簽名筆跡筆壓特征顯現(xiàn)方法的比較研究

劉 寧，裴 雷，吳 亦

（1.江蘇警官學(xué)院 公安科技系，江蘇 南京211800；2.南京市公安局物證鑒定所，江蘇 南京210001；3.江蘇省公安廳物證鑒定中心，江蘇 南京210024）

1 引言

由于簽名筆跡字?jǐn)?shù)少，可利用的特征相對(duì)較少，簽名筆跡鑒定一直是筆跡檢驗(yàn)人員面臨的最具挑戰(zhàn)性的難題之一。然而，近些年更加令人困擾的是高仿真摹仿簽名越來越多見，甚至出現(xiàn)非法代人摹仿簽名而從中獲利的現(xiàn)象，促使檢驗(yàn)人員急需運(yùn)用更多檢驗(yàn)方法和鑒定依據(jù)來甄別簽名真?zhèn)巍?/p>

國內(nèi)外筆跡檢驗(yàn)技術(shù)人員早已意識(shí)到正常簽名筆跡中的筆壓特征具有獨(dú)特性和穩(wěn)定性，在簽名筆跡鑒定中具有重要價(jià)值。為了利用筆壓特征來驗(yàn)證數(shù)字簽名的真?zhèn)?，許多學(xué)者已借助數(shù)字筆和寫字板（或數(shù)字簽名板）研究書寫時(shí)筆壓動(dòng)態(tài)特征，通過測量和分析書寫時(shí)筆的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)方面數(shù)據(jù)，嘗試實(shí)現(xiàn)筆壓特征的定量檢驗(yàn)[1-3]。但是，此類數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用不能適用于紙張上墨跡中筆壓特征的分析。對(duì)于書寫在紙張上的簽名，現(xiàn)有常規(guī)檢驗(yàn)手段，如顯微鏡觀察法、側(cè)光觀察法等，不能滿足對(duì)筆壓特征的充分利用。一些計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的學(xué)者嘗試在書寫墨跡的二維形態(tài)中抽取特征（如墨色深淺和線條寬窄）來分析筆壓[4-5]，但墨跡的二維形態(tài)中混雜著墨水特性、書寫速度等多種因素，此類方法分析筆壓時(shí)沒有去除這些因素。迄今為止，只有少數(shù)文獻(xiàn)探討對(duì)紙張上筆跡中的筆壓特征較為單純的抽取和分析，如Colin Estabrooks利用激光共聚焦掃描顯微鏡通過測量簽名筆跡壓痕的相對(duì)深度，證實(shí)正常簽名筆跡筆壓特征穩(wěn)定且獨(dú)特，同時(shí)證明借助筆壓特征能夠區(qū)分本人正常簽名和他人摹仿簽名[6]；中文文獻(xiàn)報(bào)道了一起案件中利用靜電壓痕儀顯現(xiàn)法來檢測筆跡壓力的嘗試[7]。

書寫活動(dòng)之所以被稱為運(yùn)筆，是因?yàn)樗袆e于描畫動(dòng)作中筆尖在紙張上的拖動(dòng)。漢字硬筆書法規(guī)則源自毛筆字的書寫規(guī)則，硬筆書寫的每一個(gè)筆劃均有起伏變化，絕非火柴棒一般。經(jīng)過漢字書寫訓(xùn)練的人在書寫筆劃的形態(tài)上都會(huì)有所表現(xiàn)。人們通常認(rèn)為書寫技能越高的人在這方面的表現(xiàn)力越高，行筆變化越豐富。實(shí)現(xiàn)這種表現(xiàn)力的重要技能之一是掌握書寫抑壓力的變化。個(gè)人運(yùn)筆的提按頓挫一旦形成習(xí)慣，便穩(wěn)定且獨(dú)特，即使是筆跡檢驗(yàn)專家或書法家，經(jīng)過摹仿訓(xùn)練，也很難摹仿他人的筆壓習(xí)慣。筆壓特征是指個(gè)人書寫習(xí)慣中運(yùn)筆抑壓力動(dòng)態(tài)的行為模式在筆跡中的表現(xiàn)。因此，分析筆壓特征需要利用描述個(gè)人行為習(xí)慣的信息，而不是一系列相互沒有關(guān)系的壓力值。

書寫抑壓力會(huì)造成紙張空間Z軸上局部形變（向下凹陷），因此，目前筆跡檢驗(yàn)技術(shù)主要通過分析筆跡三維形態(tài)中的壓痕深度及其變化來分析筆壓特征。然而，簽名墨跡的三維形態(tài)包含了許多混雜在一起的信息，它們反映了書寫速度、力度、筆尖特性、墨水特性等等，即使借助顯微鏡放大，反映筆壓特征的深度信息仍不易被分析，導(dǎo)致文件檢驗(yàn)人員往往忽略這個(gè)重要特征的利用，或者感到難以準(zhǔn)確把握筆壓特征。為了能夠充分利用筆壓特征，研究提取筆跡中筆壓特征的有效手段成為必要。在中國，通常法律文書只接受黑色書寫工具的簽名。因此，筆者嘗試比較抽取或顯現(xiàn)黑色簽名筆跡中筆壓特征的幾種方法。

2 材料與方法

2.1 書寫工具

考慮到書寫工具是影響正常簽名書寫的主要因素，本研究需考察不同書寫工具下筆壓特征的表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)材料制備選擇了色料為油性、中性和水性，筆尖為硬質(zhì)和軟質(zhì)的常見書寫工具，包括：圓珠筆、中性筆、滾珠筆（水基墨）、鋼筆、纖維筆尖筆。實(shí)驗(yàn)所用各種書寫工具的筆尖形態(tài)及其墨跡形態(tài)如圖1所示。

圖1 所用書寫工具的筆尖及其墨跡形態(tài)

紙張：上海牌薄型復(fù)寫紙（型號(hào)113，單面黑色）；金旗艦A4復(fù)印紙（70g）

2.2 樣品制備過程

2名實(shí)驗(yàn)人員分別使用多種筆進(jìn)行多份正常簽名書寫，其中一位的簽名屬于筆壓起伏變化較為豐富的簽名（書寫人具有書法功底，見圖2），另一位的簽名相對(duì)簡單（見圖3）。這些簽名字跡也在研究筆壓的輔助實(shí)驗(yàn)——摹仿簽名實(shí)驗(yàn)中作為被摹仿對(duì)象。為獲取高仿真簽名的實(shí)驗(yàn)材料，2名書法愛好者和4名文件檢驗(yàn)人員作為摹仿者參與了摹仿簽名實(shí)驗(yàn)。他們均分別使用上述相同的書寫工具，經(jīng)過反復(fù)練習(xí)后進(jìn)行摹仿。所有實(shí)驗(yàn)筆跡均書寫在特殊設(shè)計(jì)的承受物上：一張薄型復(fù)寫紙夾在兩張上下重疊的A4復(fù)印紙中間。書寫人在第一張紙上簽名，在第二張紙上形成復(fù)寫字跡。假設(shè)復(fù)寫字跡主要反映的是書寫時(shí)筆尖與紙張的接觸面和書寫壓力，實(shí)驗(yàn)采集的復(fù)寫字跡是為了提取筆壓特征，作為其他顯現(xiàn)方法所形成影像的參照物而有意收集的。

圖2 實(shí)驗(yàn)中裴雷簽名墨跡與其復(fù)寫字跡的比較

圖3 實(shí)驗(yàn)中簡單簽名與其高仿真摹仿簽名之間筆壓特征的比較

2.3 儀器與條件

在本研究中，為了將筆壓特征脫離其他特征而顯現(xiàn)出來，通過實(shí)驗(yàn)考察了多種顯現(xiàn)方法。

（1）體視顯微鏡下側(cè)光觀察法。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：Discover V12 視頻顯微鏡系統(tǒng)，KL 2500 LCD 光源（Zeiss）；實(shí)驗(yàn)條件：放大倍數(shù)8X。

（2）側(cè)光紅外影像法。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：VCS-6000（Foster&Freeman）；實(shí)驗(yàn)條件：光源-側(cè)光，截止濾色鏡-830，放大倍數(shù)-13X。

（3）靜電壓痕顯現(xiàn)法。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：Docustat DS-220（Projectina）；實(shí)驗(yàn)條件：滾珠顯現(xiàn)方式。美國AGSCO公司特制超細(xì)玻璃珠（直徑：180-250 μm），加濕箱濕度為68%RH。

（4）顯微圖像三維重建法。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：DSX500視頻顯微鏡系統(tǒng)（Olympus）；實(shí)驗(yàn)條件：50X物鏡。

（5）激光共聚焦掃描顯微鏡法。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：LEXT OLS4000視頻顯微鏡系統(tǒng)（Olymbus）；實(shí)驗(yàn)條件：20X物鏡。

2.4 方法

（1）顯現(xiàn)方法：體視顯微鏡下側(cè)光觀察法；側(cè)光紅外影像法；靜電壓痕顯現(xiàn)法；顯微圖像三維重建法；激光共聚焦掃描顯微鏡法；（2）利用上述方法抽取并記錄實(shí)驗(yàn)簽名筆跡的筆壓特征；（3）將復(fù)寫紙獲得的筆壓特征影像與上述各種方法獲得的書寫壓痕影像進(jìn)行比較分析。

3 討論

3．1 復(fù)寫字跡作為實(shí)驗(yàn)條件下提取筆壓特征的手段

3.1.1 復(fù)寫字跡中可見書寫工具不同造成個(gè)人筆壓特征的反映有所變化

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用的纖維筆尖筆幾乎不留復(fù)寫字跡，無論書寫抑壓力如何，軟筆尖很少造成紙張向下局部形變。鋼筆的復(fù)寫字跡最為淺淡，水性墨水的簽字筆比中性筆和圓珠筆形成的復(fù)寫字跡較淺。這是因?yàn)橛补P書寫時(shí)抑壓力的控制主要與所需克服的摩擦力大小有關(guān)。硬筆的著墨筆尖在紙張上運(yùn)行時(shí)，摩擦力大小受到紙張光滑度和墨水特性的影響。實(shí)驗(yàn)用紙種類一致，可以排除紙張的影響因素，而墨水粘稠性對(duì)筆壓形成的影響較為顯著。圓珠筆使用油性墨，在紙張上移動(dòng)時(shí)摩擦力較大，書寫時(shí)需要較大的力量來克服，中性筆次之。如果使用水性墨水，同樣是金屬筆尖（如鋼筆），摩擦力便較??；加上書寫者的視覺監(jiān)督防止墨水過分洇散，墨水下水量較大時(shí)，較輕的壓力足以形成筆跡，因此不易留下壓痕。但是，如果墨水下水不暢，一般人會(huì)施加較大力度進(jìn)行書寫。

未留下凹痕或凹痕很淺的簽名筆壓特征的提取不適用本研究的顯現(xiàn)方法。

實(shí)驗(yàn)中盡管各種筆形成的復(fù)寫字跡深淺有所不同，但是這種差異只是整體上較深或較淺，所反映的個(gè)人簽名運(yùn)筆動(dòng)態(tài)、壓力分布和節(jié)奏沒有因書寫工具不同而改變。

3.1.2 簽名墨跡與其復(fù)寫字跡的線條寬窄、墨色深淺方面的對(duì)應(yīng)比較

以往文件檢驗(yàn)人員通過放大觀察墨跡中筆劃線條寬窄的變化來判斷筆壓的大小變化。但是，筆劃寬度及其變化、墨色深淺（包括漏白）等二維形態(tài)與許多因素相關(guān)，除了筆壓，還包括書寫工具出墨量的多少、墨水在紙張上的滲透作用、書寫摩擦力的大小、書寫速度的快慢等。

比較結(jié)果表明，簽名墨跡與其復(fù)寫字跡對(duì)應(yīng)線條的寬窄深淺不相一致（見圖2）。值得注意的是，復(fù)寫字跡中筆劃線條寬窄變化較為顯著。筆者認(rèn)為，這是因?yàn)楣P尖與紙張接觸面大小決定了線條寬窄，排除側(cè)鋒書寫方式的因素，筆壓大小與硬筆尖接觸紙張的面積大小成正比。復(fù)寫樣本能夠通過字跡線條寬窄變化和著色深淺較為清晰而單純地反映筆壓特征。

3.1.3 突顯筆壓特征的復(fù)寫字跡

筆者通過復(fù)寫字跡所反映的筆壓特征，從四個(gè)方面考察了筆壓特征的特點(diǎn)和穩(wěn)定性，它們分別是：（1）分布于整個(gè)簽名的運(yùn)筆輕重習(xí)慣；（2）分布于單字或偏旁中的運(yùn)筆輕重分布特點(diǎn)；（3）連筆動(dòng)作中運(yùn)筆輕重力度的分布和節(jié)奏；（4）單個(gè)筆劃中運(yùn)筆力度變化特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)中高水平摹仿者在摹仿簽名時(shí)刻意注重運(yùn)筆力度變化，盡可能使摹仿字跡自然流利，不留筆劃生澀、抖動(dòng)等現(xiàn)象。裸眼不易辨識(shí)被摹仿簽名與摹仿簽名墨跡上的筆壓特征差異，而兩者在復(fù)寫字跡上筆壓特征差異清晰可辨。即使是針對(duì)筆壓變化不大的簡單型簽名，也是如此（見圖3）。

由此可見，個(gè)人簽名筆壓特征既穩(wěn)定且獨(dú)特，可以反映在筆跡中。然而，僅僅分析筆跡的二維形態(tài)特點(diǎn)，多重混雜的信息將干擾筆壓特征的利用。簽名筆跡檢驗(yàn)中對(duì)其充分利用的前提是筆壓特征的完整清晰顯現(xiàn)。本文重點(diǎn)探討筆壓特征顯現(xiàn)的方法，對(duì)于個(gè)人簽名筆壓特征的獨(dú)特性和穩(wěn)定性在此不做過多贅述。

3.2 顯現(xiàn)筆壓特征方法的優(yōu)缺點(diǎn)

3.2.1 體視顯微鏡側(cè)光觀察法

目前最常見的筆壓特征分析方法是在體視顯微鏡下側(cè)光觀察。側(cè)光光源是通過形成立體凹痕的光與影來突出壓痕，因此單方向的側(cè)光效果最好。組成漢字的諸多筆劃的方向卻是多樣的，單方向側(cè)光的弊病在于無法同時(shí)顯現(xiàn)各個(gè)方向的筆劃壓痕的深淺。如果拍攝整個(gè)簽名，放大倍數(shù)較低，不足以顯示細(xì)節(jié)，加上側(cè)光投射方向單一，單幅影像不能充分反映筆壓特征（見圖4-B）。利用較大的放大倍數(shù)，同時(shí)按照筆劃線條的方向調(diào)整側(cè)光光源的投射方向，能夠幫助分析單個(gè)筆劃中的運(yùn)筆壓力分布，但是這些支離破碎的印象很難形成對(duì)偏旁、單字和整個(gè)簽名上筆壓分布情況的分析，通過與復(fù)寫字跡比較，其弱點(diǎn)較為突出（見圖4）。

圖4 體視顯微鏡下字跡的側(cè)光影像與其墨跡掃描圖像和復(fù)寫字跡比較

另一問題在于，體視顯微鏡下側(cè)光觀察壓痕時(shí)，無法排除墨色干擾。實(shí)驗(yàn)中使用的黑色墨水有3種：油性墨、水性墨和中性墨。圓珠筆形成的墨跡條痕明顯，中性筆墨跡線條有漏白和擠墨現(xiàn)象，水性筆墨色均勻，筆劃邊緣有洇散。由于墨水特性不同，對(duì)于在體視顯微鏡下側(cè)光觀察書寫壓痕的干擾也有所不同。

3.2.2 側(cè)光紅外影像顯現(xiàn)法

去除墨色干擾的方法之一是利用紅外線攝影。一些黑色書寫墨水，尤其是染料墨水，具有反射或透過紅外線的性能。因此，其紅外影像中墨跡變得無色。結(jié)合文件檢驗(yàn)儀中的側(cè)光光源和紅外濾光鏡，可以便捷地獲取簽名墨跡的紅外影像，從而達(dá)到去除墨色而顯現(xiàn)筆跡壓痕的目的。一些實(shí)驗(yàn)樣品的墨跡在紅外影像中變得無色，突顯整個(gè)簽名中的壓痕，但側(cè)光紅外影像法不適用于吸收紅外線的黑色墨跡。

文件檢驗(yàn)儀采集的側(cè)光紅外影像的視場較體視顯微鏡大，可以觀察整個(gè)簽名，有效去除墨色干擾。如果沒有文件檢驗(yàn)儀，側(cè)光光源下進(jìn)行紅外攝影可以獲得同樣的效果。但是，兩種設(shè)備都存在共同的缺陷：沒有改善體視顯微鏡下光源的方向單一的問題。圖5中可見文件檢驗(yàn)儀的兩個(gè)側(cè)光光源各自形成的影像有所差異，尤其是圓弧形筆劃中的壓痕。按照一些筆劃的方向適當(dāng)調(diào)整側(cè)光投射方向，獲得多幅圖片，應(yīng)該可以幫助較準(zhǔn)確地分析簽名筆壓。紅外影像法在顯現(xiàn)單字、偏旁和筆劃之間的筆壓變化方面均具有優(yōu)勢(shì)。紅外壓痕影像與復(fù)寫字跡比較，可見兩者所反映的筆壓特征基本一致。

圖5 同一簽名在文件檢驗(yàn)儀兩個(gè)側(cè)光下獲得的紅外影像的比較（箭頭指出不同之處）

本文重點(diǎn)研究顯現(xiàn)黑色墨跡的另一個(gè)原因是：常見的藍(lán)色墨水或油墨的顏色較淺，肉眼易于分辨其變化，而人眼對(duì)黑色的色彩分辨力較差。再者，彩色墨跡大多對(duì)紅外線反射或透過，側(cè)光紅外影像法基本能夠解決顯現(xiàn)壓痕問題。顯現(xiàn)吸收紅外線的黑色墨跡中的壓痕就需要更多的方法來實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 靜電壓痕儀顯現(xiàn)法

靜電壓痕儀顯現(xiàn)實(shí)驗(yàn)是對(duì)簽名墨跡所在的紙張背面進(jìn)行壓痕顯現(xiàn)，獲得的影像只反映壓痕的凸凹，沒有墨色的干擾。對(duì)于無法在紅外攝影中去除墨色的黑色簽名筆跡，不失為一個(gè)可取的顯現(xiàn)方法。為了克服靜電壓痕影像分辨率不高的問題，本研究采用超細(xì)玻璃珠為顯影粉的載體，同時(shí)，較為嚴(yán)格地控制紙張濕度，獲得的顯現(xiàn)效果較好。靜電壓痕影像中筆劃線條的寬窄深淺能夠反映整個(gè)簽名、單字、偏旁、筆劃各方面的運(yùn)筆壓力分布，與復(fù)寫字跡中反映的筆壓特征基本一致（見圖6）。此法缺陷在于一方面靜電壓痕儀顯現(xiàn)對(duì)紙張的濕度要求較為苛刻，另一方面，如簽名部位紙張上存在其他壓痕或汗液指紋等干擾，或者顯影不均勻等情況，筆壓特征的分析將受到不利影響。

圖6 靜電壓痕儀顯現(xiàn)圖像與復(fù)寫字跡中簽名筆壓特征的比較

3.2.4 顯微圖像三維重建法

更加精確的壓痕顯現(xiàn)需要放大倍數(shù)較高的顯微鏡來實(shí)現(xiàn)。視頻金相顯微鏡系統(tǒng)已能夠通過圖像處理軟件的景深擴(kuò)展和自動(dòng)拼接功能，實(shí)現(xiàn)高倍放大且高分辨率，并克服視場小且景深小的問題。本研究中利用了這樣的現(xiàn)代顯微鏡系統(tǒng)進(jìn)行了顯微圖像的三維重建來顯現(xiàn)簽名筆跡的三維形態(tài)。顯微鏡自帶軟件可以動(dòng)態(tài)顯示簽名筆跡的可視化三維數(shù)據(jù)。圖7是分析這種三維重建圖像時(shí)的截屏圖片。此類三維重建圖像的制作過程為：先Z軸上自動(dòng)連續(xù)、等步進(jìn)聚焦拍攝一組顯微照片，利用每張圖像焦點(diǎn)的高度信息重建三維圖像；然后XY軸平移拍攝這樣的多組照片自動(dòng)拼接合成一張視場較大的三維圖像（見圖7-B）。

此法優(yōu)勢(shì)在于清晰描繪簽名筆跡的真實(shí)立體形態(tài)，適合顯現(xiàn)和分析單一筆劃、連筆動(dòng)作、偏旁等局部的筆壓特征。缺點(diǎn)是設(shè)備較為昂貴，拍攝時(shí)間較長，影像中墨色干擾仍然存在。

圖7 用顯微圖像三維重建法分析部首“非”時(shí)的截屏圖像

3.2.5 激光共聚焦掃描顯微鏡法

要獲得簽名墨跡的高清晰度三維圖像同時(shí)去除墨色，本研究嘗試?yán)昧思す夤簿劢箳呙栾@微鏡。它是顯微鏡利用共軛聚焦原理和裝置，采用激光作為光源逐點(diǎn)掃描物體表面，并通過電子攝像和數(shù)字化手段生成圖像。激光共聚焦掃描顯微鏡圖像獲取的是物體表面不同高度層面的信息，而不是顏色信息。其影像反映紙上墨跡的三維表面性狀，也是精確定量分析壓痕深度的一種方法。但更重要的是，激光共聚焦掃描顯微鏡系統(tǒng)通過數(shù)字處理可以將壓痕深度信息進(jìn)行可視化顯示，準(zhǔn)確展現(xiàn)壓痕深淺的分布狀況，可供筆跡檢驗(yàn)人員分析利用筆壓特征。圖8-B是將激光共聚焦掃描顯微鏡所獲得的部首“非”處紙張的高度信息轉(zhuǎn)化為灰度信息來顯示的圖像，即用灰度值的明暗對(duì)應(yīng)紙張上高度值的大小，直觀顯示高度信息。可見，它能夠精確顯現(xiàn)簽名中筆劃、偏旁的壓痕深淺分布，與復(fù)寫字跡的筆壓特征表現(xiàn)一致（見圖8）。圖像沒有顏色信息，達(dá)到去除筆跡墨色干擾的目的。

盡管新型激光共聚焦掃描顯微鏡結(jié)合高速掃描機(jī)構(gòu)和處理軟件，可以擴(kuò)大其視場直至整個(gè)字的范圍，但耗費(fèi)的時(shí)間較長。此外，由于儀器設(shè)備較為高端，此法不易普及。

圖8 部首“非”的墨跡及其激光共聚焦圖像與其復(fù)寫字跡

4 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)上述設(shè)備所獲得的顯現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)表明五種方法在展現(xiàn)筆壓特征上各有優(yōu)缺點(diǎn)。體視顯微鏡加配側(cè)光光源可借助光與投影呈現(xiàn)壓痕，但由于光源方向的限制，不同行筆方向的筆劃壓痕無法同時(shí)全部展示，而且筆跡墨色影響了筆壓特征的分析利用。側(cè)光紅外攝影圖像可以克服墨色的干擾，但光源方向單一的問題仍然存在。靜電壓痕顯現(xiàn)影像盡管分辨率較低，但通過線條寬度和顏色深淺的變化能夠輕易顯示簽名各方面的筆壓特征。更高清晰度的顯現(xiàn)就需要高分辨率顯微鏡。配上電動(dòng)平臺(tái)和圖像處理軟件，視頻金相顯微鏡可以捕捉多幅顯微照片，并進(jìn)行三維重建，展現(xiàn)簽名筆跡中局部的筆壓特征，但是墨跡顏色無法去除。激光共聚焦掃描顯微鏡圖像及其準(zhǔn)確測量數(shù)據(jù)提供筆跡的三維表面性狀，克服了墨水顏色的干擾。筆者認(rèn)為，文件檢驗(yàn)人員應(yīng)該盡可能利用多種可利用的設(shè)備，揚(yáng)長避短，才能確保簽名筆壓特征的客觀準(zhǔn)確的分析和利用，從而為筆跡鑒定提供可靠的依據(jù)。

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