反射變換成像技術(shù)顯現(xiàn)噴墨打印機(jī)星形輪齒痕個(gè)體特征

林 紅 裴 雷 劉 寧 倪茹涵

（1 中國(guó)刑事警察學(xué)院文件檢驗(yàn)技術(shù)系 遼寧 沈陽(yáng) 110035；2 南京市公安局物證鑒定中心 江蘇 南京 210012；3 江蘇警官學(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)系 江蘇 南京 210031；4 南京市公安局建鄴分局 江蘇 南京 210008）

1 引言

星形輪齒痕特征是噴墨打印文件上特有的機(jī)種特征和個(gè)體特征，它不受墨水特性、打印模式等諸多因素的影響[1-2]。在噴墨打印機(jī)輸紙系統(tǒng)中星形輪位于出紙部位，一般為帶有金屬齒的塑料輪或金屬薄片輪。有些打印機(jī)的星形輪有兩組，其中一組為壓紙輪，它們與出紙輥合作將紙張輸送出打印機(jī)；另一組為導(dǎo)紙輪，懸空位于導(dǎo)紙板上方，其下部沒(méi)有輥輪與其接觸。當(dāng)打印件傳送出打印機(jī)時(shí)，星形輪會(huì)在紙張上留下正面凹陷（有時(shí)可見(jiàn)背面突起）的棘孔狀的成趟痕跡，與輸紙方向平行。目前已有研究對(duì)星形輪的特征進(jìn)行了研究，主要是討論如何利用大面積成趟星形輪痕跡特征[3]，如何顯現(xiàn)和增強(qiáng)成趟星形輪特征。

一般體式顯微鏡下側(cè)光或透光觀察可以發(fā)現(xiàn)這些微小齒孔的位置，但是由于傳統(tǒng)影像受到光源方向的影響，無(wú)法清晰呈現(xiàn)針眼大小的齒孔的完整形態(tài)，喪失了利用細(xì)節(jié)形態(tài)特征的可能。顯微鏡下也能觀察星形輪齒部的大體特點(diǎn)，但由于景深范圍有限，加上難以克服的金屬反光，使顯微鏡下觀察和記錄齒尖尺寸和形態(tài)的工作難以進(jìn)行，而齒尖尺寸和形態(tài)正是研究其齒孔痕跡形態(tài)的重要參數(shù)。本文應(yīng)用反射變換成像技術(shù)（Reflectance Transformation Imaging，RTI），嘗試顯現(xiàn)星形輪齒尖及其對(duì)應(yīng)齒孔痕跡的細(xì)微形態(tài)，試圖發(fā)現(xiàn)其作為噴墨打印機(jī)個(gè)體特征的可能性。

RTI技術(shù)能夠捕捉被攝物表面三維的細(xì)節(jié)形態(tài)，并實(shí)現(xiàn)多種光照效果或渲染模式，它的前身是2001年Tom Malzbender發(fā)明的多項(xiàng)式紋理映射（Polynomial Texture Mapping）技術(shù)[4]。RTI技術(shù)是基于攝影的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，從二維照片中獲得三維數(shù)據(jù)，首先需要來(lái)自于同一被攝物的幾十張數(shù)字?jǐn)z影照片的數(shù)據(jù)。拍攝時(shí)相機(jī)和被攝物必須固定，而相同光源從不同角度照射同一個(gè)被攝物，每一個(gè)光位獲得一張照片。經(jīng)過(guò)一定的數(shù)學(xué)方法，被攝物的表面法向量（三維信息）被提取出來(lái)?；诜ㄏ蛄亢皖伾畔ⅲ琑TI技術(shù)能夠展現(xiàn)普通攝影所無(wú)法記錄和呈現(xiàn)的豐富細(xì)節(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)針對(duì)兩種型號(hào)三臺(tái)噴墨打印機(jī)進(jìn)行：一臺(tái)Canon iP2780和兩臺(tái)Epson Stylus Photo R330。一般星形輪的金屬齒會(huì)造成照片紙光滑細(xì)膩涂層的局部破壞，較普通打印紙容易反映出金屬齒尖截面的形態(tài)，因此，實(shí)驗(yàn)選用Epson經(jīng)濟(jì)照片紙打印數(shù)張樣本，采集實(shí)驗(yàn)用打印機(jī)的星形輪齒痕。隨后打開(kāi)打印機(jī)按順序取出相應(yīng)的星形壓紙輪。

2.2 成像設(shè)備和軟件

對(duì)于星形輪形成的齒痕和對(duì)應(yīng)的齒尖，拍攝和形成它們的RTI影像的設(shè)備為RTI智能成像系統(tǒng) DT V3.1。該設(shè)備配置了穹頂光源，每個(gè)光源的光距為21cm，各個(gè)光位射出的光線與被攝物平面的夾角在大約20°～ 64°之間，成像部分配備了Canon EOS 5DSR 相機(jī)機(jī)身（5060萬(wàn)像素）和Canon微距鏡頭MP-E（65mm，f/2.8）。實(shí)驗(yàn)設(shè)置自動(dòng)拍攝56張系列照片，圖片保存格式為JPEG（最高質(zhì)量）。渲染RTI影像的軟件為RTIviewer v1.1，下載于文化遺產(chǎn)成像組織（Cultural Heritage Imaging）網(wǎng)站。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

利用上述設(shè)備形成RTI影像，在RTIviewer軟件的“鏡面反光增強(qiáng)”模式下擬合暗場(chǎng)效果，并通過(guò)“法向量可視化”模式獲得表面三維圖像。之后分析比對(duì)齒痕和相應(yīng)造痕星形輪的齒尖形態(tài)，考察多個(gè)齒孔在尺寸、形態(tài)、空間位置和排列順序上與星形輪齒尖的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)初期對(duì)齒痕和齒尖做了量化分析，但考慮到單個(gè)齒尖或齒痕的尺寸數(shù)據(jù)沒(méi)有價(jià)值，以及存在齒痕的變形、尺寸數(shù)據(jù)上的誤差等因素，本研究主要關(guān)注于單個(gè)星形輪齒孔形態(tài)特征及相鄰多個(gè)齒孔的大小、形狀和排列順序上表現(xiàn)出的個(gè)體形態(tài)特征。

3 結(jié)果與討論

3.1 RTI技術(shù)清晰呈現(xiàn)造痕齒尖形態(tài)及其齒痕反映

RTI技術(shù)具有多種影像渲染模式，有助于形態(tài)學(xué)特征的分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其中兩個(gè)模式有利于本研究的開(kāi)展，分別是法向量可視化和鏡面反光增強(qiáng)模式。

3.1.1 法線圖

RTI技術(shù)運(yùn)用法線貼圖技術(shù)將法向量可視化。法向量可視化呈現(xiàn)的影像被稱(chēng)為法線圖，它提供傳統(tǒng)成像方法無(wú)法提供的表面三維紋理信息。RTI法線圖影像不僅將金屬齒尖的三維形態(tài)呈現(xiàn)出來(lái)，而且可以去除普通影像難以避免的金屬反光，從而克服了普通攝影因反光造成影像細(xì)節(jié)損失的問(wèn)題，如圖1所示。對(duì)星形輪上連續(xù)數(shù)個(gè)齒尖成像，要反映造痕體截面（齒頂）獨(dú)特的尺寸和形狀，拍攝光軸就必須平行于齒端面（垂直于星形輪轉(zhuǎn)軸），這對(duì)于顯微鏡來(lái)說(shuō)較為困難。首先是顯微鏡景深的限制，再者顯微鏡下成像同樣無(wú)法克服金屬反光。RTI影像的這個(gè)優(yōu)勢(shì)在拍攝金屬被攝物時(shí)非常突出。

圖1 Epson SP R330一對(duì)星形輪的普通攝影圖像與其RTI法線圖的比較

RTI法線圖的另一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)是對(duì)于深色墨跡中的微細(xì)星形輪齒痕的顯現(xiàn)有特效，圖2展示了相同部位齒痕的普通側(cè)光攝影圖像和RTI法線圖影像的對(duì)照。普通側(cè)光攝影只能記錄下深色墨跡中齒痕局部的反光點(diǎn)，其他部位反射的光線不足以形成齒痕的清晰形態(tài)。而RTI獲得了不同光照角度下的被攝物信息，其法線圖呈現(xiàn)的是物體表面每個(gè)像素的法線信息，沒(méi)有顏色信息，因此，黑色或深色墨跡中的齒痕三維形態(tài)在RTI影像中顯露無(wú)遺，對(duì)于齒痕的分析和比較非常有利。

圖2 Epson SP R330的局部星形輪齒痕的普通攝影圖像與RTI法線圖的比較

3.1.2 暗場(chǎng)光效

鏡面反光增強(qiáng)模式中可以擬合出任意光位的虛擬光源，當(dāng)虛擬光位設(shè)定在與被攝物平面的夾角為0°或180°時(shí)，RTIviewer軟件能夠擬合出低角度環(huán)形光（暗場(chǎng)）光效。這種光效勾勒出齒痕微孔的邊緣形狀，如圖3左圖所示。由于立體物體的普通影像受到光源方向的影響，體式顯微鏡下側(cè)光觀察星形輪齒痕也不易察覺(jué)其細(xì)致形態(tài)。本研究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)體式顯微鏡下只有透光影像能夠表現(xiàn)齒孔的形狀，如圖3右圖所示，但是仍不如RTI影像那樣細(xì)致、全面。一般體式顯微鏡下的影像往往不足以用于齒痕細(xì)微形狀特征分析，因?yàn)闄z驗(yàn)分析星形輪齒痕時(shí)，齒孔形狀的清晰反映是與造痕體齒尖尺寸和具體形狀等細(xì)微個(gè)體特征進(jìn)行比對(duì)的前提條件。

圖3 同一星形輪齒痕的RTI影像（左）與顯微鏡透光影像（右）的比較

3.2 RTI技術(shù)有助于發(fā)現(xiàn)星形輪齒尖個(gè)體特征及其在壓痕中的反映

本研究的實(shí)驗(yàn)條件下可以發(fā)現(xiàn)星形輪齒尖具有獨(dú)特的特征，其壓痕在微觀形態(tài)上能夠一定程度地反映這些個(gè)體特征，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

3.2.1 齒尖尺寸差異構(gòu)成的個(gè)體特征

星形輪生產(chǎn)過(guò)程中的工差會(huì)造成齒尖厚度上的差異，同一臺(tái)機(jī)器內(nèi)不同星形輪齒尖厚度的排列組合可以構(gòu)成打印機(jī)的個(gè)體特征，例如，本實(shí)驗(yàn)中同種型號(hào)的兩臺(tái)Epson打印機(jī)的星形輪個(gè)體特征表現(xiàn)在齒尖尺寸組合上的差異。其中一臺(tái)打印機(jī)的左起第二對(duì)齒輪的齒尖厚度相差兩倍以上，在打印照片紙上留下的齒痕寬度也反映出相同差異，如圖4所示，而同機(jī)其他成對(duì)星形輪和另一臺(tái)Epson打印機(jī)內(nèi)的齒輪未見(jiàn)如此特殊組合（見(jiàn)圖2）。

圖4 實(shí)驗(yàn)用Epson打印機(jī)左起第二對(duì)齒輪齒尖的形態(tài)及其齒痕

3.2.2 齒尖形態(tài)上的個(gè)體特征

星形輪齒尖形態(tài)反映特定的規(guī)格和形狀，可以作為機(jī)種特征利用，如圖5所示，本實(shí)驗(yàn)用的Canon iP2780打印機(jī)配備的星形輪齒尖被加工為左右兩面不對(duì)稱(chēng)的形狀，使星形輪齒具有偏向性。在安裝過(guò)程中，同機(jī)中數(shù)個(gè)星形輪齒尖并非相同偏向，因而形成了星形輪組合上特定的方向性，這就構(gòu)成打印機(jī)的個(gè)體特征。對(duì)反映在打印件中的這種方向性的辨識(shí)，需要清晰顯現(xiàn)齒痕的具體形態(tài)，圖5中可見(jiàn)激光共聚焦顯微鏡和RTI法線圖對(duì)齒痕形狀的勾勒，反映出齒尖截面的形態(tài)，即一側(cè)平直，另一側(cè)突起。

圖5 Canon iP2780打印機(jī)的星形輪齒尖形態(tài)能夠反映在照片紙上

激光共聚焦顯微鏡的激光影像能更加清晰地反映齒痕的細(xì)微形態(tài)。但是，由于景深限制和金屬反光，本實(shí)驗(yàn)使用激光共聚焦顯微鏡未獲得成功的星形輪齒尖影像，對(duì)于發(fā)現(xiàn)星形輪齒尖上的個(gè)體特征還是有賴(lài)于RTI技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)齒尖形態(tài)上的個(gè)體特征表現(xiàn)為金屬齒尖的變形。星形輪在安裝和使用過(guò)程中可能造成剛性形變，如卷刃式變形。單個(gè)齒尖的卷刃式變形在紙張上的痕跡不易確定和利用，但是不同程度變形構(gòu)成的特殊排列組合反映某個(gè)特定星形輪的個(gè)體特征，從而反映打印機(jī)的個(gè)體特征。圖6列舉了實(shí)驗(yàn)用Canon打印機(jī)的特定位置上的一個(gè)星形輪齒，它的連續(xù)數(shù)個(gè)齒尖有不同程度的卷刃式變形。它的24個(gè)齒有一處出現(xiàn)3個(gè)連續(xù)的齒尖卷刃式變形，檢驗(yàn)中只要能發(fā)現(xiàn)打印件上留有對(duì)應(yīng)形態(tài)和排列組合的齒痕，便能作為個(gè)體識(shí)別的依據(jù)之一。

圖6 星形輪齒不同程度卷刃式變形及其在照片紙上留下的齒痕

4 結(jié)論

研究表明，借助反射變換成像技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)：表面三維重建和實(shí)現(xiàn)多種光效，文件檢驗(yàn)人員可以發(fā)現(xiàn)噴墨打印文件上的微小星形輪齒痕，同樣可以發(fā)現(xiàn)其造痕主體金屬齒的個(gè)體獨(dú)特形態(tài)。在實(shí)際案件鑒別過(guò)程中，如果檢材與樣本的齒痕形態(tài)和尺寸明顯不同，則可排除嫌疑打印機(jī)；如果齒痕特征顯著相同，需進(jìn)一步對(duì)該打印機(jī)的星型輪金屬齒特征進(jìn)行檢驗(yàn)，以提高鑒定結(jié)論的可靠性。該研究成果使打印機(jī)的個(gè)體特征比對(duì)成為可能，為噴墨打印機(jī)具的同一認(rèn)定提供了科學(xué)依據(jù)，解決了噴墨打印文件檢驗(yàn)難題。本文限于顯現(xiàn)照片紙上的噴墨打印星形輪壓痕特征，普通紙上的星形輪壓痕特征的反映性有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

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