潜在手印的显现步骤按照文献中的粉末显现方法进行; 稀土上转换及下转换荧光粉末的合成步骤按照文献中的合成方法进行^{[8, 9]}。 将稀土下转换荧光粉末显现的手印置于254 nm紫外灯下观察, 将稀土上转换荧光粉末显现的手印置于980 nm红外激光器下观察。 使用Nikon D810型单反数码相机对显现的手印进行拍照固定。 暗场手印拍摄参数为: 光圈值f/10、 曝光时间2 s、 感光度100。

采用Cary Eclipse型荧光分光光度计(美国Agilent公司)分别检测客体、 荧光粉末、 经荧光粉末显现手印的荧光发射光谱。 激发狭缝为5 nm、 发射狭缝为5 nm, PMT电压为550 V。

1.3.1 强度因子的量化

将经荧光粉末显现手印的荧光发射光谱数据导入到软件Origin 9中, 分析并计算出客体对应的发射峰(背景噪声)面积S_A与吸附有荧光粉末的乳突纹线对应的发射峰(显现信号)面积S_B。 强度因子(Intensity Index, I)定义为显现信号与背景噪声之间的比值, 强度因子I的计算公式如式(1)

I=SBSA(SB≥SA)SASB(SA> SB)(1)

1.3.2 色度因子的量化

将客体、 荧光粉末、 经荧光粉末显现手印的荧光发射光谱数据分别导入到软件CIE1931xy中, 计算出各自的色坐标并标注于色度图中, 记为A (X_A, Y_A), B (X_B, Y_B), O (X_O, Y_O)。 色度因子(Chroma Index, C)定义为色度图中|OA|与|OB|的比值, 色度因子C的计算公式如式(2)

C=|OA||OB|=(XA-XO)2+(YA-YO)2(XB-XO)2+(YB-YO)2(2)

1.3.3 显现对比度的量化

在借鉴了相对对比指数RCI计算方法的基础上^{[11, 12, 13]}, 本研究建立了一种适用于荧光类物质显现手印对比度的计算方法。 手印显现对比度(Contrast)定义为色度因子C与强度因子I的常用对数值的乘积, 对比度的计算公式如式(3)

Contrast=C·lgI(3)

本研究提出了手印显现对比度的概念, 即手印显现信号与客体背景噪声之间的对比差异程度^[2]。 这种对比差异主要由手印显现信号与客体背景噪声之间的亮度差异(即强度因子)和颜色差异(即色度因子)所共同决定。 本研究借鉴了图像与视频质量客观评价中信噪比(signal-to-noise ratio)的概念, 提出了利用强度因子和色度因子综合评价手印显现对比度的量化方法。

以玻璃表面的潜在手印为研究对象[图1(a)], 使用稀土下转换荧光粉末显现后, 手印的乳突纹线部位因吸附有荧光粉末, 在254 nm紫外光的激发下产生了明亮的红色荧光, 且承痕客体表面也产生了微弱的蓝色荧光[图1(b)]。

图1

Fig.1

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	图1 红色荧光粉末显现玻璃表面潜在手印的照片 (a): 明场; (b): 254 nm紫外光激发下的暗场Fig.1 Latent fingerprints left on glass and then developed by red fluorescent powders (a): in the bright field; (b): under 254 nm ultraviolet excitation in the dark field

2.1.1 强度因子的量化方法

强度因子反映手印显现信号与客体背景噪声之间的亮度差异。 在254 nm紫外光的激发下, 玻璃客体在400~550 nm范围内产生微弱的蓝色荧光[图2(a曲线1)], 对应于背景噪声; 荧光粉末在575~675 nm范围内产生较强的红色荧光[图2(a曲线2)], 对应于显现信号; 使用荧光粉末显现后的手印同时产生显现信号与背景噪声[图2(b)]。 经计算, 背景噪声的峰面积S_A为2 606.878, 显现信号的峰面积S_B为2 325.373。 根据式(1)计算, 其强度因子I为1.121。

图2

Fig.2

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	图2 玻璃客体、 红色荧光粉末(a)和经红色荧光粉末显现手印(b)的荧光发射光谱图Fig.2 Emission spectra of glass substrate, red fluorescent powders (a), and latent fingerprint developed by red fluorescent powders (b)

2.1.2 色度因子的量化方法

色度因子反映手印显现信号与客体背景噪声之间的颜色差异。 如图3所示, 在254 nm紫外光的激发下, 玻璃客体产生的蓝色荧光对应于A, 荧光粉末产生的红色荧光对应于B, 使用荧光粉末显现手印所产生的混合荧光对应于O。 经计算, |OA|为0.067, |OB|为0.368。 根据式(2)计算, 其色度因子C为0.181。

图3

Fig.3

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	图3 红色荧光粉末显现玻璃表面潜在手印的色度图 2.1.3 手印显现对比度的量化方法Fig.3 Chromaticity diagram of fingerprint development on glass using red fluorescent powders

手印显现对比度综合反映手印显现信号与客体背景噪声之间的亮度差异和颜色差异。 将强度因子I和色度因子C代入式(3)计算得出, 手印显现的对比度为0.009。

由对比度计算公式可知, 提高手印显现的对比度可通过提高强度因子、 提高色度因子两种途径来实现。 对于利用荧光粉末显现潜在手印的情况, 可以通过增强显现粉末的荧光强度、 降低客体背景干扰来提高强度因子, 通过调整显现粉末的荧光颜色来提高色度因子。

2.2.1 增强粉末的荧光强度

研究选用玻璃为承痕客体, 分别使用荧光强度较弱的粉末[图4(a)]、 荧光强度较强的粉末[图4(b)]对其表面的潜在手印进行显现。

图4

Fig.4

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	图4 经弱荧光强度(a— a')、 强荧光强度(b— b')的红色荧光粉末显现玻璃表面潜在手印在254 nm紫外光激发下的暗场照片(a— b)及对应的荧光发射光谱图(a'— b')Fig.4 Images in dark field (a— b) and emission spectra (a'— b') of latent fingerprints left on glass and then developed by red fluorescent powders with weak (a— a') and strong (b— b') fluorescent intensities, under 254 nm ultraviolet excitation

从视觉角度主观分析, 在254 nm紫外光的激发下, 玻璃表面都产生了微弱的蓝色荧光, 但使用荧光强度较高的粉末显现手印, 其乳突纹线部位产生的红色荧光更强, 与承痕客体之间形成了更大的亮度反差。 从定量角度客观分析, 在254 nm紫外光的激发下, 使用不同荧光强度的红色荧光粉末显现潜在手印的发射光谱如图4(a'— b')所示。 显现的手印在400~550 nm范围内均产生了强度接近的客体背景噪声; 使用荧光强度较高的红色荧光粉末在550~675 nm范围内能够产生更强的手印显现信号, 故手印显现信号与客体背景噪声之间的亮度反差更大。

表1汇总了具体的计算结果, 手印显现对比度计算结果客观分析与视觉效果主观分析的结论相一致。 综上所述, 增强粉末的荧光强度能够在一定程度上提高手印显现的对比度。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同荧光强度的红色荧光粉末显现手印对比度量化结果的汇总表 Table 1 Summary of the contrast for fingerprints developed by red fluorescent powders with different fluorescent intensities 显现粉末 强度因子 色度因子 对比度 SA SB I |OA| |OB| C 弱荧光粉末 2 606.878 2 325.373 1.121 0.067 0.368 0.181 0.009 强荧光粉末 3 112.717 3 850.962 1.237 0.096 0.353 0.272 0.025

表1 不同荧光强度的红色荧光粉末显现手印对比度量化结果的汇总表 Table 1 Summary of the contrast for fingerprints developed by red fluorescent powders with different fluorescent intensities

2.2.2 调整粉末的荧光颜色

研究选用红色纸张为承痕客体, 分别使用红色荧光粉末[图5(a)]、 绿色荧光粉末[图5(b)]对其表面的潜在手印进行显现。

图5

Fig.5

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	图5 经红色(a— a')、 绿色(b— b')荧光粉末显现红色纸张表面潜在手印在254 nm 紫外光激发下的暗场照片(a— b)及对应的荧光发射光谱图(a'— b')Fig.5 Images in dark field (a— b) and emission spectra (a'— b') of latent fingerprints left on red paper and then developed by fluorescent powders with red (a— a') and green (b— b') fluorescent colors, under 254 nm ultraviolet excitation

从视觉角度主观分析, 在254 nm紫外光的激发下, 红纸表面均产生了明亮的红色荧光, 但使用绿色荧光粉末显现的手印, 其乳突纹线部位产生了明亮的绿色荧光, 与承痕客体之间形成了更大的颜色反差。 从定量角度客观分析, 在254 nm紫外光激发下, 使用红色、 绿色荧光粉末显现潜在手印的发射光谱如图5(a’ — b’ )所示。 使用红色荧光粉末显现时, 手印显现信号与客体背景噪声在550~675 nm范围内出现了严重重叠[图5(a’ )]。 通过分峰拟合, 将曲线1中的重叠信号分离为客体背景噪声(曲线2)和手印显现信号(曲线3), 因两者之间的波长与强度均较为接近, 彼此干扰较大。 使用绿色荧光粉末显现时, 手印显现信号出现在540 nm处[图5(b’ )], 其强度较高且波长远离客体背景噪声的范围, 彼此干扰较小。

表2汇总了具体的计算结果, 手印显现对比度计算结果客观分析与视觉效果主观分析的结论相一致。 综上所述, 调节粉末的荧光颜色能够在一定程度上提高手印显现的对比度。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同荧光颜色的荧光粉末显现手印对比度量化结果的汇总表 Table 2 Summary of the contrast for fingerprints developed by fluorescent powders with different fluorescent colors 显现粉末 强度因子 色度因子 对比度 SA SB I |OA| |OB| C 红色荧光粉末 4 619.040 5 704.024 1.235 0.025 0.181 0.135 0.012 绿色荧光粉末 11 869.570 1 577.952 7.522 0.028 0.318 0.088 0.077

表2 不同荧光颜色的荧光粉末显现手印对比度量化结果的汇总表 Table 2 Summary of the contrast for fingerprints developed by fluorescent powders with different fluorescent colors

2.2.3 降低背景荧光

以上研究中所使用的手印显现粉末均为稀土下转换荧光粉末, 即在短波紫外光的激发下能够产生可见光。 由于紫外光的能量较高, 显现手印时通常会激发承痕客体产生背景荧光, 进而降低了显现的对比度。 与稀土下转换荧光粉末的发光机理相反, 稀土上转换荧光粉末能够在长波红外光的激发下产生可见光。 使用稀土上转换荧光粉末显现手印, 能够有效避免客体背景荧光的干扰。 研究选用红色纸张为承痕客体, 使用具有绿色荧光性能的稀土上转换荧光粉末对其表面的潜在手印进行显现[图6(a)]。

图6

Fig.6

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图6 经绿色上转换荧光粉末显现红色纸张表面潜在手印的明场照片(a)及其在980 nm红外光激发下的暗场照片(b); 红色纸张、 绿色上转换荧光粉末(c)和经绿色上转换荧光粉末显现手印(d)的荧光发射光谱图Fig.6 Latent fingerprints left on red paper and then developed by green up-conversion fluorescent powders: (a) image in the bright field, and (b) image under 980 nm infrared excitation in the dark field; Emission spectra of red paper, green up-conversion fluorescent powders (c), and latent fingerprint developed by green up-conversion fluorescent powders (d)

从视觉角度主观分析, 经稀土上转换荧光粉末显现的手印在980 nm红外光的激发下[图6(b)], 乳突纹线部位产生了明亮的绿色荧光, 而客体背景几乎不产生荧光。 与使用同色稀土下转换荧光粉末显现手印的效果[图5(b)]相比, 手印显现信号与客体背景噪声之间的亮度和颜色都形成了更大的反差。 从定量角度客观分析, 在980 nm红外光的激发下, 红色纸张在400~550 nm范围内产生了极其微弱的紫色荧光[图6(c)曲线1], 对应于背景噪声; 稀土上转换荧光显现粉末在550~575 nm范围内产生了较强的绿色荧光[图6(c)曲线2], 对应于显现信号; 使用稀土上转换荧光粉末显现后的手印, 手印显现信号的主峰出现在540 nm处且强度较高, 而客体背景荧光可忽略[图6(d)]。 与图5(b’ )相比, 使用稀土上转换荧光粉末进行手印显现, 能够在大幅增加手印显现信号荧光强度的同时, 显著降低客体背景噪声的干扰程度, 故二者之间的亮度反差明显增强。

表3汇总了具体的计算结果, 手印显现对比度计算结果客观分析与视觉效果主观分析的结论相一致。 综上所述, 降低客体背景的荧光能够显著提高手印显现的对比度。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同发光机理的绿色荧光粉末显现手印对比度量化结果的汇总表 Table 3 Summary of the contrast for fingerprints developed by green fluorescent powders with different emission mechanisms 显现粉末 强度因子 色度因子 对比度 SA SB I |OA| |OB| C 下转换粉末 11 869.570 1 577.952 7.522 0.028 0.318 0.088 0.077 上转换粉末 91.742 12 678.897 138.202 0.373 0.108 3.469 7.426

表3 不同发光机理的绿色荧光粉末显现手印对比度量化结果的汇总表 Table 3 Summary of the contrast for fingerprints developed by green fluorescent powders with different emission mechanisms