shù)概述

HSI 技術(shù)是成像技術(shù)與光譜技術(shù)的結(jié)合，既可以通過(guò)成像技術(shù)獲取待測(cè)樣品表面高分辨率圖 像，也可以通過(guò)光譜技術(shù)檢測(cè)待測(cè)樣品成分信息。

1.1 基本原理

HSI 技術(shù)是在多光譜成像的基礎(chǔ)上， 利用光譜范圍更寬、分辨率更高的高光譜相機(jī)，采集樣 品表面的圖像信息和光譜信息， 形成數(shù)字存儲(chǔ)的圖像立方體， 同時(shí)將每個(gè)圖像中每個(gè)像素的 強(qiáng)度繪制成對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的函數(shù)， 從而在給定波長(zhǎng)下產(chǎn)生待測(cè)樣品的反射光譜曲線。高光譜圖像 類似于一疊圖像的集合， 每個(gè)圖像都是在一個(gè)狹窄的光譜帶上獲得的， 并由此生一個(gè)三維數(shù) 據(jù)集， 即圖像立方體，其由兩個(gè)空間維度(X，Y) 和一個(gè)波長(zhǎng)維度 (λ)組成。圖像立方 體沿光譜維度的每個(gè)切片被稱 為一個(gè)波段或通道， 并為每個(gè)波長(zhǎng)維度(λ) 提供了 平面的 圖像， 可以從每個(gè)單獨(dú)的像素(Xj,Yk)中獲 得光譜信息。正是基于“圖像立方體”的搭建， HSI 技術(shù)達(dá)到了“圖譜合一”。高光譜圖像是由一系列 不同波段上的圖像立方體組成， 波段范 圍涵蓋紫外 (200 ~ 400 nm) 、可見(jiàn)光(400 ~ 760nm) 、近紅外(760 ~ 2560 nm)， 波段范圍廣且波段窄(≤10-2λ )， 可獲取豐富的空間維度上的光譜信息和不同波長(zhǎng)維度上 的 圖像信息。

1.2 高光譜圖像特點(diǎn)

高光譜圖像區(qū)別于其他光譜成像的顯著特點(diǎn)在于其空間分辨率和光譜分辨率更高?？臻g分辨 率可用于衡量圖像像素之間的幾何關(guān)系，而光譜分辨率決定了圖像像素內(nèi)部的變化與波長(zhǎng)的 關(guān)系。

1.2.1 空間分辨率

空間分辨率可被定義為圖像中最小的可識(shí)別細(xì)節(jié)，是圖像中能夠區(qū)分的最小單元的尺寸或大 小， 空間分辨率的高低通常表明圖像細(xì)節(jié)的可分辨程度，常用像元大小、像解率或視場(chǎng)角來(lái) 表示。在高光譜圖像中，圖像的清晰度取決于其空間分辨率的大小，而非圖像中像素?cái)?shù)量的 多少。圖像的空間特性取決于成像傳感器自身的設(shè)計(jì)。

1.2.2 光譜分辨率

光譜分辨率可被定義為傳感器測(cè)量的光譜帶數(shù)量和光譜范圍， 其核心元件是成像傳感器。光 譜范圍較寬時(shí)，若成像傳感器捕獲的光譜帶數(shù)量較少， 其光譜分辨率仍然很低； 光譜范圍較 窄時(shí)，若成像傳感器捕獲的光譜帶數(shù)量較多， 則其光譜分辨率較高，因?yàn)槠淠軌騾^(qū)分具有相 近或相似光譜特征的成分。光譜分辨率的高低取決于成像傳感器所捕 獲的光譜帶的數(shù)量， 與光譜范圍的寬窄無(wú)關(guān)。相較于多光譜圖像， 高光譜的成像傳感器可在較廣的波段范圍內(nèi)獲 取大量連續(xù)且極窄的光譜信息， 能解析待測(cè)樣品中存在的更精細(xì)的光譜特征。

1.3 實(shí)現(xiàn)路徑

典型的高光譜成像系統(tǒng)包含物鏡、波長(zhǎng)調(diào)制器、檢測(cè)器、照明和采集系統(tǒng)等部件， 所有這些 部件可以根據(jù)檢測(cè)需求進(jìn)行調(diào)整。在文件鑒定中，高光譜成像技術(shù)為近景拍攝， 針對(duì)所檢測(cè) 樣品的特點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的成像技術(shù)，可以選擇不同的物鏡來(lái)獲得合適的空間分辨率。首先 獲取到高光譜圖像， 通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù) 處理、數(shù)據(jù)分析流程后， 再將處理后的數(shù)據(jù)應(yīng)用到篡改(污

損)文件鑒定實(shí)踐中，其實(shí)現(xiàn)路徑詳見(jiàn)圖 1。

圖 1 篡 改 (污 損 ) 文 件 鑒 定 中 高 光 譜 數(shù) 據(jù) 處 理 路 徑

2 高光譜圖像數(shù)據(jù)分析算法

高光譜圖像是由連續(xù)波段的光譜信息組成，波段較多且相鄰波段之間有著很強(qiáng)的相關(guān)性，這 使得獲取的數(shù)據(jù)在一定程度上存在冗余現(xiàn)象，而且較大的數(shù)據(jù)量為圖像的處理工作帶來(lái)了挑 戰(zhàn)。在海量數(shù)據(jù)分析運(yùn)算中， 如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分類顯得 尤為重要。本文結(jié)合篡改(污 損)文件鑒定領(lǐng)域?qū)嶋H需求，著重介紹高光譜圖像數(shù)據(jù)降維算法和數(shù)據(jù)分類算法。

2.1 高光譜圖像數(shù)據(jù)降維算法

數(shù)據(jù)降維處理的基本思路是在不改變高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的前提下，將高維空間的數(shù)據(jù)投影到二維 等低維空間中進(jìn)行分析。目前， 高光譜圖像數(shù)據(jù)降維較為常用的算法分為波段選擇和特征提 取兩大類。 波段選擇是從原始波段中選擇最有效波段來(lái) 降低數(shù)據(jù)集維度，對(duì)某一模式的測(cè) 量值進(jìn)行變換， 以突出該模式下的代表性特征。該方法可以直觀觀察獲取影像的光譜曲線并 從中選擇出文件要素中不同物質(zhì)的敏感波段， 從而較好地保留圖像中物質(zhì)的光譜特征。實(shí)踐 中，ZOHAIB 等提出一種新穎的聯(lián)合稀疏主成分分析算法，用于檢測(cè)手寫(xiě)筆跡中墨水高光譜 圖像數(shù)據(jù)的降維和特征選擇。特征提取基于各光譜波段間的重新組合和優(yōu)化，通過(guò)對(duì)原始數(shù) 據(jù)按照一定的操作函數(shù)進(jìn)行變換，以實(shí)現(xiàn)信息綜合 、特征增強(qiáng)和光譜減維的過(guò)程。常用的 特征提取算法詳見(jiàn)表 1。實(shí)踐中，數(shù)據(jù)降維處理中通常采用多種算法聯(lián)用，以達(dá)到最佳選取

效果。

表1高光譜圖像數(shù)據(jù)特征提取常用算法及特性

2.2 高光譜圖像數(shù)據(jù)分類算法

高光譜圖像分類旨在通過(guò)提取不同類別樣品 最大差異性的光譜特征，最大程度地挖掘圖像 特征， 同時(shí)通過(guò)發(fā)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)的內(nèi)涵來(lái)提高高光譜圖像的分類精度，是區(qū)分文件要素中不同

物質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。常用的分類方法詳見(jiàn)表 2。

表 2 高光譜圖像數(shù)據(jù)常用分類算法及特性

3 高光譜成像技術(shù)在篡改(污損) 文件鑒定中的應(yīng)用

成像技術(shù)是法庭科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)技術(shù) ，比如拉曼成像技術(shù)、 DESI-質(zhì)譜成像技術(shù)、紅外光 譜成像技術(shù)等，但圖像分辨率仍有待提高。高分辨率的圖像有助于抓取更多的細(xì)節(jié)信息，有 利于鑒定工作者開(kāi)展工作?，F(xiàn)階段高光譜成像系統(tǒng)在眾多領(lǐng)域已有了廣泛應(yīng)用，但在篡改(污 損)文件鑒定中的應(yīng)用仍處于探索階段?，F(xiàn)有的研究成果基本解決了以下兩方面的問(wèn)題： 一是利用設(shè)備的不斷更新，結(jié)合高光譜成像技術(shù)“圖譜合一”、數(shù)據(jù)量豐富的特點(diǎn)， 基于文件 鑒定領(lǐng)域文件要素的特性，在一定程度上提升了模糊圖像的清晰化程度，提高了文件要素物質(zhì)材料識(shí)別的準(zhǔn)確率。比如使用液晶可調(diào)諧濾光片成像設(shè)備，成功獲取到高空間分辨率、高 光譜分辨率的“雙高”光譜圖像。

二是通過(guò)更新算法抓取有價(jià)值數(shù)據(jù)。在獲取多維度、海量數(shù)據(jù)后，如何迅速識(shí)別及抓取有價(jià) 值數(shù)據(jù)，這就涉及到數(shù)據(jù)降維以及具體的數(shù)據(jù)分類方法。學(xué)者通過(guò)研究選用或者改進(jìn)已有算 法， 可分離數(shù)據(jù)中的噪聲，最大程度地降低環(huán)境、紙張背景引起的熒光干擾，減少后處理中 的數(shù)據(jù)量，使數(shù)據(jù)發(fā)揮最大功效。HSI 技術(shù)在篡改(污損) 文件鑒定中的主要應(yīng)用詳見(jiàn)表 3， 所用高光譜成像設(shè)備根據(jù)其工作原理以及實(shí)驗(yàn)需求與各種光源、光學(xué)濾光器以及光譜儀等組 合使用的高光譜成像系統(tǒng)。根據(jù)需檢文件要素種類的不同，HSI技術(shù)的應(yīng)用可具體劃分為在 字跡、印文和手印中的應(yīng)用。 HSI 技術(shù)在字跡中的應(yīng)用， 現(xiàn)階段主要用于書(shū)寫(xiě)墨水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)的 建立、顏色相似墨水的區(qū)分以及字跡是否有添加、改寫(xiě)等情形，常采用主成分分析法、最小 噪聲分離變換法進(jìn)行數(shù)據(jù)降維， 并有學(xué)者對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，建立了高效的高光譜文件成像系 統(tǒng)， 更適用于文件檢驗(yàn)領(lǐng)域的實(shí)際需求。書(shū)寫(xiě)墨水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)的建立，一方面有助于實(shí)現(xiàn)書(shū)寫(xiě)工 具的種屬認(rèn)定，為字跡是否為書(shū)寫(xiě)工具直接書(shū)寫(xiě)形成提供依據(jù)；另一方面，可從物質(zhì)成分角 度判斷文件上外觀相似的字跡是否有涂改痕跡。HSI 技術(shù)目前在印文中的應(yīng)用尚且不多， 但 在模糊印文處理方面卻有顯著研究成果。在模糊記載鑒定中可借鑒相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法， 對(duì)文件上 不易辨認(rèn)或不可見(jiàn)內(nèi)容進(jìn)行顯現(xiàn)、辨認(rèn)和識(shí)別。同時(shí)， 壁畫(huà)顏料高光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的建立， 為常 用印油、印泥高光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的建立提供了借鑒，印油、印泥高光譜數(shù)據(jù)庫(kù)可作為印文種屬認(rèn) 定的參考依據(jù)。 HSI 技術(shù)在手印中的應(yīng)用， 著重于研究各種客體表面潛在指印的顯現(xiàn)及模糊 指印的清晰化處理。常規(guī)顯現(xiàn)文件上的潛在指印時(shí)，在紙張等滲透性客體上，經(jīng)常使用茚三 酮和 DFO 溶液等化學(xué)試劑進(jìn)行顯現(xiàn)，其原理是基于化學(xué)試劑與指印中的氨基酸、皮脂等物 質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而使得潛在指印可視化。手指蘸墨捺印形成的指印，在客體表面留下可見(jiàn)墨跡紋線的同時(shí)， 也會(huì)遺留氨基酸、皮脂等物質(zhì)；復(fù)制形成的指印， 其可見(jiàn)墨跡紋線中多數(shù)只有印油或印刷材料的遺留，無(wú)氨基酸、皮脂的沉積。故氨基酸、皮脂等遺留于客體表面的物 質(zhì)是鑒別指印系捺印形成或復(fù)制形成的重要指標(biāo)。基于上述原理， HSI 技術(shù)可用于確認(rèn)文件 上待檢指印的形成方式。具體而言， 使用 HSI 技術(shù)獲取待檢指印的光譜信息，進(jìn)一步分析 光譜中是否存在因氨基酸、皮脂等物質(zhì)的影響而產(chǎn)生的峰值， 從而為待檢指印具體的形成方式提供數(shù)據(jù)圖譜支撐。

表 3 高光譜成像技術(shù)在篡改(污損)文件鑒定中的應(yīng)用

4 總結(jié)語(yǔ)展望

本文總結(jié)了 HSI 技術(shù)在篡改(污損) 文件鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用流程和范圍， 該技術(shù)可極大地提 升信息獲取的深度和廣度，且可操作性較強(qiáng)。但是， 其作為引入的一種新技術(shù)，在具體適用 方面仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先， 在獲取高光譜圖像后，目前數(shù)據(jù)預(yù)處理算法對(duì)其研究有限，而 其他算法對(duì)于文件要素的適用性及處理效果如何， 仍是未來(lái)研究中需要持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題。隨 著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，利用機(jī)器學(xué)習(xí)高光譜圖像及光譜的內(nèi)在信息和表示層次， 以達(dá)到識(shí)別文字、圖像等數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)通過(guò)調(diào)整聚類算法來(lái)提高工作效率、降低人工操 作易產(chǎn)生的誤差，也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。其次，運(yùn)用光譜信息分析文件要素的物質(zhì)成分，是 解決篡改(污損) 文件鑒定難點(diǎn)的有效途徑。比如區(qū)分噴墨打印與墨水書(shū)寫(xiě)、噴墨打印與印油蓋印等， 在很大程度上依賴于墨水的印油和墨粉的高光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建。由于文件要素材 料的多樣性以及研究的局限性， 目前國(guó)內(nèi)還未建立相關(guān)的高光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，因此亟待對(duì)其進(jìn)一 步完善。最后，篡改文件通常使用與原文件要素外觀極其相似的其他物質(zhì)材料進(jìn)行添改、掩 蓋等操作， 如何提升高光譜數(shù)據(jù)分類的精度以及與其他檢驗(yàn)檢測(cè)方法互相佐證， 也是具體應(yīng) 用中需要考慮的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

萊森光學(xué)（LiSen Optics）作為世界領(lǐng)先的光譜學(xué)解決方案提供商，是一家提供光機(jī)電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。致力于為客戶提供高品質(zhì)、專業(yè)化、精細(xì)化的光電技術(shù)服務(wù)。憑借著在光學(xué)行業(yè)中豐富的經(jīng)驗(yàn)，我們能夠?yàn)槊恳晃豢蛻簟傲可矶ㄗ觥睗M足個(gè)性化需求的光機(jī)電一體化解決方案。

審核編輯 黃昊宇