基于平整表面附着痕迹的散射光扫描成像方法与流程

本发明涉及一种散射光扫描成像技术，特别涉及一种基于平整表面附着痕迹的散射光扫描成像方法。

背景技术：

现有的公安刑侦现勘工作中，现场痕迹无损提取无疑是一大技术难关。这源于很多客体表面除了本身的色泽图案之外，还留有各类痕迹，如地面足迹、桌面手印等。

现场痕迹依照现实情况分为很多种，其中，平面痕迹的定义为：在造痕客体作用于承痕客体时，并不破坏承痕体的表面结构，而是在接触面上发生介质的转移所形成的痕迹。平面痕迹根据介质转移的方向又分为平面加层痕迹和平面减层痕迹。

现有的提取固定痕迹的方法有：

1、转移法：将痕迹物质转移到专门载体上的方法。如：用透明胶带将粉末显现的汗液指纹从承痕体上转移到白色或黑色硬纸背上；

2、制膜法：通常用石膏液、硅橡胶或牙科打样膏灌入立体的痕迹中，制作立体痕迹模型；

3、复印法：常用于粉尘形成的痕迹提取，如：用静电吸附的方法提取粉尘足迹；

4、原物提取法：凡是体积较小，载体和痕迹不是变形损坏的，尽量提取原物，可以更全面地保存痕迹原貌特征；

5、照相法：对所有痕迹都普遍、必须采用的方法，它既是提取痕迹的方法，也是固定痕迹的方法，而且又是采取其他方法之前必须先行采取的保险措施。

由此可见，照相法是比较常见同时也是很重要的一种痕迹提取法。

而日常公安刑侦现勘的痕迹中有些可以通过常规的打光照相技术即可获取到可分辨的痕迹图像，而另一些则不能，必须通过特殊的打光角度配合以及结合特别的观察角度才能看见。这无疑给侦查工作带来物力人力以及时间成本的挑战。

现有针对平整表面附着痕迹成像对比文档有以下两个：

一个来自吉林大学硕士论文，题目为《基于扫描成像原理的室内现场足迹提取技术》(陈祥文-应用物理学-张涛教授)，该篇文献描述了对光滑表面上的足迹提取方式，具体描述了基于定向反射及偏振光消光(主反射光)获取足迹图像的方案，其设计了倾斜成像的方式，但是其思路是正视反射光，通过反射光与痕迹散射光的反差获取痕迹图像，这种方式仅对一部分单色调的光滑表面客体有效；同时，并没有涉及多个视角通道的设想。

另一个来自申请号为cn201310355120.9，题目为《一种室内硬质地面及桌面上足迹提取装置》的专利文献，该文献仅设计了两种成像角度。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的问题之一。

本发明是针对现在传统照相技术带来的图像倾斜变形和局部失焦问题，以及扫描成像技术仅针对部分客体有效的问题提出一种基于平整表面附着痕迹的散射光扫描成像方法。相比于现有技术，所述方法是以倾斜视角做线扫描成像，即：1)取偏离反射光方向但又与之临近的散射光视角成像；2)把面阵器件作为线阵器件来使用；3)利用面阵成像器件不同位置像素行对应不同角度的散射光，提供多视角通道成像；4)利用面阵成像器件相邻几行像素成像的略微差异，产生相互间细节略有不同的具有微偏移位置关系的序列图，再通过超分辨算法合成，进而实现得到整个平整表面附着痕迹的高分辨率融合图像。该方法可减少背景并获取尽量强的信号，故图像的信噪比得到了明显提升，进而解决了传统照相方法带来的图像倾斜变形和局部失焦的问题且非光滑材质和花纹丰富的表面都能有大体一致的良好效果。

现有技术中，一块地板瓷砖上有踩过留下的足迹，如图1左侧所示是按照常规正上方拍摄(掠入射光照明)获取的图片，除了瓷砖表面固有的图案和纹理，看不出任何特别的痕迹；但是如果从一个倾斜的角度去观察，就会地看到一枚比较清楚的足迹，如图1中间所示(相机倾斜拍摄，低角度光照明)，只不过这幅图是不正常的，一是它至少在上下方向被压缩了(足迹明显变短了)；二是它只有局部是清晰的(这里表现为脚掌部分清楚脚后跟部分模糊)；三是产生了近大远小的梯形失真。

上述现象表明，对于一些表面附着痕迹，要以常规的正面拍摄方式得到清晰且不变形的图片是不可能的。必须以一种特别的方式来解决这个矛盾。

为解决上述技术问题，本发明提出了以下解决问题的思路：

1)如果成像器件只是一条线，那么其对应的物方也只能有一条线被成像；以图1中间所示的倾斜视角去对脚掌部位上的一条线成像，获取的图像内容(即一条线图像)就是完全清晰的。

2)保持平整表面附着痕迹与成像器件之间的成像高度和角度，让这二者沿垂直于线成像器件的方向产生相对平移，每移动一个微小距离就拍摄形成一条线图像，这就是扫描过程，当从头至尾扫过平整表面附着的痕迹后，就能把这些线条图像顺序拼接成一幅完整清晰且不变形的图案；如图1右侧所示(倾斜视角扫描)。

3)为应对多种检材痕迹状况，可以取多个视角，对应面阵成像器件的不同像素行，这样就形成了多个成像视角通道。

4)为应对多种检材痕迹状况，可以有多个角度的照明光源，每个照明角度与上述不同成像视角组合，就可以形成多种配光模式，这些模式基本上就能覆盖绝大多数的检材与不同种类痕迹的组合情况。

5)针对颗粒散射光情况，即入射光照射在散射粒子区域上，在入射光线前进方向附近的角度范围内的散射光具有最高的强度，越偏离光线前进方向，散射光强度越低；可利用散射光与主反射光分离的思想解决，即取偏离反射光方向但又相距不远的视角进行成像，以此来减少背景(反射光)，并获取尽量强的信号(散射光)，最终提升图像的信噪比。

针对上述思路，本发明提供了一种基于平整表面附着痕迹的散射光扫描成像方法，所述方法是以倾斜视角做线扫描成像，具体包括如下步骤：

s1：在附着痕迹的平整表面上架设成像设备；

s2：设置成像设备的高度和扫描范围，以及成像视角和照明角度；

s3：成像设备在扫描范围内逐步移动，每移动一步，采集一行或相邻几行图像，直至完成整个扫描范围的图像采集；

s4：将所有采集的图像行按采集时间的先后顺序依次拼接得到完整图像。

进一步地说，所述方法利用散射光与主反射光分离的方法，取偏离反射光方向但又与之临近的散射光视角成像。

更进一步地说，所述方法至少设定一个成像视角。

更进一步地说，所述方法至少设定一个照明角度。

进一步地说，所述架设的成像设备是把面阵成像器件作为线阵成像器件的方式来使用，且利用多个位置的像素单行或几行区域来等效形成多个线阵器件的功能。。

更进一步地说，所述方法利用面阵成像器件不同位置像素行对应不同角度的散射光，提供多视角通道成像。

更进一步地说，。所述方法利用面阵器件上的某个像素行及其相邻几行像素行，他们各自扫描出来的整幅图像具有微小的位置偏差，可被视为满足经典超分辨算法的微位移序列图，从而可以以这些序列图为基础融合成具有更高分辨率的图像。

与现有公开的技术方案相比，本发明具有的优势为：

首先，对任何面阵感光器件成像系统来说，正对目标成像是常识，否则就会带来倾斜变形和局部失焦，而本案的思路却恰恰要用倾斜方向的视角来成像，以此获取有效的散射光；其次，面阵感光器件对应的是面成像，这也是常识，而本案的思路却要把面阵器件作为线阵器件来使用，并且是多个线阵并列而成的特殊线阵，以此来对应不同的倾斜成像视角形成多视角通道。本发明所述方法可减少背景并获取尽量强的信号，使得图像的信噪比得到了明显提升，进而解决了传统照相方法带来的图像倾斜变形和局部失焦的问题且非光滑材质和花纹丰富的表面都能有大体一致的良好效果；另外，利用面阵器件相邻像素行的扫描图像结合经典超分辨算法还可以进一步提升图像分辨率，故，本发明所提供的方法针对现有技术而言具有先进性和有效性。

附图说明

图1所示为一本发明与常规拍照技术的成像效果对比图；

图2本发明实施例1的成像原理图；

图3所示为本发明的方法流程图；

图4所示为本发明实施例2中黑白碎花大理石地砖针对传统技术和本发明方法成像效果对比图；

图5所示为本发明实施例3中地板革针对传统技术和本发明方法成像效果对比图；

图6所示为本发明实施例4中复合木地板针对传统技术和本发明方法成像效果对比图；

图7所示为本发明实施例5中仿自然风格的瓷砖针对传统技术和本发明方法成像效果对比图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例详细描述本发明方法的具体实施方式及效果。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图2所示为一个具体的成像原理图，下面分别从多视角成像、散射光与主反射光分离的角度进行说明：

如上图2所示，对于物平面上一点a(垂直纸面的线)，其成像光线是沿图中“常规正向视角”光路所走的光线，最终到达像面的a0位置。但如果换一个视角光路，比如用视角2(即，非正向视角，倾斜视角)，那么成像光线会抵达像面的a2位置，这是与a0不同的位置。只要不同视角的光程长度都与正向视角的相同(可用图中的各个反射镜补偿光程达到一致)，那么就都会成像在共同的像面上，只是各自的位置不同。这就为倾斜视角成像以及多视角分离通道成像奠定了基础。

散射光与主反射光分离：

如上图2所示，内置了三个照明角度的光源，成像视角1接收的光线是偏离光源1的反射光的，但还在其附近，这显然可以通过安排其光路上的成像视角1反射镜来实现，这样获得的散射光(即信号光)就是比较强的；同理对成像视角2、3相对于光源2、3亦如此。这种照明与视角的关系相当于大大弱化了背景(由主反射光产生)，因此也就大大提升了信噪比(即图像对比度)。当然，成像视角1也可以利用光源2或3的散射光，这同样满足散射光与主反射光分离的原则，实践证明在某些特殊材质上也能有很好的信噪比。

如上图2所示，虚线方框内的部件在一起可作为一个多视角多光源集成的扫描核心实施例，它包含了上述的三条倾斜成像光路、一条正向成像光路，以及两个不同角度的照明光源，理论上可以构成4(视角)乘以3(照明角)，即：12种配光模式。这个扫描核心可以吊装在一条导轨下方形成成像设备进行平移扫描，对地面上的足迹等附着痕迹进行高信噪比成像。

由上一实施例，总结出以下几点：

本发明所述方法是以倾斜视角做线扫描成像，即：

1)取偏离反射光方向但又与之临近的散射光视角成像；

2)把面阵器件作为线阵器件来使用；

3)利用面阵成像器件不同位置像素行对应不同角度的散射光，提供多视角通道成像；

4)利用面阵成像器件相邻几行像素成像的略微差异，产生相互间细节略有不同的具有微偏移位置关系的序列图，再通过超分辨算法合成，进而实现得到整个平整表面附着痕迹的高分辨率融合图像。

综上所述，得到本发明所述方法的具体步骤。

如图3所示，本发明提供一种基于平整表面附着痕迹的散射光扫描成像方法，具体包括如下步骤：

s1：在附着痕迹的平整表面上架设成像设备；

s2：设置成像设备的高度和扫描范围，以及成像视角和照明角度；

s3：成像设备在扫描范围内逐步移动，每移动一步，采集一行或相邻几行图像，直至完成整个扫描范围的图像采集；

s4：将所有采集的图像行按采集时间的先后顺序依次拼接得到完整图像。

其中：

所述方法利用散射光与主反射光分离的方法，取偏离反射光方向但又与之临近的散射光视角成像。

所述方法至少设定一个成像视角。

所述方法至少设定一个照明角度。

所述架设的成像设备是把面阵成像器件作为线阵成像器件的方式来使用，且利用多个位置的像素单行或几行区域来等效形成多个线阵器件的功能。

所述方法利用面阵成像器件不同位置像素行对应不同角度的散射光，提供多视角通道成像。

利用面阵成像器件相邻几行像素成像的略微差异，产生相互间细节略有不同的具有微偏移位置关系的序列图，再通过超分辨算法合成，进而得到高分辨率融合图像。

以下实施例为一些典型地面材料的对比实验，以充分展现了本发明所述方法相对于传统照相方式的先进性和有效性。

实施例2

如图4所示是黑白碎花大理石地砖针对传统方法和本发明所述方法的成像效果对比图。黑白碎花大理石地砖表面光滑，花纹随机分布，反差强烈。在居室客厅、门廊或公共建筑内的大厅、走廊等位置很常见。这种地面上的灰尘痕迹在正常观察或照相时会被背景图案强烈干扰，导致观察者觉得看不清、难以分辨等错觉。其实这也是这类地面所谓“耐脏”的原因——即使有灰尘也不易被察觉。其中，图4左侧是用足迹灯掠入射照明，相机正上方拍摄的照片；图4右侧是成像设备对同样部位扫描得到的图片。对比可见差别悬殊，成像设备得到的图片显现出了完整的足迹轮廓，趾、跖、弓、跟各区都很完整，重压区、空压区都自然显现。几乎所有背景花纹都被抑制，因而整图看上去对比度相当好；而拍照图片只隐约显示了趾、跖、及部分弓区的外缘线，其它部分都淹没到背景花纹中了。

实施例3

如图5所示是常见的地板革针对传统方法和本发明所述方法的成像效果对比图。常见的地板革，有细密的颗粒表面，情况与上面的瓷砖类似，但在常规拍摄手段下表现得更糟。其中，如图5左侧所示看不到任何足迹，所以按传统操作流程通常只能放弃提取。由于物美价廉、花色繁多、施工便利的特点，这种材质具有广大的市场。如图5右侧所示为成像设备扫描到的图像，此图像不仅显现出了足迹，而且背景上高对比度的块状花纹图案也被压制变暗了，使得整个图像具有很好的信噪比。

实施例4

如图6所示是复合木地板针对传统方法和本发明所述方法的成像效果对比图。复合木地板，具有浅黄色的木本色表面，有些还有略微的纹理起伏，家居、办公室常用。其中，如图6左侧所示为在常规斜射或掠射照明下拍到的图像，此图像能够拍到一些足迹部位的，但是由于色泽近似，加之有起伏纹路干扰，图像对比很微弱，显然会影响后期足迹判读的准确性。而成像设备对颜色不敏感，纹路背景也被压制，所以能够扫描出如图6右侧所示这样高质量的足迹图像。

实施例5

如图7所示是仿自然风格的瓷砖针对传统方法和本发明所述方法的成像效果对比图。仿自然风格的瓷砖，家居常用。为深浅不均的褐色，有小幅度的不规则凹凸。与图6木地板情况相似，同样由于其表面接近灰尘的色泽及随机起伏纹路干扰，相机拍摄的图片对比度微弱，而成像设备则展现出截然不同的高品质足迹图像。

经上述四组实施例对比可知：

本发明所述方法可减少背景并获取尽量强的信号，使得图像的信噪比得到了明显提升，进而解决了传统照相方法带来的图像倾斜变形和局部失焦的问题且非光滑材质和花纹丰富的表面都能有大体一致的良好效果；另外，利用面阵器件相邻像素行的扫描图像结合经典超分辨算法还可以进一步提升图像分辨率，故本发明所提供的方法针对现有技术而言具有先进性和有效性。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。