直線關(guān)節(jié)型書寫機(jī)器人書寫筆跡特征的研究

胡 萍，成 磊

(1.上海政法學(xué)院， 上海 201701；2.上海市嘉定區(qū)人民檢察院， 上海 201800)

0 引言

當(dāng)前機(jī)器人的發(fā)展呈現(xiàn)出高精度、智能化的特點(diǎn)，其靈活度已可比肩人手，這也為機(jī)器人書寫提供了可能性。本實(shí)驗(yàn)選擇了一款直線關(guān)節(jié)型機(jī)器人，經(jīng)組裝、調(diào)試后實(shí)現(xiàn)書寫功能，并將書寫樣本制作成盲測材料以評估書寫機(jī)器人的書寫模仿能力，再由書寫機(jī)器人執(zhí)不同書寫工具進(jìn)行書寫，與手寫筆跡進(jìn)行比對，系統(tǒng)分析書寫機(jī)器人的筆跡特征，力求為機(jī)器人書寫筆跡檢驗(yàn)鑒定工作提供有價(jià)值的參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

書寫機(jī)器人選用直線關(guān)節(jié)型書寫機(jī)器人，如圖1所示。

圖1 直線關(guān)節(jié)型書寫機(jī)器人全貌

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)模擬盲測，由兩名測試人員在平板電腦上借助手寫筆簽名，輸入到電腦中交由書寫機(jī)器人執(zhí)行模仿書寫操作。書寫機(jī)器人在借貸合同和擔(dān)保合同上偽造4個(gè)簽名。參與測試人員為149名刑事科學(xué)技術(shù)專業(yè)的本科生，均系統(tǒng)學(xué)習(xí)過文件檢驗(yàn)課程，通過分析參與盲測人員的鑒定意見和評析過程檢驗(yàn)機(jī)器人的書寫效果。

(2)系統(tǒng)分析，機(jī)器人分別選用12種類型的筆在A4紙上書寫被測人員錄入的電子簽名，同時(shí)被測人員也依次使用這12只筆在紙上完成書寫，通過比較機(jī)器人書寫筆跡(檢材)和書寫人手寫筆跡(樣本)，分析二者在細(xì)節(jié)之處的異同以及書寫工具對機(jī)器人書寫筆跡的影響。

2 結(jié)果

2.1 盲測實(shí)驗(yàn)

盲測材料為JC1《借貸合同》和JC2《擔(dān)保合同》，文件上共有6個(gè)簽名，其中4個(gè)簽名為書寫機(jī)器人書寫形成，分別為《借貸合同》借款方處落款“李立磊”(JC1-1)；《擔(dān)保合同》借款人處落款“李立磊”(JC2-1)，保證人處落款“王子成”(JC2-2)，擔(dān)保人處落款“王子成”(JC2-3)，如圖2；樣本材料為被測人員提供的手寫實(shí)驗(yàn)樣本(被測人員需書寫60個(gè)以上簽名)。

圖2 書寫機(jī)器人偽造的《借貸合同》(JC1)和《擔(dān)保合同》(JC2)

2.1.1 鑒定意見統(tǒng)計(jì)

對149份鑒定意見書統(tǒng)計(jì)分析可知：“李立磊”的簽名筆跡，得出同一認(rèn)定結(jié)論的55份，占比37%；得出否定同一結(jié)論的93份，占比62%；得出無結(jié)論的1人，占比1%。 “王子成”的簽名筆跡，得出認(rèn)定同一結(jié)論的74份，占比50%；得出否定同一結(jié)論的73份，占比49%；得出無結(jié)論的2份，占比1%。通過對鑒定意見的分析表明，本次盲測的鑒定意見錯(cuò)誤率約為43%，遠(yuǎn)高于業(yè)內(nèi)歷年盲測的平均水平(2018年司法部筆跡鑒定盲測全國所有參加機(jī)構(gòu)的“不通過”率為7%)，說明書寫機(jī)器人具備了一定的書寫水平，具有進(jìn)一步分析的價(jià)值。

圖3 作出同一認(rèn)定結(jié)論的依據(jù)

通過統(tǒng)計(jì)，149份鑒定意見書共得到了626個(gè)依據(jù)。其中，作出同一認(rèn)定結(jié)論的依據(jù)有293個(gè)，占比最高的兩個(gè)特征分別為字間組合特征(60個(gè))占比21%，連筆特征(51個(gè))占比17%，如圖3(橫坐標(biāo)為筆跡特征，縱坐標(biāo)為特征數(shù)量)所示。作出否定同一結(jié)論的依據(jù)有332個(gè)，占比最高的兩個(gè)特征是收筆特征(75個(gè))占比23%，連筆特征(63個(gè))，占比19%，如圖4(橫坐標(biāo)為筆跡特征，縱坐標(biāo)為特征數(shù)量)所示。

2.1.2 分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖4 作出否定同一結(jié)論的依據(jù)

對于作出同一認(rèn)定結(jié)論的依據(jù)中，字間組合特征占比最高，由于機(jī)器人書寫本就是還原了被模仿者的書寫動(dòng)作，在書寫過程中的定位精度可達(dá)0.2 mm，因此機(jī)器人在紙張上的書寫動(dòng)作軌跡與平板上錄入的電子簽名筆跡軌跡完全相同。作出同一認(rèn)定結(jié)論的依據(jù)中，連筆特征占比次高。由于機(jī)器人書寫的筆跡可以完全按照被模仿者的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣完成連筆動(dòng)作，且可通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制書寫速度的快慢，因此連筆動(dòng)作相對流暢自然，很少發(fā)生中途停頓、抖動(dòng)彎曲的情況。

作出否定同一結(jié)論的的依據(jù)中，占比最高的是收筆特征，通過表1可以看出，機(jī)器人的收筆均有頓壓動(dòng)作，如“李”“立”“王”“子”字的最后一筆，檢材均呈現(xiàn)出了較為明顯的頓壓痕跡，不同于樣本筆跡的收筆特征。作出否定同一結(jié)論的的依據(jù)中，占比次高的是連筆特征。雖然檢材的運(yùn)筆流暢自然，但檢材中的連筆筆畫粗細(xì)均一致，書寫力度較大，和樣本筆跡具有一定的差異。由于記錄書寫過程的軟件不能記錄下書寫人的書寫力度，所以機(jī)器人不具備改變書寫力度的能力。

除了對占比較高的字間組合、起收筆、連筆等進(jìn)行分析外，還可以關(guān)注其他在否定結(jié)論中占比較少但數(shù)量比例遠(yuǎn)高于肯定結(jié)論的特征。如筆鋒、筆痕、筆力、呆板、抖動(dòng)彎曲、結(jié)構(gòu)、力度、模仿、形快實(shí)慢、中途停頓等關(guān)鍵詞在否定意見中出現(xiàn)的頻率遠(yuǎn)高于在肯定結(jié)論中出現(xiàn)的頻率，可認(rèn)為這是作出正確判斷的檢驗(yàn)人員所依賴的價(jià)值較高的特征。由于機(jī)器人所書寫的文字很難形成筆鋒，筆痕也無法做到像人書寫一樣收放自如，濃淡粗細(xì)自由變化，因此機(jī)器人所書寫的文字筆力均勻，雖可調(diào)快書寫速度，但肉眼觀察可看出機(jī)器人書寫缺少節(jié)奏感，存在形快實(shí)慢、中途停頓、字跡呆板等模仿痕跡。

表1 比對表

2.2 不同書寫工具書寫情況比較

通過第一部分的實(shí)驗(yàn)可知，機(jī)器人書寫筆跡在連筆、收筆、筆痕等細(xì)節(jié)特征上與人書寫的筆跡具有較大差異，但僅依靠這幾個(gè)特征還不足以形成準(zhǔn)確的鑒定意見。在使用某些特定書寫工具的情況下，如記號筆、白板筆、熒光筆等，以上的細(xì)節(jié)特征表現(xiàn)并不明顯。為了找到更多可鑒別的細(xì)節(jié)特征。第二部分實(shí)驗(yàn)選用了粗細(xì)各異、類型各異、品牌各異的12種常見書寫工具，通過肉眼觀察、顯微檢驗(yàn)，分析機(jī)器人在使用不同書寫工具書寫的筆跡特征。下圖5～16的左側(cè)檢材字跡為機(jī)器人書寫形成，右側(cè)樣本字跡為實(shí)驗(yàn)人員使用相同書寫工具手寫形成。

2.2.1 軟筆類

實(shí)驗(yàn)選用晨光軟筆(型號：ACPN0269 粗細(xì)：0.7 mm)。分析得出：檢材和樣本筆跡在概貌特征、局部安排特征、寫法特征、錯(cuò)別字特征、搭配比例特征、筆順特征均無明顯差異，運(yùn)筆特征和筆痕特征在一些細(xì)節(jié)上存在較大差異，如圖5所示。

圖5 晨光ACPN-0269 0.7 mm書法軟筆形成的筆跡

起筆特征：檢材中“王”“磊”字第一筆的側(cè)起筆特征， “子”“成”字第一筆的直起筆特征，“李”字第一筆的回轉(zhuǎn)起筆，均帶有較多的毛刺，由于機(jī)器人在書寫過程中無法精準(zhǔn)控制筆毫，筆毫在較大的書寫壓力下散開導(dǎo)致毛刺產(chǎn)生，樣本中雖然也有出現(xiàn)這一特征，但形態(tài)上差異較大。

收筆特征：檢材和樣本中“王”“子”“李”“立”字最后一筆均為頓壓收筆，在形態(tài)上差異并不明顯，但樣本中“成”“磊”字的最后一筆分別為直收筆和回轉(zhuǎn)收筆，與檢材中所呈現(xiàn)的收筆形態(tài)差異較大，檢材中收筆動(dòng)作無明顯筆鋒，樣本中的筆鋒較為明顯。

行筆筆法特征：因機(jī)器人執(zhí)筆動(dòng)作是固定的，故而在橫畫上表現(xiàn)為側(cè)鋒，在豎畫上表現(xiàn)為中鋒。顯微觀察可發(fā)現(xiàn)“王”“李”“成”字的豎畫因筆尖在筆畫中間運(yùn)行，故著力均勻，豐滿圓潤；“王”“子”“成”“李”“立”字的橫畫因筆尖在筆畫的一側(cè)運(yùn)行，出現(xiàn)了較多的墨點(diǎn)和鋸齒瑕疵。在樣本筆跡中，書寫者基本控制筆尖在筆畫中間運(yùn)行，無論橫豎撇捺均較為飽滿圓潤，這一點(diǎn)有別于檢材筆跡。

連筆形體特征：檢材在連筆轉(zhuǎn)折部位形成的形態(tài)比較圓滑，樣本在連筆部位形態(tài)棱角突出，如“王”“子”第一筆的連筆轉(zhuǎn)折，“立”字第三筆的轉(zhuǎn)折以及“磊”字的連筆轉(zhuǎn)折。機(jī)器人在連筆動(dòng)作上連筆書寫壓力比較均衡、平緩。書寫人在書寫時(shí)，連筆中時(shí)重時(shí)輕，節(jié)奏感較強(qiáng)，筆墨濃淡區(qū)別鮮明，在“立”字最后兩筆，“成”字的連筆中表現(xiàn)明顯。

連筆筆力特征：樣本筆跡的起筆重，在筆畫的起筆及前段書寫壓力較大；行筆輕，在筆畫中間書寫壓力較??；收筆重，在直收筆的情況下，收筆及后段書寫壓力較大；轉(zhuǎn)折重，折筆在轉(zhuǎn)折處書寫壓力較重，以上特征在檢材筆跡中并未有明顯的表現(xiàn)。

筆痕特征：檢材和樣本筆跡的粗細(xì)和濃淡特征有一定的區(qū)別，如樣本中的橫畫較豎畫通常要粗一些，而檢材筆畫的粗細(xì)和濃淡特征穩(wěn)定一致，這是由于書寫壓力的大小導(dǎo)致的差別。在樣本中，用筆壓力大、書寫速度慢都會(huì)導(dǎo)致筆痕較粗較濃，用筆壓力小、書寫速度快會(huì)導(dǎo)致筆痕較細(xì)且較淡；這一點(diǎn)在檢材中并不適用，由于書寫壓力恒定，檢材的筆畫的粗細(xì)和濃淡特征也相對穩(wěn)定。

2.2.2 硬筆類

實(shí)驗(yàn)搜集了10種不同類型的硬筆(具體型號如圖6～16所示)，通過分析筆跡特征可知：檢材和樣本筆跡在概貌特征、局部安排特征、寫法特征、錯(cuò)別字特征、搭配比例特征、筆順特征均無明顯差異，運(yùn)筆特征和筆痕特征在一些細(xì)節(jié)上存在較大差異。

起筆特征：檢材中“王”“子”“成”等字的第一筆直起筆在形態(tài)上極為相似，而樣本中的起筆特征形態(tài)上各有差別，如圖6所示。分析原因，在固定的書寫力度、角度、執(zhí)筆方式的情況下，機(jī)器人書寫的起筆特征具有一定的穩(wěn)定性，而人在書寫的時(shí)候容易受到心理、生理狀態(tài)、執(zhí)筆姿勢等隨機(jī)因素的影響，在起筆特征上的穩(wěn)定中卻又包含著差異點(diǎn)。

圖6 三菱(UM-153 1.00 mm)簽字筆形成的筆跡

圖7 晨光(MG-2180 0.5 mm)水性筆形成的筆跡

收筆特征：機(jī)器人在執(zhí)硬筆的過程中收筆動(dòng)作大多表現(xiàn)為頓壓收筆，如圖7中“王”“子”“李”“立”“磊”字的最后一筆，近似隸書寫法，實(shí)為機(jī)器人在執(zhí)行完最后一個(gè)書寫動(dòng)作后才能提筆導(dǎo)致的，有別于樣本的收筆特征，機(jī)器人的這一收筆特征在含墨較多的白板筆中表現(xiàn)的尤為明顯，如圖8所示。

圖8 金萬年(K-0603 1.5 mm)白板筆形成的筆跡

圖9 三菱(UB-150 0.5 mm)直液式走珠筆形成的筆跡

行筆筆法特征：鋼筆、簽字筆、水性筆等硬筆雖然沒有明顯的行筆筆鋒差異，但不同的人執(zhí)筆傾斜角度不一，作用力的分布和大小也不一樣，在筆畫上表現(xiàn)為直筆書寫筆壓重，側(cè)筆書寫筆壓輕，而檢材中的筆壓較為均衡，如圖9所示。

連筆的形態(tài)特征：由圖10和圖11中可以看出檢材中字跡在連筆部位形成的形態(tài)比較圓滑，如“王”“子”第一、二筆連筆，“立”字最后兩筆連筆，樣本材料的棱角相對銳利，這是由于機(jī)器人依據(jù)的原稿是由書寫人在平板矢量繪圖軟件中完成的，該輸入軟件在記錄筆畫的過程中對連筆轉(zhuǎn)折的記錄不夠客觀導(dǎo)致的結(jié)果。

圖10 晨光(GEL PEN 0.5 mm)簽字筆形成的筆跡

圖11 白雪(PVR-155 紅 0.5 mm)直液式走珠筆形成的筆跡

連筆筆力特征：樣本筆跡的書寫壓力大小在筆畫中的特征分布比較明顯，特別是起筆重，在筆畫的起筆及前段書寫壓力較大，如圖12所示，樣本筆跡中的“王”“子”“李”“立”的第一筆起筆較重，顏色較深，筆畫寬度較大，行筆輕、收筆輕，在連筆書寫的筆畫中段和后段書寫壓力較小，露白明顯。如圖13是選用含墨較少的記號筆快速連續(xù)書寫的簽名筆跡，樣本筆跡在連筆部位的筆力特征與檢材差異明顯。以鉛筆為書寫工具的時(shí)候檢材和樣本在起收筆特征上的差異并不像其他硬筆、軟筆一樣特征區(qū)別明顯，如圖14所示，而連筆的筆力特征則是鑒別機(jī)器人執(zhí)鉛筆書寫所形成的，對筆跡鑒定具有較高的價(jià)值。

圖12 白雪(PVR-155 藍(lán)0.5 mm)直液式走珠筆形成的筆跡

圖13 晨光(MG-2130 1.5 mm)記號筆形成的筆跡

圖14 中華繪圖鉛筆(101 2B 鉛筆)形成的筆跡

筆痕特征：顯微鏡下觀察到的粗細(xì)和濃淡特征與上文的軟筆部分基本一致，但因硬筆類書寫工具多種多樣，在劃痕壓痕及其他細(xì)節(jié)特征上又稍有區(qū)別。圖15是由鋼筆書寫形成的字跡，通過顯微鏡觀察可以看到檢材筆跡在筆畫邊緣出現(xiàn)了明顯的洇散情況，而樣本筆跡雖然也有些許洇散，但較檢材輕微很多。同一只鋼筆在不同的執(zhí)筆人手上書寫出的筆痕具有一定的差異性，這與簽字筆、水性筆、圓珠筆的筆痕差異要明顯得多。本次實(shí)驗(yàn)所選用的機(jī)器人對筆力的控制是由筆尖與紙面的距離以及彈性皮筋的力度決定的，距離太遠(yuǎn)、皮筋彈性太弱則筆力太輕無法著墨，反之則筆力太重，造成圖15筆畫洇散的效果。書寫機(jī)器人在執(zhí)鋼筆書寫的過程中有時(shí)會(huì)因?yàn)樽饔昧^大，筆尖著力重而在筆畫上形成無色或著墨滑動(dòng)的痕跡特征，有的劃痕甚至劃破紙面，在下頁紙上形成著墨痕跡，這也是鋼筆區(qū)別于其他書寫工具的一個(gè)特點(diǎn)。在部分書寫工具中出現(xiàn)了墨線與白線特征，如圖16所示的字跡是使用金萬年可擦中性筆書寫形成的，樣本材料中每一個(gè)字不同程度的在筆畫的一側(cè)或者中央出現(xiàn)了不著墨或者著墨很淡的線狀露白，而墨跡分布在筆畫的一側(cè)或者兩邊，在筆端或收筆端形成分叉等特征，而在檢材中該特征雖然也有出現(xiàn)，但僅限于部分字跡的少量筆畫，對比差異明顯。

圖15 芮翔鋼筆(GB-001 0.5 mm)形成的筆跡

圖16 金萬年(G-1092 0.5 mm)可擦中性筆形成的筆跡

3 結(jié)論

直線關(guān)節(jié)型書寫機(jī)器人可以流暢的完成書寫動(dòng)作，形成的筆跡在在概貌特征、局部安排特征、寫法特征、錯(cuò)別字特征、搭配比例特征、筆順特征上基本可以做到與真實(shí)筆跡高度相似，但是在起收筆特征、行筆筆法特征、連筆形態(tài)特征、連筆筆力特征、劃痕與壓痕特征、粗細(xì)與濃淡特征上出現(xiàn)差異；受不同的書寫工具影響，書寫機(jī)器人書寫過程中所出現(xiàn)的劃痕與壓痕特征、墨線與白線特征、粗細(xì)與濃淡特征是區(qū)別二者的重要依據(jù)；由于書寫機(jī)器人的書寫力度恒定，可以預(yù)知筆畫凹痕的深度大致穩(wěn)定，因此可以對筆畫的深度進(jìn)行測量，這也是鑒別書寫機(jī)器人書寫特征的一個(gè)可靠依據(jù)?？傮w而言，對書寫機(jī)器人筆跡的檢驗(yàn)依舊可以遵循模仿筆跡檢驗(yàn)的要點(diǎn)，包括形快實(shí)慢、筆力平緩、起收筆動(dòng)作呆滯等特征，結(jié)合書寫工具的特點(diǎn)，對呈現(xiàn)出的符合點(diǎn)和差異點(diǎn)要仔細(xì)分析形成的原因，找出能做出否定意見的可靠依據(jù)。