-
在通常情况下,偏振特性用斯托克斯向量和Mueller矩阵表述。在自然条件下,目标的偏振特性研究主要从测量辐射光的斯托克斯向量入手,通常把斯托克斯向量
${[{S_0},{S_1},{S_2},{S_3}]{\rm ^T}}$ 写成${[I,Q,U,V]{\rm ^T}}$ 。其中,$I$ 为非偏振光强度;$Q$ 和$U$ 分别代表两个方向上的线偏振度;$V$ 代表圆偏振度[9]。斯托克斯向量
$(I,Q,U,V)$ 具有强度的量纲,可以使用光电的方法进行测量。假设来自目标的辐射偏振态的Stokes参量为${S_{{i}}} = {[{I_i},{Q_i},{U_i},{V_i}]{\rm ^T} }$ ,线性偏振器件(透射方向为$\theta $ )的Mueller矩阵${M_\alpha }$ ,出射光偏振态的斯托克斯参量为${S_o} = {[{I_o},{Q_o},{U_o},{V_o}]{\rm ^T}}$ ,则有[10]:$$\begin{split} {{{S}}_0} =\; & \left[ {\begin{aligned} {{I_0}} \\ {{Q_0}} \\ {{U_0}} \\ {{V_0}} \end{aligned}} \right]={M_\alpha }{S_i}=\\ &\frac{1}{2}\left[ {\begin{array}{cccccc} 1&{\cos 2\theta }&{\sin 2\theta }&0 \\ {\cos 2\theta }&{{{\cos }^2}2\theta }&{\sin 2\theta \cos 2\theta }&0 \\ {\sin 2\theta }&{\sin 2\theta \cos 2\theta }&{{{\sin }^2}2\theta }&0 \\ 0&0&0&0 \end{array}} \right]\left[ {\begin{aligned} {{I_i}} \\ {{Q_i}} \\ {{U_i}} \\ {{V_i}} \end{aligned}} \right]\end{split}$$ (1) 由于自然地物辐射偏振态
$V$ 分量都极其微小,一般计算中认为其为0,则有:$${I_{(\alpha )}} = \frac{1}{2}[I + Q\cos (2\alpha ) + U\sin (2\alpha )]$$ (2) 式中:
$\alpha $ 是偏振器件法线与参考坐标轴的夹角。线偏振度${\rm{DOLP}}$ 和偏振角${\rm{AOP}}$ 分别为:$$ {\rm{DOLP}} = \frac{{\sqrt {{Q^2} + {U^2}} }}{I} $$ (3) $$ {\rm{AOP}} = \frac{1}{2}\arctan(\frac{U}{Q}) $$ (4) 如果只要求获得入射光线偏振态的Stokes参量,则需在取的三个角度位置上进行测量。当选取的
$\alpha $ 分别为0º、60º和120º,根据公式(1)可以计算得到来自目标光波的Stokes参量数据,可得目标Stokes参量:$$\left\{ \begin{aligned} & {{{I}}_{{i}}}=\frac{2}{3}({{{I}}_{{o}}}({0^ \circ }) + {{{I}}_{{o}}}({60^ \circ }) + {{{I}}_{{o}}}({120^ \circ })) \\ & {{{Q}}_{{i}}}=\frac{2}{3}(2{{{I}}_{{o}}}({0^ \circ }) - {{{I}}_{{o}}}({60^ \circ }) - {{{I}}_{{o}}}({120^ \circ })) \\ & {{{U}}_{{i}}}=\frac{2}{{\sqrt 3 }}({{{I}}_{{o}}}({60^ \circ }) - {{{I}}_{{o}}}({120^ \circ })) \end{aligned} \right.$$ (5) 根据斯托克斯矢量以及线偏振度的定义,令
${P_i} ={\rm{DOLP}}$ ,可以计算出电矢量在$x$ 轴方向上的分量${E_x}$ 、在$y$ 轴方向上的分量${E_y}$ 以及二者之差${E_x} - {E_y}$ [11]:$$\left\{ \begin{aligned} & {E_x} = {a_x}\cos (\tau + {\varphi _x}) \\ & {E_y} = {a_y}\cos (\tau + {\varphi _y}) \\ &{E_x} - {E_y} = {a_x}\cos (\tau + {\varphi _x}) - {a_y}\cos (\tau + {\varphi _y}) \end{aligned} \right.$$ (6) 式中:
$\tau=\omega t - \dfrac{{2\pi }}{\lambda }Z$ ;${a_x}$ 、${a_y}$ 分别为偏振光$x$ 、$y$ 振动分量的振幅;${\varphi _x}$ 、${\varphi _y}$ 分别为偏振光$x$ 、$y$ 振动分量的相位。根据上面的公式可以计算出差分信息
${\rm{PDI}}$ :$$ {\rm{PDI}} = {{{I}} _{max}} + {{{I}} _{min}} = \frac{{(1 + {P_i})*{I_i}}}{2} - \frac{{(1 - {P_i})*{I_i}}}{2} $$ (7) 根据公式(3)~(7),可以得到被测目标的I、Q、U、DOLP、AOP、Ex、Ey、
${E_x} - {E_y}$ 和PDI等多偏振参量图像。 -
目标的光学散射特性在光学领域有重要的作用,目标材料、表面结构决定在空间的反射分布函数特性及光谱反射特性和偏振反射特性[12]。偏振光谱二向反射函数(PBRDF)在描述物体对光束偏振态的变换作用的同时还包含光强度的空间分布信息,使用该函数表示物体表面的光散射情况更加全面准确。PBRDF可以表示为:
$${f_r}({\theta _i},{\theta _r},\phi ,\lambda ) = \frac{{{\rm{d}}{L_{\rm{r}}}({\theta _i},{\theta _r},\phi )}}{{{\rm{d}}{E_i}({\theta _i},\;{\phi _i})}}$$ (8) 式中:
$\lambda $ 为波长;${\rm{d}}{L_{\rm{r}}}({\theta _i},{\theta _r},\phi )$ 为目标出射方向的辐射亮度;${\rm{d}}{E_i}({\theta _i},\;{\phi _i})$ 为入射光入射到目标表面的辐照度;${\theta _i}$ 、${\theta _r}$ 分别表示入射角和探测角;$\phi $ 表示方位角。文中通过设置不同探测波长
$\lambda $ 、入射角${\theta _i}$ 、探测角${\theta _r}$ 及方位角$\phi $ 等条件,测量目标的偏振度和偏振角等多个偏振参量的光谱强度来实现目标偏振反射特性的研究,如图1所示。 -
实验流程图如图2所示。实验使用主动紫外偏振成像探测系统进行数据采集,首先调整光源入射角
${\theta _i}$ 和成像系统探测角${\theta _r}$ ,入射角${\theta _i}$ 范围为20°~70°,探测角${\theta _r}$ 范围为20°~70°,角度间隔为10°;入射光线的方位角${\phi _i}$ 固定位为180°,反射光线的方位角${\phi _r}$ 分别设定为0°~180°,间隔为30°;然后调整滤光片转轮模块和偏振片滑动模块,设置不同的探测波段,采集汗潜指纹0°、60°和120°的偏振图像;最后解析每组样本的$I$ 、$Q$ 、$U$ 、${\rm{DOLP}}$ 、${\rm{AOP}}$ 、${E_x}$ 、${E_y}$ 、${E_x} - {E_y}$ 和${\rm{PDI}}$ 等多参量偏振图像,绘制目标偏振反射特性变化曲线。分析实验数据可以看出,当反射光的方位角${\phi _r}$ 为90°时,目标起偏效果最好,所以下面的研究主要考虑反射光线方位角为90°的情况。 -
文中使用的是一套分时型紫外偏振成像系统[13],系统实物图如图3所示。
图 3 紫外偏振成像探测系统:(a)外观图;(b)俯视图
Figure 3. UV polarization imaging detection system: (a) Appearance; (b) Top view
该成像系统是由紫外镜头、消色差透镜组、偏振片滑动模块、滤光片转轮模块和探测器等部件组成,有效工作波段为210~400 nm,系统分辨率为2 048 pixel×2 040 pixel,系统焦距为78 mm,系统功耗≤66 W,光谱切换速度为≤0.5 s。
实验选用氙灯光源作为主动光源实物图如图4所示,光源参数如表1所示。
表 1 氙灯光源的性能指标
Table 1. Xenon light source performance indicators
Power/W Current/A Voltage/V Spectral range/nm Parallel spot diameter/mm Degree of instability 500 26 20 250-2 500 46 ≤1% 在实验样品中,样品A是玻璃镜面,样品B是金属漆板,样品C是瓷砖,样品D是塑料板,样品E是凸版纸,样品F是打印纸。实验目标是在样品上残留的汗潜指纹,汗潜指纹是将手洗净后,戴上乳胶手套等待10 min后,手指在客体材料的表面适度按捺形成的,指纹尺寸为3 cm×3 cm。如图5所示。
-
实验采用3次测量结果取平均作为每组数据的最终结果,下面选取一组样品A上汗潜指纹作为实例,对目标板上的汗潜指纹进行偏振成像,设置紫外偏振成像探测系统,获取三个方向的偏振图像,应用公式(4)、(5)、(6)、(8)和(9)进一步解析多偏振参量,图6为汗潜指纹偏振参量解析图对比。
实验结果表明,对偏振图像进行多偏振参量解析,综合了大量的图像信息,偏振参量
${S_0}$ 、${S_1}$ 和${E_x} - {E_y}$ 主要集中了亮度信息,而${E_y}$ 和${\rm{DOLP}}$ 图像包含了丰富的细节信息,指纹的整体轮廓在客体背景下清晰凸显。所以对比分析各个偏振参量图像,改变探测条件,找到汗潜指纹偏振信息的变化规律,有利于分析汗潜指纹的表面属性及汗潜指纹的检测。 -
当手指压在一个物体表面时,只有极少数的指纹沉淀物被留在物体的表面上,而其中99%的成分是水,水很快蒸发留下沉淀物的微观图,其中一半的成分是无机物,如氯化钠、氯化钾、氯化钙、钙盐等,这些物质对于指纹检测是无效的,剩下的一半是复杂的有机成分,如油脂、氨基酸、维生素等[14]。
通过折反射率数据库信息可以找到汗潜指纹的反射率以及布儒斯特角[15],如图7和表2所示。由反射光的偏振特性分析可知,反射光偏振特性在入射角
${\theta _i}$ 取目标的布儒斯特角值时最强,此时,观测角${\theta _r}$ 与入射角${\theta _i}$ 相等,成像系统接收的偏振特性最大。总之,角度的选取与成像系统接收的偏振特性密切相关。表 2 汗潜指纹布儒斯特角
Table 2. Sweat latent fingerprint Brewster angle
Band/mm 240 265 340 365 Brewster point/(°) 53.68 53.53 53.48 53.41 由测得的数据可以验证,汗潜指纹的偏振参量随角度改变变化较大。根据入射角和探测角的组合,计算出汗潜指纹不同偏振参量,图8为汗潜指纹多角度下的偏振参量变化曲线。
图 8 汗潜指纹多角度下的偏振参量变化:(a) S 0图;(b) S 1图;(c) S 2图;(d) E x 图;(e) E x - E y 图;(f) E y图;(g) PDI图;(h) AOP图;(i) DOLP图
Figure 8. Polarization parameters of sweat latent fingerprints at multiple angles: (a) S0 map; (b) S1 map; (c) S2 map; (d) Ex map; (e)Ex-Ey map; (f) Ey map; (g) PDI map; (h) AOP map; (i) DOLP map
从图8可以看出,相同探测条件下:(1)汗潜指纹偏振参量
${S_0}$ 、${S_1}$ 、${E_x}$ 、${E_x} - {E_y}$ 、${\rm{PDI}}$ 和${\rm{DOLP}}$ 随角度改变起伏变化较大,在成像检测时受角度影响较明显,找到其特征角度利于汗潜指纹的检测;(2)当探测角不变时,汗潜指纹偏振参量
${S_0}$ 、${S_1}$ 、${E_x}$ 和${E_x} - {E_y}$ 随着入射角的增大而增大,当达到镜面反射角度时,镜面反射作用增强,偏振参量受镜面反射光影响较大,图像中目标与背景难以区分,在镜面反射角度附近相对值较低,当入射角超过镜面反射角度时偏振参量随着角度增大而增大;(3)当探测角不变时,汗潜指纹偏振参量
${\rm{PDI}}$ 和${\rm{DOLP}}$ 随着入射角的增大而增大,当达到镜面反射角度时,受镜面反射光影响较小,在镜面反射角度附近相对值较高,并在布儒斯特角附近达到最大值,利于潜指纹的检测和表面属性分析,当入射角超过镜面反射角度时偏振参量随着角度增大而减小。 -
根据目标偏振反射特性可知,目标在布儒斯特角处偏振信息较丰富,所以为了研究不同波段对汗潜指纹偏振反射特性的影响,将探测角度设置为布儒斯特角53°。以样本A为客体材料进行成像检测,采集不同波段条件的汗潜指纹偏振参量图像进行分析,如图9所示。
从图9可以看出:(1)在相同探测波段条件下,各偏振参量在不同探测波段中变化规律近似,随着波段的增加,各偏振参量呈上升趋势,各自变化趋势相似但有差异。
(2)随着波段的增加,汗潜指纹偏振参量
${S_0}$ 和${\rm{DOLP}}$ 变化较大,使用该偏振参量进行目标检测时受波段影响较大,优先选用近紫外波段;其余偏振参量成像检测时受波段影响较小。(3)探测波段在365 nm波段,各偏振参量同时取得较大值,有利于潜指纹检测和表面属性分析。
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为了研究客体材料对汗潜指纹偏振反射特性的影响,需要采集不同客体材料条件的汗潜指纹偏振参量图像进行分析,其中设定探测角为53°,波段为365 nm。虽然客体材料种类不同,但各材料之间粗糙度无相互关联性,所以客体材料变化不连续。图10为汗潜指纹不同客体材料下的偏振参量变化曲线。
图 10 不同客体材料潜指纹的偏振参量变化:(a) S0图;(b) S1图;(c) S2图;(d) Ex图;(e) Ex-Ey图;(f) Ey图;(g) PDI图;(h) AOP图;(i) DOLP图
Figure 10. Polarization parameters of latent fingerprints of different guest materials: (a) S0 map; (b) S1 map; (c) S2 map; (d) Ex map; (e) Ex-Ey map; (f) Ey map; (g) PDI map; (h) AOP map; (i) DOLP map
从图10可以看出:(1)对于玻璃、金属和瓷类客体材料,其表面较为光滑,表面反射主要是单次反射,单次反射主要产生镜面反射,可观测的偏振信息较明显,所以汗潜指纹偏振参量在这几类客体材料取值相对较高;对于塑料和纸类客体材料,其表面较为粗糙,表面反射主要是多次反射,多次反射中漫反射所占比例大,所以汗潜指纹偏振参量在这几类客体材料取值相对较低;
(2)汗潜指纹偏振参量
${S_0}$ 、${S_1}$ 、${S_2}$ 、${E_x}$ 、${E_x} - {E_y}$ 、${\rm{PDI}}$ 、${\rm{AOP}}$ 和${\rm{DOLP}}$ 在样品A、B、C等几类相对光滑客体上数值较大,所以这些偏振参量易于在该类客体材料对汗潜指纹进行成像检测;(3)汗潜指纹偏振参量
${S_0}$ 、${S_1}$ 、${S_2}$ 、${E_x} - {E_y}$ 、${\rm{PDI}}$ 、${\rm{AOP}}$ 和${\rm{DOLP}}$ 在样品D、E、F等几类相对粗糙客体上数值较大,易于在该介质对汗潜指纹进行成像检测。
Study on UV polarization reflection characteristics of sweat latent fingerprints(Invited)
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摘要:
汗潜指纹是犯罪现场最常见的指印类型,具有特征消失快且不易被检测等特点。根据其特点,使用紫外偏振成像探测技术进行目标检测,相比传统强度图像,偏振参量图像可以提高目标对比度,有助于辨别不同背景中的目标。但紫外偏振成像探测技术对角度、波段及客体材料等较为敏感,所以通过设计合理的实验,分析了汗潜指纹紫外偏振反射特性随角度、波段及客体材料的变化特点。结果表明:汗潜指纹在不同角度下表现出规律的偏振特性;在系统提供的四个光谱偏振通道中,近紫外波段相比之下有很好的可重复性和区分性;不同客体材料偏振特性差异变化较大,对比分析样本的紫外偏振反射特性能有效提高潜指纹的探测和识别性能,为汗潜指纹紫外偏振成像探测技术提供依据。
Abstract:Sweat latent fingerprint was the most common type of fingerprint on crime scenes, featuring features that disappeared quickly and were not easily detected. According to its characteristics, the UV polarization imaging detection technology was used for target detection. Compared with the traditional intensity image, the polarization parameter image could improve the target contrast and help to distinguish the targets in different backgrounds. However, the UV polarization imaging detection technology was sensitive to angles, bands and guest materials. Therefore, through the design of reasonable experiments, the characteristics of the UV polarization reflection characteristics of the sweat latent fingerprints with angle, band and guest materials were analyzed. The results show that the sweat latent fingerprints exhibited regular polarization characteristics at different angles; among the four spectral polarization channels provided by the system, the near-ultraviolet bands are well reproducible and distinguishable; the polarization characteristics of different guest materials varied greatly. The UV-polarized reflection characteristics of the comparative analysis samples effectively improved the detection and recognition performance of latent fingerprints, and provided a basis for the UV-polarized imaging detection technology of sweat latent fingerprints.
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图 8 汗潜指纹多角度下的偏振参量变化:(a) S 0图;(b) S 1图;(c) S 2图;(d) E x 图;(e) E x - E y 图;(f) E y图;(g) PDI图;(h) AOP图;(i) DOLP图
Figure 8. Polarization parameters of sweat latent fingerprints at multiple angles: (a) S0 map; (b) S1 map; (c) S2 map; (d) Ex map; (e)Ex-Ey map; (f) Ey map; (g) PDI map; (h) AOP map; (i) DOLP map
图 10 不同客体材料潜指纹的偏振参量变化:(a) S0图;(b) S1图;(c) S2图;(d) Ex图;(e) Ex-Ey图;(f) Ey图;(g) PDI图;(h) AOP图;(i) DOLP图
Figure 10. Polarization parameters of latent fingerprints of different guest materials: (a) S0 map; (b) S1 map; (c) S2 map; (d) Ex map; (e) Ex-Ey map; (f) Ey map; (g) PDI map; (h) AOP map; (i) DOLP map
表 1 氙灯光源的性能指标
Table 1. Xenon light source performance indicators
Power/W Current/A Voltage/V Spectral range/nm Parallel spot diameter/mm Degree of instability 500 26 20 250-2 500 46 ≤1% 表 2 汗潜指纹布儒斯特角
Table 2. Sweat latent fingerprint Brewster angle
Band/mm 240 265 340 365 Brewster point/(°) 53.68 53.53 53.48 53.41 -
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