Et si une scène de crime pouvait être observée dans des centaines de couleurs invisibles à l’œil humain ? C’est précisément ce que permet l’imagerie hyperspectrale (IHS). Encore principalement utilisée dans les laboratoires et dans le cadre de travaux de recherche, cette technologie ouvre des perspectives particulièrement intéressantes en criminalistique. Elle permet de révéler des informations sans impacter l’intégrité des traces d’intérêt.
Une caméra qui voit au-delà du visible
L’IHS est une méthode d’analyse qui combine l’imagerie numérique conventionnelle et la spectroscopie.
La spectroscopie est une technique qui repose sur l’étude des interactions entre la lumière et la matière. Elle permet de révéler les caractéristiques d’un échantillon, non visibles sur les images optiques classiques, en examinant leur spectre lumineux.
L’IHS peut être utilisée dans les domaines suivants : ultraviolet (UV, 200 – 400 nm), visible (400 – 700 nm), infrarouge proche (NIR, 700 – 2500 nm), infrarouge moyen et thermique.
Finalement, l’IHS enregistre des informations à la fois spatiales et spectrales. Sur chaque image, une véritable signature spectrale est enregistrée pour chaque pixel la composant.
Le résultat qui en découle peut être représenté sous la forme d’un cube de données hyperspectral (Figure 1). Celui-ci est composé de deux dimensions spatiales x et y (position de chaque pixel dans l’image), et d’une dimension spectrale λ (longueurs d’ondes utilisées).
Une signature différente pour chaque matériau, substance
Les matériaux/substances n’interagissent pas tous de la même manière avec la lumière. Selon leur composition chimique, ils peuvent réfléchir certaines longueurs d’onde et en absorber d’autres. Deux éléments indistinguables à l’œil nu peuvent donc présenter des signatures spectrales différentes.
L’IHS exploite cette particularité et permet donc de distinguer des matériaux/substances dont les différences sont invisibles, ou presque, sur une photographie classique.
Dans le cadre criminalistique, cette capacité s’avère avantageuse pour détecter et identifier une trace sans l’altérer. Son champ d’application s’étend aujourd’hui à de nombreux domaines forensiques (Figure 2). Les perspectives pour certains de ces domaines sont présentées ci-après.
L’analyse du sang sans traitement chimique
Le sang constitue l’une des traces majeures retrouvées dans les cas de crimes violents. Dans une enquête, il peut être nécessaire de déterminer si une zone d’apparence anodine (e.g. zone nettoyée) contient du sang. Des traitements chimiques peuvent être appliqués afin de révéler certains détails latents (e.g. Luminol). Mais dans la majorité des cas, ces méthodes présentent l’inconvénient de modifier les traces et d’interférer avec des analyses ultérieures, comme une recherche ADN. L’IHS permet d’observer les propriétés spectrales d’une trace sanglante sans avoir nécessairement besoin de la traiter chimiquement.
En vieillissant, la molécule d’hémoglobine contenue dans le sang subit plusieurs altérations chimiques. Ses différentes formes présentent alors des caractéristiques spectrales distinctes. En se basant sur ces variations, des chercheurs ont également montré qu’il était possible d’estimer l’âge des traces de sang. Cette dernière application est toutefois beaucoup plus délicate qu’il n’y paraît. En effet, de nombreux facteurs environnementaux peuvent influencer le vieillissement du sang, et par extension, les caractéristiques spectrales observées. De ce fait, la température, l’humidité, mais également la nature du support doivent être pris en compte. À ce jour, aucun modèle généralisé pour estimer l’âge des traces de sang n’a pu être établi à l’aide de l’IHS.
Des encres différentes sous une apparence identique
L’examen des documents constitue une autre application particulièrement intéressante pour l’IHS. Pour réaliser des modifications, un faussaire peut utiliser une encre d’aspect identique à celle utilisée dans le reste d’un document. À l’œil nu, celle-ci peut alors passer inaperçue (Figure 3). Aujourd’hui, leur détection est rendue d’autant plus challengeante par les fabricants car ces derniers sont capables de produire des encres de moins en moins différenciables visuellement, même avec des compositions différentes.
Les examens conventionnels impliquant notamment l’utilisation d’UV et/ou d’IR permettent déjà de détecter certaines variations sur les documents. Toutefois, l’IHS permet de pousser un plus loin ces analyses en captant les spécificités spectrales des encres examinées.
En plus des encres, il est possible d’étudier la composition des papiers et des éléments de sécurité sur les documents d’identité/billets de banque notamment, pour détecter des faux-documents. Les fibres, charges minérales (amélioration de la blancheur, opacité, imprimabilité), la présence d’azurants optiques (agents de blanchiment optique) et les types de revêtements utilisés influencent la signature spectrale des documents.
Et les traces de doigts ?
Les traces papillaires demeurent aujourd’hui l’une des preuves matérielles incontournables en science forensique. La configuration de leurs lignes de crêtes et de leurs caractéristiques individuelles permanentes les rend uniques. Dans la majorité des cas, ces traces sont latentes (invisibles à l’œil nu). L’application de traitements chimiques et de méthodes optiques permet alors de les détecter en optimisant leur contraste par rapport à leur support.
L’utilisation de l’IHS est dans ce cas parfaitement adaptée pour améliorer la visualisation des traces papillaires, en particulier lorsqu’elles se trouvent sur des surfaces complexes.
Les traces papillaires sont formées d’un mélange complexe de composés (eau, acides aminés, lipides, protéines, etc.). Des variations chimiques peuvent ainsi être constatées au sein des traces déposées par différents individus. C’est en exploitant ces dernières grâce à l’analyse hyperspectrale que des chercheurs ont réussi à séparer numériquement des traces superposées. Toutefois, cette approche est dépendante de la quantité des composés dans les traces et nécessite une certaine variabilité pour obtenir de bons résultats.
Identification des traces biologiques
Des travaux ont étudié la possibilité de localiser et d’identifier des traces biologiques à l’aide de l’IHS. Le sang, la salive, le sperme, les sécrétions vaginales ou encore l’urine possèdent des compositions chimiques différentes. Les méthodes traditionnellement appliquées (e.g. tests chimiques d’orientation, immunochromatographiques) impliquent une interaction avec ces traces (prélèvement, modification chimique) pouvant compromettre une analyse ADN subséquente. L’IHS offre ainsi une alternative non-invasive pour détecter les traces en se basant sur leurs signatures spectrales distinctes. Cependant, son utilisation reste ancrée aux phases d’analyses préliminaires. Au même titre que les techniques traditionnelles, des traitements en laboratoire sont nécessaires ensuite pour confirmer les résultats et approfondir les analyses.
Des performances impressionnantes en laboratoire
Une image hyperspectrale génère énormément de données et cela engendre certaines difficultés pour leur analyse. En effet, il n’est pas réaliste de demander à un expert de comparer manuellement les centaines de résultats générés pour chaque pixel. L’emploi d’algorithmes et de méthodes statistiques permet de simplifier cette tâche. Les algorithmes ont été entrainés à reconnaître les variations spectrales existantes entre les différents types de traces et matériaux. Les résultats qu’ils génèrent sont globalement impressionnants. En fonction des applications, les études sur l’IHS rapportent des performances de classification comprises entre 81 et 100 %. Les domaines dans lesquels l’IHS a été la plus étudiée (i.e., les traces sanglantes, les documents et les fluides biologiques) atteignent des niveaux supérieurs à 95 % dans des conditions idéales et contrôlées (traces et supports choisis, conditions de déposition et d’éclairage maîtrisées…).
Mais ces hauts taux de réussite en laboratoire ne signifient pas pour autant que la technique est tout aussi performante dans un cadre réel. Sur une scène de crime, la situation peut être plus complexe. L’éclairage peut varier, les surfaces peuvent être irrégulières, plusieurs substances peuvent se mélanger. La température et l’humidité peuvent modifier les traces. Les instruments utilisés peuvent également produire des mesures légèrement différentes par rapport aux conditions de recherche.
Ainsi, plusieurs éléments restreignent encore l’implémentation de l’IHS dans la pratique opérationnelle. Il n’existe pas encore de protocoles standardisés assurant la qualité de ce type de preuve. De même, les bases de données spectrales sont limitées et nécessitent un grand nombre de références supplémentaires : spectres issus d’une grande variété de traces, supports, avec des paramètres d’acquisition différents.
Vers une nouvelle génération d’outils criminalistiques
L’imagerie hyperspectrale illustre une évolution importante de la science forensique : passer d’une observation essentiellement visuelle à une analyse combinant image, information spectrale et traitement informatique.
La technique permet de repérer et d’identifier une trace sans la manipuler et donc sans en modifier son intégrité. Ainsi, la trace se retrouve entièrement préservée pour d’autres analyses (e.g., ADN). Dans un cadre opérationnel, la technique aiderait, par exemple, à effectuer un premier balayage de la scène de crime et de cibler certaines zones d’intérêt. Son avenir opérationnel dépendra notamment de l’établissement de protocoles standardisés et valides scientifiquement, ainsi que du développement de bases de données spectrales conséquentes. De plus, le développement de dispositifs hyperspectraux portables – plus compacts et moins couteux – faciliterait l’accessibilité et le déploiement de la technique à plus grande échelle.
