基于高光谱特征的微量血迹检测

编号 毕 业 设 计（论文）题目 基于高光谱特征的微量血迹检测 二级学院 光电信息学院 专 业 电子信息科学与技术 班 级 111160203 学生姓名 梁博 指导教师 肖汉光 职 称 副教授 时 间 2015.3-2015.6 重庆理工大学毕业论文 基于高光谱特征的微量血迹检测2目 录摘 要 .IAbstract.II1 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.1.1 课题背景 .11.1.2 课题研究意义 .11.2 国内外研究现状 .21.2.1 高光谱技术研究现状 .21.2.2 血迹检测技术 .21.3 本文主要研究内容 .52 基于高光谱和人工神经网络的血迹检测原理 .62.1 高光谱成像技术 .62.2高光谱成像技术的组成和成像原理 .62.2.1高光谱成像系统的组成 .62.2.2 高光谱成像系统的原理 .62.3 人工神经网络模型 .72.3.1 BP人工神经网络 .72.3.2 BP人工神经网络的 MATLAB实现 .93 基于高光谱技术和人工神经网络的血迹检测实验与分析 .103.1 实验仪器及样品 .103.1.1 实验仪器 .103.1.2 实验样品 .103.2 实验平台的搭建 .103.3 实验步骤 .11重庆理工大学毕业论文 基于高光谱特征的微量血迹检测33.4 实验结果及分析 .123.4.1 不同载体上的血迹识别分析 .123.4.2 案发现场的血迹检测及血迹分类检测 .29本章总结 .304 总结与展望 .314.1 课题总结 .314.2 未来展望 .32致谢 .33参考文献 .34附录 .36重庆理工大学毕业论文 基于高光谱特征的微量血迹检测I摘 要血迹作为刑事案件的重要物证对案件的侦测有着重要意义，传统的血迹侦测手段有直接观察法，试剂发等，而光电科学应用到血迹分析也仅是简单的光源法。随着高光谱成像技术的成熟，它已经被广泛应用到各种领域，像是细菌检测，食品质量检测等等，其手段的先进性已经逐渐显露。本课题针对刑事案件案发现场的血迹检测提出基于高光谱成像技术的血迹检测方法，该方法有别于传统血迹检测方法，可以在不破坏血迹信息的基础上快速、高效、便捷的对微量血迹信息进行检测并分类。该方法在刑侦检测领域具有较大的技术优势与潜力。通过该方法可以检测和分析血迹，弥补了高光谱成像技术在刑侦领域的应用空白，有着广泛的应用前景。关键词：高光谱；血迹侦测；MATLAB 神经网络；重庆理工大学毕业论文 基于高光谱特征的微量血迹检测IIAbstractAs important material evidence in criminal cases of case detection. Blood has important significance. There are many traditional means of blood detection like observation method, reagent method, etc. The photoelectric science and applied to the blood analysis method is only a simple light source. As the highlights technology matures, it has been widely applied to various fields, such as bacteria detection, food quality testing and so on, it means the advancement has gradually revealed.This topic for a criminal case crime scene of blood detection is proposed based on the technology of compose a specular like blood detection method, this method is different from the traditional blood detection method, will not destroy blood information on the basis of rapid, efficient and convenient to test the blood trace information and classification. The method in the field of forensic examination has great technical advantages and potential. By this method can detect and analyze blood, make up the set highlights as technology in the field of forensic application blank, has a broad application prospect.Key words: hyperspectral blood detection Matlab neural network；重庆理工大学毕业论文 基于高光谱特征的微量血迹检测11 绪论1.1 课题研究背景及意义1.1.1 课题背景血迹是案发现场最重要的物证之一。血迹被用作刑事诉讼案件的重要证据具有客观、稳定、广泛、复杂等特点，一直是法庭上极具采信力的证物。血迹具有痕迹，物证的双重特点，充分反映出其作为物证的重要性，血迹侦测在犯罪现场具有重要的地位和重要作用。针对对案发现场的血迹侦测有效提取犯罪嫌疑人的有效 DNA信息并对案发现场进行情景还原。这使得血迹侦测在犯罪现场重塑和案情分析推理中有着指纹、鞋印等证物无法比拟的作用。针对其法医物证特点，可以对其进行测量分析以确定血迹种类性别等特征，但传统测量方式与手段较为落后，其在实际的现场实现物理特征可视化仍具有很多困难。高光谱成像是指光谱分辨率在 10nm级别范围内的光谱图像。高光谱成像技术在二十一世界初有着非常快速的发展。无论是在技术层次还是在应用层次都有着非常突出的发展。通过在搭载高光谱传感器可以在紫外到红外的区域内在不同的连续光谱波长区间对目标区域进行即时成像。不仅对目标进行了图像捕捉，同时还对图像进行了光谱捕捉。这是把图像信息与光谱信息进行了融合。与传统图像处理技术相比，高光谱图像携带更大量的信息，使得对图像的信息处理合理性大大增加。因此，高光谱图像处理技术具有以往任何图像处理技术都无法比拟的先进性。具有极大的发展潜能和巨大的影响力。将血迹分析同高光谱技术相结合使得对刑事案件的侦测手段有了质的改变。1.1.2 课题研究意义与传统的血迹侦测手段相比，高光谱图像处理不仅可以对可视血迹进行处理而且还可以对潜在血迹位置进行扫描处理。不必破坏血迹成分，不会对血迹DNA造成影响。高光谱图像能对图像信息进行提取融合得到清晰的血迹图像。重庆理工大学毕业论文 基于高光谱特征的微量血迹检测2综上所述，对基于高光谱成像技术的研究将会在刑侦系统中发挥至关重要的作用。1.2 国内外研究现状1.2.1 高光谱技术研究现状光谱技术与光成像技术一直以来都是广泛应用在各个领域，在各个领域都得到了广泛发展。一直到上世纪八十年代末，高光谱成像技术才将二者有机的结合起来。高光谱成像技术一方面能携带图像本身的形态信息，另一方面有能携带目标的光谱特征信息。由于高光谱成像技术具有波段多、分辨率高、图像与光谱结合等特点，因而它一出现就受到各个领域极大的重视。高光谱成像技术是集计算机信息自动处理技术、精密光学机械技术、探测技术和微信号探测技术于一体的多学科交叉综合性技术。高光谱成像技术现金在食品质量检测、显微成像、侦测勘测、资源勘测等领域都得到了广泛应用。1.2.2 血迹检测技术（1）直接观察法此方法主要适用于血迹明显的犯罪现场，肉眼就能够检查到明显血迹，并可以观察颜色、形态和部位等 1。现在我们已经积累了丰富的血迹识别经验 2.3。图 1.1 直接观察法只用于现场（2）试剂法当血迹在现场遗留时间过久时会发生霉变或者褪色，而与承痕物品之间的色差并不强，不易被肉眼发现，所以为了验证可以物质是否为血迹，就会使用重庆理工大学毕业论文 基于高光谱特征的微量血迹检测3试剂进行检验识别。四甲基联苯胺1新鲜的血液中含有过氧化酶，过氧化酶激活过氧化氢分解释放出氧气，它与四甲基联苯胺产生化学反应后生成四甲基联苯胺蓝，显蓝绿色。检测过程中取少量材料，放在白色滤纸上，滴入冰醋酸，联苯胺溶液和浓度为 3%的过氧化氢各一滴。如果显蓝绿色则有血迹存在 4。张向东 5等人在此基础上对四甲基联苯胺显现法进行了改进使该试剂更适用于犯罪现场。再次检验过程中要注意四甲基联苯胺使用时的相关问题 6。鲁米诺2鲁米诺，即发光氨，英文名 luminol，分子式 C8H7N3O2，是一种能引起化学发光反应的化合物，在国外的刑事侦测中使用广泛，主要用来搜索血迹和指纹等。1937 年，一位德国科学家发现鲁米诺与血液反应能发生荧光反应。西方科学家通过研究发现了荧光反应的机理，当鲁米诺溶于碱性溶液并在一些金属催化剂的作用下发生氧化反应时，两个氮原子被氧原子置换，生成一中处于高能态的 3-aminophthalate，氧原子的电子转移到高能轨道上，高能轨道上的电子再转移到低能轨道上，释放出光子，产生荧光。血液作为一种混合液体，其中含有铁元素并呈弱碱性，复合鲁米诺发生氧化反应的条件，所以能够产生蓝绿色的荧光 7。二氢荧光素3二氧荧光素，英文名为 fluorescin，分子式 C20H12O4，是一种无色无固定形态物质。使用二氧荧光素作为血迹检测试剂，并用氢氧化钠，锌粉，取水离子配制试剂 8。在待显的客体上喷洒过氧化氢试剂和二轻荧光素，用 450nm波长的紫外线照射载体的表面。如果存在血迹，则该区域会呈现黄色。（3）光源法利用紫外、红外、多波段光源来帮助侦测血迹。现场血迹在多波段光源的照射下可以看得很清楚。血迹在红外、紫外荧光灯下是没有荧光的，但是其背景却可以发出荧光，这是通过增大血迹和血迹背景的反差来实现对血迹的侦测的。我们还可以使用特定的荧光剂对现场进行染色，然后再使用红外、紫外光源对现场进行照射，以激发荧光，达到血液检测的目的。重庆理工大学毕业论文 基于高光谱特征的微量血迹检测4图 1.2 光源法（4）光谱检查血液中所含有的血红蛋白以及血红蛋白衍生物都有着自己特定的吸收曲线。因此，当使用日光进行照射时，血迹的光谱图像一定会在某一波长处出现条形状阴影吸收线。然后用显微分光镜对待测体进行检测即可。图 1.3 光谱法（5）高光谱检测方法传统血迹检测技术不仅操作过程繁琐，精度低，而且还会存在对待测物信息破坏等弊端，采用高光谱成像技术不仅可以对血迹明显的案发现场进行侦测，同时也能对潜在血迹现场进行侦测。将二维图片信息同一维的光谱信息融合构成三维的数据立方体之后经过特征提取和图像融合可以得到清晰的血迹图像，同时还可以根据光谱图像对血迹进行物理特征分析。因此，基于高光谱成