簽名筆跡筆力特征量化分析模型的構建

李震

（中國刑警學院 遼寧 沈陽 110035）

簽名筆跡筆力特征量化分析模型的構建

李震

（中國刑警學院 遼寧 沈陽 110035）

筆力特征反映書寫人書寫時用筆的力度，動態(tài)展示運筆力度的變化情況。將簽名運動過程中筆壓的變化規(guī)律和簽名筆跡靜態(tài)圖像的顏色變化建立數(shù)學模型，利用簽名筆跡二維靜態(tài)圖像的顏色深淺變化反映簽名筆跡的筆力特征的變化，結合計算機技術顯示筆跡中各點的相對筆力值。通過大量的實驗獲取靜態(tài)簽名筆跡顏色變化與筆力變化的數(shù)學模型。運用筆力特征的量化分析為專家做出鑒定結論提供客觀依據(jù)。

簽名 筆跡 筆力特征 量化分析

通常的簽名筆跡鑒定主要依靠筆跡專家的專門知識和經(jīng)驗進行鑒別和判斷。鑒定過程中往往不可避免地包含了主觀因素，這些主觀因素難于量化，更不易清楚直白地展示出來。由于缺乏足夠的、令人信服的量化指標，有時難以做出鑒定結論。開展簽名筆跡相關筆跡特征計算機量化的系統(tǒng)研究，是推進筆跡檢驗技術繼續(xù)發(fā)展的必然要求。其中，筆力特征反映書寫人書寫時用筆的力度，動態(tài)展示運筆力度的變化狀態(tài)。筆力特征是客觀存在的物質現(xiàn)象，是認識筆跡和個人書寫習慣的一個重要手段。書寫活動在行筆過程中，不是使用單一的執(zhí)筆力度，而是在起筆、行筆、收筆、連筆過程發(fā)生壓力的變化。筆力特征需要通過筆畫的粗細和墨跡的濃淡分布狀況來進行分析。不同人在簽名過程中運筆的速度和壓力各不相同，這些特點雖然表現(xiàn)輕微，不易察覺，但卻能較好的反映個人書寫習慣。

1 量化分析模型的總體設計

簽名筆跡是書寫運動的軌跡，它的運動不僅僅局限于二維空間，也不是勻速運動，它是一個立體、動態(tài)的形象。聯(lián)機書寫時通過書寫板可以獲取動態(tài)的筆跡信息，除了我們通常能看到的二維圖像外，還可能包括下筆時的壓力，即用筆輕重及其變化的規(guī)律。但是對于脫機筆跡鑒別時，我們所能獲得的僅僅是書寫筆跡的二維圖像，而且還不等同于書寫運動的軌跡。將簽名運動過程中筆壓的變化規(guī)律和簽名筆跡靜態(tài)圖像的顏色變化建立相關函數(shù)聯(lián)系，利用簽名筆跡二維靜態(tài)圖像的顏色深淺變化反映簽名筆跡的筆力特征變化的情況，并結合計算機技術顯示筆跡中各點的相對筆力值。將二維簽名圖像256色位圖轉換成灰度圖，將利用每個像素的RGB分量計算每種顏色的對應灰度值，Y即是亮度，也就是圖像的灰度值。

由于人眼對灰度微弱遞變的敏感程度遠遠小于對色彩變化的敏感程度。人眼能分辨的灰度級介于十幾級到二十幾級之間，而對不同亮度和色調的彩色分辨能力可達到灰度分辨能力的百倍以上。利用人體視覺系統(tǒng)的這一特性，再將灰度圖像轉化成彩色圖像或改變已有的色彩分布，將會極大改善圖像的可分辨性。因此將一幅灰度圖按照特定的彩色編碼表進行彩色變換，這樣就可以看到圖像更加精細的結構。通過多次實驗確定適當?shù)念伾瘮?shù)，利用顏色函數(shù)將灰度圖像中各個象素的灰度值變換成不同的顏色，將本不清晰的筆力變化情況變得更加清楚，輔助鑒定人通過變換的簽名筆跡圖像判斷筆力特征變化情況，為識別簽名摹仿提供強有力的科學依據(jù)。

2 筆力特征量化分析軟件的設計

2.1 軟件開發(fā)平臺選擇

基于對簽名筆跡筆力特征量化分析軟件的結構分析，以Windows XP為操作系統(tǒng)平臺，使用Visual Studio.NET作為系統(tǒng)開發(fā)工具，采用較為流行的C#編寫軟件系統(tǒng)。C#是一種安全的、穩(wěn)定的、簡單的，由C和C++衍生出來的面向對象的編程語言。它在繼承C和C++強大功能的同時去掉了一些它們的復雜特性。C#綜合了VB簡單的可視化操作和C++的高運行效率，并充分考慮到系統(tǒng)的易用性，可靠性和靈活性。

2.2 系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)中，筆力特征的量化分析由圖像導入、灰度直方圖分析、圖像處理、筆力特征顏色設置和筆力特征量化分析五部分組成。其工作流程為：導入圖片→觀察分析檢材樣本的灰度直方圖→檢材樣本圖像處理→筆力特征顏色設置→筆力特征量化分析。

（1）導入圖片。鑒定人分別將檢材和樣本圖片選入至系統(tǒng)中，可采用一份檢材對一份樣本的形式，也可采用一份檢材對多份樣本。

（2）灰度直方圖分析?；叶戎狈綀D是灰度級的函數(shù)，它表示圖像中具有某種灰度級的像素的個數(shù)，反映了圖像中某種灰度出現(xiàn)的頻率。如果將圖像中的灰度級別看成是一個隨機變量，則其分布情況就反映了圖像的統(tǒng)計特性。分別對檢材圖片和樣本圖片進行灰度直方圖分析，了解其灰度值域范圍及主要像素分布情況，以此為下一步筆力特征顏色設置提供理論依據(jù)和實踐基礎。

（3）圖片處理。將檢材和樣本的彩色圖片，利用公式（1）分別進行灰度化，使彩色圖片轉化成二維灰度圖片。

（4）筆力特征顏色設置。選取適當?shù)念伾蛏屎瘮?shù)是該模型的技術關鍵，在灰度直方圖分析的基礎上需要通過多次實驗確定適當?shù)念伾瘮?shù)，對每一段灰度值進行色彩轉換。

（5）筆力特征量化分析。利用選取的顏色函數(shù)分別對檢材和樣本的灰度圖片進行偽彩色變換，將檢材和樣本的灰度圖片轉換成顏色函數(shù)控制的彩色圖片，檢材與樣本圖片中筆畫間的色彩使原本不易于觀察的簽名筆力變化更加明顯。

2.3 模塊化程序設計

本系統(tǒng)所涉及的信息量大，數(shù)量多，所以應采用模塊化程序設計思想。本系統(tǒng)從功能實現(xiàn)角度可劃分為以下幾個模塊：

（1）圖像導入保存模塊。圖像導入使用OpenFile Dialog控件調用FileStream類將圖片二進制流讀入圖片框中。部分程序代碼如下:

圖像保存使用SaveFileDialog控件存儲為具體的圖片格式。默認保存為BMP文件、Gif文件、JPEG文件和PNG文件。程序代碼如下:

（2）對象控制模塊。對象控制模塊將檢材和樣本圖片分別讀取到對應的圖片框中，通過邏輯控制語句判斷引用對象，是整個軟件系統(tǒng)中控制中樞，以下各模塊運行時，必須首先通過對象控制模塊確定運行對象是檢材簽名圖片還是樣本簽名圖片。

（3）灰度直方圖模塊?；叶戎狈綀D模塊在系統(tǒng)中用來顯示檢材或樣本簽名圖片的灰度范圍，根據(jù)實際觀察的灰度范圍再進行進一步的判斷，分別了解檢材和樣本簽名圖片灰度峰值及峰值范圍，為筆力特征顏色設置選擇正確的色彩變換閾值（如圖1所示）。

圖1 檢材簽名圖片的灰度直方圖

（4）筆力特征顏色設置模塊。筆力特征設置是本軟件模型的核心模塊，需要根據(jù)檢材和樣本簽名灰度直方圖顯示的灰度閾值，確定色彩設置的起始范圍和區(qū)間，通過多次反復調校達到較為理想的顯示效果（如圖2所示）。

（5）圖片灰度化模塊。針對彩色圖片，需要對其進行灰度化，利用公式（1），將其在圖片中灰度化。

（6）筆力特征量化分析模塊。利用筆力特征顏色設置模塊設置的色彩函數(shù)，將檢材和樣本的灰度圖進行偽彩色函數(shù)變換，整個簽名的運筆細節(jié)顯示出不同的顏色，從而為鑒定人判斷檢材簽名是否存在“形快實慢、抖動彎曲、停筆另起、筆力平緩”等摹仿筆跡特點起到明顯的輔助作用（如圖3所示）。

圖2 筆力特征顏色設置界面

圖3 筆力特征量化分析模塊的功能

3 討論

開發(fā)簽名筆跡筆力特征分析系統(tǒng)可以利用計算機對簽名筆跡的鑒定起到輔助作用，利用此系統(tǒng)可以對靜態(tài)二維圖像即涉案的簽名筆跡的檢材和樣本的筆力分布情況進行計算機模擬顯示，并記錄筆跡上各像素點的壓力值。本系統(tǒng)對摹仿簽名的形快實慢、中途停頓、修飾重描和筆力平緩四個特點反映更加明顯，摹仿簽名中發(fā)生這四處反常跡象的筆力分布與樣本不盡相同，這為判斷簽名是否摹仿提供有力的參考。甚至即使針對難度較高的憶摹簽名和練習摹仿簽名的檢驗工作中，使用該系統(tǒng)也可提高鑒定準確率。

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[6]修乾.基于Web的NET應用程序開發(fā)[J].計算機工程，2003，29(21).

（責任編輯：于 萍）

TP309

A

2014-1-12

公安部應用創(chuàng)新計劃項目（編號：2013YYCXXJXY107）。

李震（1980-），男，遼寧沈陽人，中國刑警學院文件檢驗系講師，碩士，主要從事文件檢驗相關研究。