運用筆跡三維信息提取分析儀對正常簽名書寫力的研究

申思，韓丹巖(.浙江警察學(xué)院 刑事科學(xué)技術(shù)系，浙江 杭州30053;.中國刑事警察學(xué)院，遼寧 沈陽0035)

運用筆跡三維信息提取分析儀對正常簽名書寫力的研究

申思1，韓丹巖2
(1.浙江警察學(xué)院 刑事科學(xué)技術(shù)系，浙江 杭州310053;2.中國刑事警察學(xué)院，遼寧 沈陽110035)

目的 探索速度變化、不同襯墊條件和不同書寫工具等書寫條件之下，簽名書寫壓力的穩(wěn)定程度和變化規(guī)律。方法 運用筆跡三維特征提取分析儀的壓力彩色圖顯、壓痕去墨色圖顯、壓痕深度曲線分析等功能，分析正常簽名筆跡的三維信息。 結(jié)果書寫速度、襯墊條件和書寫工具的改變對正常簽名筆跡的書寫壓力均存在影響。 結(jié)論 慢速簽名的筆力分布相對快速筆跡更均衡，筆跡壓痕的深度與書寫速度無穩(wěn)定對應(yīng)關(guān)系;筆痕深度隨襯墊物厚度增加而加深，達(dá)到最大值后繼續(xù)增加襯墊物的厚度，凹痕深度反而變小，筆力較大者筆痕達(dá)到最大值時所需襯墊物的頁數(shù)大于筆力較小者;中性圓珠筆字跡與油性圓珠筆字跡的筆痕形態(tài)明顯不同，中性圓珠筆字跡筆畫邊緣凸起的高度大于油性圓珠筆字跡。

筆跡;三維信息;簽名;書寫壓力

在筆跡檢驗學(xué)科發(fā)展較為成熟的今天，鑒定人對筆跡特征的認(rèn)識和運用都較為深入，能夠解決當(dāng)前司法領(lǐng)域中出現(xiàn)的絕大多數(shù)筆跡鑒定問題。但是，這些認(rèn)識大多局限于二維層面，大多數(shù)人對筆跡三維信息并不熟悉。

所謂筆跡三維信息，是指書寫過程中，書寫器官通過筆尖作用于承受物的力的大小和方向的變化規(guī)律，外化成筆跡后的具體征象，即筆尖擠壓承受物使之變形后，形成的筆跡壓痕的形態(tài)和深度的變化。與傳統(tǒng)的筆跡特征相比，筆跡三維信息同樣具備穩(wěn)定性、反映性和特殊性，但同時又具備了隱蔽性，不易被人察覺和摹仿。因此這類特征具備較高的鑒定價值，非常值得探索。

以往對動態(tài)筆跡特征的研究，主要依靠手寫板等工具，實時采集在線筆跡的書寫速度、加速度和角速度等信息，但是這些成果都無法應(yīng)用于實際檢驗。本文的所有研究均針對離線筆跡，即已經(jīng)書寫在紙面上的靜態(tài)字跡。實驗結(jié)論能夠直接運用于筆跡檢驗工作，實用性較強(qiáng)。

簽名字跡是個人筆跡系統(tǒng)中書寫次數(shù)最多、頻率最高的字跡，書寫時的動力定型也最為穩(wěn)定。本文以此為突破口，利用筆跡三維信息提取分析儀，設(shè)計專項實驗，探索不同書寫條件下，正常簽名的書寫力呈現(xiàn)出怎樣的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 儀器

筆跡三維信息提取分析儀(由中國刑警學(xué)院文件檢驗技術(shù)系和北京天遠(yuǎn)三維科技有限公司聯(lián)合開發(fā))，中性圓珠筆，油性圓珠筆，復(fù)印紙，賬簿紙。

1.2 方案和樣本制作

1.2.1 正常書寫簽名

選擇最理想的書寫條件(下文簡稱“理想條件”)，即書寫工具為中性圓珠筆，承受物為空白復(fù)印紙，襯墊物厚度適中(5張復(fù)印紙)，正常書寫速度與書寫姿勢，書寫人心理與生理狀態(tài)平和。要求每位志愿者在該條件下書寫正常簽名20次，作為一組。采集并分析每組簽名的筆跡三維特征，探索理想書寫條件下正常簽名書寫壓力的變化規(guī)律。

1.2.2 速度變化簽名

除了書寫速度變化，其余均采用理想條件。書寫速度分為快速與慢速兩種，要求每位書寫人在不過分改變正常簽名形態(tài)和筆順的基礎(chǔ)上，盡量提高或降低書寫速度，快速簽名與慢速簽名各20次，分為快寫與慢寫兩組。通過比對兩組簽名，探索不同書寫速度下簽名書寫壓力的變化規(guī)律。

1.2.3 不同襯墊條件簽名

除襯墊物條件變化，其余均采用理想條件。為使實驗結(jié)果更鮮明，本實驗選擇極薄且柔軟的賬簿紙作為襯墊物。襯墊條件按照襯墊紙張頁數(shù)分類，從無襯墊到180頁賬簿紙，每級相差30頁，共分為7個等級。要求志愿者在每種襯墊條件下分別書寫20次簽名，分為7組。通過比對七組簽名，探索不同襯墊條件下簽名筆跡壓痕的變化規(guī)律。

1.2.4 不同書寫工具簽名

選用油性圓珠筆和中性圓珠筆兩種書寫工具，其余均采用理想條件。要求每位書寫人使用兩種筆書寫簽名各20次，分為中性圓珠筆和油性圓珠筆兩組。通過比對兩組簽名，探索不同書寫工具簽名書寫壓力的變化規(guī)律。

1.2.5 樣本制作

根據(jù)上述實驗方案，本實驗邀請了30位中國刑警學(xué)院學(xué)生，年齡介于20～28歲之間，參與實驗樣本的制作，每人在不同的書寫條件下完成11組簽名，每組20枚，每人總計書寫簽名220枚。

由于本系統(tǒng)精度達(dá)到微米級，紙張的本身褶皺和有壓痕的紙張格線都會對數(shù)據(jù)采集造成影響。考慮到本次實驗只是系統(tǒng)的初次研發(fā)與探索，在實驗中僅選用平整的空白復(fù)印紙為書寫承受物，其他類型的書寫承受物留在下一階段探討。各組實驗樣本的詳細(xì)書寫條件(見表1)。

表1 實驗樣本分類列表

1.3 實驗原理

筆跡三維信息提取儀是本文的主要設(shè)備，該設(shè)備不僅能夠準(zhǔn)確提取筆跡的三維數(shù)據(jù)，還具備一系列數(shù)據(jù)分析和處理功能，現(xiàn)簡要介紹其主要功能。

1.3.1 壓力彩色圖顯

筆跡三維信息提取儀一方面能夠再現(xiàn)簽名的二維形態(tài)，另一方面還能夠以不同的色彩展示筆跡中各點的深度坐標(biāo)(下簡稱Z坐標(biāo))。以圖1為例，右圖中綠色部分為紙平面，紅色至黃色部分高于平面，藍(lán)色部分低于平面，顏色越深處筆跡壓痕越深。

1.3.2 壓痕去墨色圖顯

該項功能旨在去除被測簽名原本的油墨顏色，純粹展現(xiàn)筆跡壓痕形態(tài)(見圖2)。

1.3.3 筆痕深度曲線分析

筆痕深度曲線可理解為某一筆畫中各像素點的Z坐標(biāo)構(gòu)成的二維曲線，在平面坐標(biāo)系中表現(xiàn)為:X軸是某一點在選定筆畫中的相對位置，Y軸是該點的紙張凹陷深度。如圖3，按照正常運筆方向，由右至左拖拽鼠標(biāo)，選定“于”字的勾畫，得到筆痕深度曲線:Z坐標(biāo)由深至淺，收筆處最淺。

1.3.4 Z軸極值分析

該功能并非筆跡三維信息提取儀自帶的功能，而是對其提取到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。每個簽名經(jīng)采集后都以點云矩陣的方式存儲在電腦中，每個字甚至每一畫都被分解為數(shù)以萬計的點，想通過量化方式掌握筆跡壓痕的變化規(guī)律，應(yīng)當(dāng)首先從海量數(shù)據(jù)中選出價值較高的數(shù)據(jù)。

三維檢測軟件Geomagic Qualify可以在簽名筆跡的三維模型與二維紙平面間做減法，從而獲得筆跡模型中各點與紙平面間的距離，該值小于零時可以視為該點處紙面凹陷的深度值，大于零時則視為筆跡兩側(cè)的紙張受力突起后高于紙平面的數(shù)值。所謂Z軸極值，就是該軟件得出每個簽名樣本中最低點和最高點與紙平面的距離，該值是某一條件下紙張變形程度的最佳體現(xiàn)。考慮到書寫活動并非機(jī)械運動，因此利用每組20枚簽名的平均值，代表該條件下的整體水平。

圖1 “王茜”原始簽名與壓力彩色圖顯效果

圖2 “于淼”原始簽名與去墨色顯示

圖3 “于”字勾畫筆痕深度曲線

2 正常簽名書寫壓力的變化規(guī)律

2.1 正常書寫簽名的規(guī)律

2.1.1 壓力彩色圖顯

圖4為同一人在理想條件下書寫的4枚正常簽名。由圖4可以發(fā)現(xiàn)每個簽名的筆痕深淺分布近乎一致，均存在如下特征:“李”字撇畫筆痕較其他筆畫明顯偏淺，且收筆處更淺;豎畫起筆壓痕深，收筆時逐步變淺;捺畫較撇畫壓痕深，但收筆處變淺;“子”部與“文”字中的連筆的筆痕深淺有序，規(guī)律鮮明。

圖4 正常簽名壓力彩色圖顯

同時，也有少數(shù)細(xì)節(jié)存在差異:如簽名3中豎畫的筆痕深度幾乎不變，一反常規(guī)。但這只是非本質(zhì)差異，不違背書寫習(xí)慣的總體穩(wěn)定性，屬合理現(xiàn)象。

總之，正常書寫簽名時，個人書寫壓力的大小分布與變化規(guī)律總體穩(wěn)定，僅存在偶然差異。

2.1.2 壓痕深度曲線分析

圖5為從兩枚李文簽名中選出的四組筆畫的深度曲線比對。由該圖可知:“李”字捺畫起筆深收筆淺，說明筆力由重到輕;“文”字點畫也存在著由淺到深再變淺的變化，反映出筆力細(xì)膩的變化;“文”字末筆中，捺畫的壓痕明顯比撇畫深，說明收筆時筆力加重。由此可知，每組筆畫的深度曲線基本走勢一致。

每組曲線間的差異體現(xiàn)在兩方面:一是個別點的深度值不同，二是曲線整體位移，如上圖中兩個“李”字捺畫的曲線雖走勢相同，但一深一淺，存在整體位移。差異出現(xiàn)的原因在于:首先，在微米級的精度下，紙張纖維、褶皺或筆尖出墨不均等細(xì)微因素，均有可能造成個別點的深度偏差，這類誤差可以適當(dāng)忽略;第二，同一人多次書寫簽名時筆力難免時重時輕，筆痕整體加深或變淺是正?，F(xiàn)象，所謂筆跡三維信息的穩(wěn)定性是指變化規(guī)律相對穩(wěn)定而不是具體數(shù)值的絕對一致，因此第二種差異是合理的。

圖5 簽名壓痕深度曲線比對

2.2 速度變化簽名的規(guī)律

2.2.1 壓力彩色圖顯

通過快速與慢速簽名筆跡的壓力彩色圖顯的對比，發(fā)現(xiàn)差異表現(xiàn)為:一方面，慢速簽名中收筆頓壓處筆痕較深，在快速簽名中卻由深變淺呈遞減趨勢;另一方面，快速簽名中，筆力重處壓痕極深，筆力輕處壓痕極淺，兩者差異顯著，并且存在筆痕深淺驟變的現(xiàn)象(見圖6中箭頭所指處)，而慢速簽名中筆痕深度的變化相對平緩、均勻。這說明:書寫速度的變化會導(dǎo)致部分筆畫的壓力分布發(fā)生改變;快速簽名書寫力變化急促，輕重分明，而慢速書寫時壓力變化相對平緩。

圖6 速度變化筆跡壓力彩色圖顯

在速度變化筆跡的比較過程中，除了存在差異，也存在相同點:細(xì)節(jié)性的書寫壓力特征，如起收筆處壓力的輕重，在快速與慢速簽名中均穩(wěn)定存在。例如圖6，仔細(xì)觀察就會發(fā)現(xiàn)書寫人習(xí)慣在橫畫起筆處大力頓壓，無論是快速簽名還是慢速簽名，橫畫起筆處均壓痕較深。

2.2.2 壓痕深度曲線分析

通過分析比對所有書寫人的快速與慢速簽名中特征價值較高的筆畫的壓痕深度曲線，可以得出以下結(jié)論:

(1)因速度變化而改變運筆力度和形態(tài)的筆畫，其壓痕深度曲線的走勢變化較大，但起筆和收筆處的細(xì)節(jié)性筆力特征不會改變;形態(tài)和運筆特征不受速度影響或受影響較小的筆畫，其壓痕深度曲線的走勢穩(wěn)定，近乎一致;

(2)簽名筆跡壓痕的整體深度與書寫速度間不存在穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，僅與書寫人的個人習(xí)慣有關(guān)。

(3)快速簽名筆跡中筆力較重處與較輕處的壓痕深淺差別較大，Z坐標(biāo)值震蕩幅度大，驟變點多;而慢速簽名筆跡中筆力分布相對均勻，曲線走勢平穩(wěn)，變化緩慢，極少出現(xiàn)驟變。

2.3 不同襯墊條件簽名的規(guī)律

2.3.1 壓力彩色圖顯

根據(jù)日常書寫經(jīng)驗，筆痕深淺與襯墊物的質(zhì)地和厚薄相關(guān):襯墊物薄且質(zhì)地堅硬則筆痕淺，襯墊物較厚且柔軟則筆痕深。這種常識性觀點在襯墊條件實驗中不僅得到了驗證，也得到了完善與補充。

圖7是從0到150頁6種襯墊條件下壓力彩色圖顯效果，從中可知:無襯墊簽名的壓痕深度極淺，從30頁襯墊條件起，壓痕逐步加深，表現(xiàn)為壓力彩色圖中的藍(lán)色變深，90頁襯墊時筆痕達(dá)到最深;但120頁襯墊時，筆跡顏色雖仍比無襯墊時深，卻不及90頁襯墊條件的簽名，150頁襯墊與180頁襯墊條件下，筆痕深度達(dá)到穩(wěn)定水平。

圖7 不同襯墊條件簽壓力彩色圖顯

2.3.2 壓痕深度曲線分析

圖8是從上圖申思簽名中選取了“心”字勾畫，在3種不同襯墊條件下筆跡深度曲線。圖中綠、紅、藍(lán)三色分別表示無襯墊、90頁和120頁三種襯墊條件，上方是對應(yīng)的筆畫壓力彩色圖圖像。由圖可知:首先，三條曲線走勢接近;第二，曲線兩波谷對應(yīng)點在筆畫中的位置穩(wěn)定，分別對應(yīng)上面圖片中紅色箭頭所指部位;第三，三條曲線整體深度不同，按照綠、藍(lán)、紅的順序由淺至深。

其他實驗樣本呈現(xiàn)出的規(guī)律與上例一致，總結(jié)得出:不同襯墊條件下，正常簽名的書寫力輕重變化與分布規(guī)律保持穩(wěn)定，但是筆痕深度受到較大影響。

2.3.3 Z軸極值分析

表2為某人在不同襯墊條件下，各組20個簽名Z軸極值的平均值。將表中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為折線圖(圖9)，數(shù)值的變化趨勢一目了然。

總結(jié)收集到的所有簽名的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，可知在書寫力穩(wěn)定的前提下，同一人簽名筆跡的壓痕深度會隨著襯墊條件的變化而改變，具體的變化規(guī)律是:

(1)筆痕凹陷深度在無襯墊時最淺，隨襯墊物厚度增加而加深，并在某一厚度達(dá)到最低值，此后繼續(xù)增加襯墊物的厚度，凹痕深度反而回升，并逐步達(dá)到一穩(wěn)定值。

圖8 不同襯墊條件下“心”字勾畫深度曲線

(2)紙張受筆尖擠壓凸起的高度在無襯墊條件下為最高，隨著襯墊物加厚，該值逐步降低，同樣，在達(dá)到最低點之后，襯墊物厚度的增加會使該值變大，然后到達(dá)穩(wěn)定值。

(3)不同人簽名達(dá)到Z軸極值的襯墊物厚度各不相同，與其書寫時筆力的大小成正比。

表2 某人不同襯墊條件簽名Z軸極值平均值

圖9 某人不同襯墊條件簽名Z軸極值折線圖

2.4 不同書寫工具簽名的規(guī)律

2.4.1 壓痕去墨色圖顯

圖10中，上下兩行分別為同一人分別用中性圓珠筆和油性圓珠筆書寫的簽名字跡，左數(shù)第一列為原字跡，其余兩列分別為去墨色模式下筆痕的正視圖與側(cè)視圖。對比上下兩行可以發(fā)現(xiàn):第一，中性圓珠筆筆跡的筆痕邊緣凹凸不平，油性圓珠筆筆痕的邊緣相對平滑、均勻;第二，比較箭頭所指之處，可知前者細(xì)節(jié)形態(tài)清晰、凸起部分明顯高于紙平面，后者極少出現(xiàn)形態(tài)突出的細(xì)節(jié)、紙張凸起不明顯;第三，每個筆跡劃痕的左右(或上下)兩條邊緣紙張凸起的高度均存在差異，原因在于書寫器官和書寫工具相互作用的力學(xué)關(guān)系決定了書寫時筆尖向書寫器官一側(cè)傾斜并且對紙張施加較大的力，相應(yīng)地，筆畫內(nèi)側(cè)(即靠近書寫器官的一側(cè))造成的紙張變形明顯，紙張凸起距離較高。對比中性圓珠筆與油性圓珠筆字跡，發(fā)現(xiàn)前者筆畫邊緣的高度差大于后者?？傊?，兩種字跡的筆痕形態(tài)之間存在非常鮮明的差異。

圖10 中性圓珠筆與油性圓珠筆字跡壓痕去墨色圖顯對比

2.4.2 Z軸極值分析

通過去墨色模式下不同書寫工具簽名字跡的對比，我們發(fā)現(xiàn)中性圓珠筆字跡中紙張凸起的高度大于油性圓珠筆字跡，為進(jìn)一步驗證這一結(jié)論，可以進(jìn)一步分析Z軸極值。

經(jīng)統(tǒng)計，相同條件下，多數(shù)書寫人的中性圓珠筆簽名的Z軸最高值的平均值大于圓珠筆簽名的該值，變化幅度從10%～30%不等，個人書寫習(xí)慣和書寫條件均有可能對不同書寫工具簽名的邊緣凸起高度形成影響。這一結(jié)果足以證明由壓痕去墨色圖像中歸納出的結(jié)論:中性圓珠筆簽名字跡中，筆畫邊緣凸起的高度大于油性圓珠筆字跡(見表3)。

表3 不同書寫工具簽名Z軸最高值統(tǒng)計

3 結(jié)果與討論

根據(jù)本文的實驗結(jié)論，筆跡三維信息提取分析儀可以從以下幾個方面輔助筆跡檢驗工作:首先，壓力彩色圖顯和壓痕深度曲線兩項功能配合使用，可以準(zhǔn)確掌握個人正常簽名時筆力的輕重分布和變化規(guī)律;其次，根據(jù)快速和慢速筆跡三維信息的差異，可以識別出形快實慢等不正常筆跡的征象;最后，筆痕整體深度的變化，有可能是襯墊條件和書寫工具的變化所致，不應(yīng)歸類為本質(zhì)差異。

對于筆跡三維信息的探索，是推動筆跡檢驗學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵要素。鑒于本文是對筆跡三維信息進(jìn)行初步研究，因此選擇了大范圍淺深度的思路，僅對正常簽名的書寫壓力變化規(guī)律進(jìn)行了粗淺的探究。在今后針對特定書寫條件進(jìn)行深入的實驗研究中，相信能夠挖掘出更有價值的結(jié)論。

［1］賈玉文.筆跡檢驗［M］.北京:警官教育出版社，1999:102.

［2］樓益君.關(guān)于書寫壓力特征提取識別的基礎(chǔ)［D］.浙江:浙江大學(xué)，2006.

［3］劉寧，裴雷，吳亦，等.簽名筆跡筆壓特征顯現(xiàn)方法的比較研究［J］.中國司法鑒定，2014，(1):29-33..

［4］陳曉紅，賈玉文.筆跡動態(tài)特征的理論研究［J］.中國司法鑒定，2007，(1):40-43.

［5］徐玲.筆壓特征在文件檢驗中的應(yīng)用［J］.中國司法鑒定，2008，(1):51-53.

［6］Hook.C，J.Kempf.A Novel Digitizing Pen for the Analysis of Pen Pressure and Inclination in Handwriting Biometrics［M］. Maltoni.D.Biometric authentication.Berlin:Springer Berlin Heidelberg，2004:27.

(本文編輯:凌敬昆)

Research on Signature’s Writing Pressure with 3D Handwriting Information Acquisition AnaIyzer

SHEN Si1，HAN Dan-yan2
（1.Zhejiang Police College，Hangzhou 310053，China;2.Chinese Criminal Polversity，Shenyang 110035，China）

ObjectiveTo study the change and stability of signatures’writing pressure with different writing speeds，underlay and writing tools.MethodThe signature’s 3D information was analyzed by the 3D handwriting information acquisition analyzer，which has functions of pseudo color display，indentation display without no ink color and calculation of the depth of ink entries.ResuItsChanges of writing speed，underlay and writing tools all influenced the signature’s writing pressure.ConcIusionWriting pressure distributes more uniformly at relatively slow speed.Depth of handwriting’s indentation has no relevance with writing speed.It becomes deeper with the increase of underlay，but the value of depth decreases when adding papers after it reaches the maximal value.People with larger writing strength need less liner to reach the maximal value of indentation.Handwriting’s indentations are different between gel pens and ballpoint pens，as the former produce more obvious raised edge.

handwriting;3D information;signature;writing pressure

DF794.2

A

10.3969/j.issn.1671-2072.2015.06.013

1671-2072-(2015)06-0073-07

2015-06-15

公安部科技信化局(2012BAK02B00);公安部物證鑒定中心(2012BAK02B05)

申思(1989-)，女，助理講師，碩士，主要從事文件檢驗、聲紋鑒定研究工作。E-mail:15905819535@163.com。