寫字機(jī)器人書寫特征的識別與研究

劉 暢 黃 鈺 胡愛華

（北京市公安司法鑒定中心，北京100054）

隨著科技的進(jìn)步和人工智能時代的到來，在今后的鑒定工作中可能會遇到利用寫字機(jī)器人進(jìn)行書寫的案件，這是文檢鑒定人員應(yīng)當(dāng)引起高度重視的問題。本文簡要介紹了現(xiàn)代寫字機(jī)器人發(fā)展的背景、工作原理，通過對寫字機(jī)器人書寫的實驗樣本材料進(jìn)行檢驗，研究總結(jié)出寫字機(jī)器人書寫的主要特征，便于今后開展文件司法鑒定工作。

1 現(xiàn)代寫字機(jī)器人發(fā)展背景及應(yīng)用

現(xiàn)代寫字機(jī)器人是在人工智能的技術(shù)構(gòu)架上研發(fā)而來，2013年，Sonny Caberwal創(chuàng)立了機(jī)器人公司邦德，推出了一臺能夠模擬真人書寫的寫字機(jī)器人［1］（見圖1）。2016年，Evil Mad Scientist團(tuán)隊開發(fā)出名叫Axi Draw的寫字機(jī)器人，它可以使用簽字筆、圓珠筆、鋼筆和各式墨水，適用于各種尺寸的紙張，因此應(yīng)用范圍更廣（見圖2）。

圖1 邦德寫字機(jī)器人

圖2 Axi Draw寫字機(jī)器人

國內(nèi)關(guān)于寫字機(jī)器人相關(guān)的研究較多，其最初的應(yīng)用主要是在工程繪圖領(lǐng)域和教學(xué)、科普領(lǐng)域。讓寫字機(jī)器人引起大眾關(guān)注的是2019年學(xué)生買寫字機(jī)器人代寫作業(yè)的新聞，在電商平臺上以“寫字機(jī)器人”為關(guān)鍵詞搜索，出現(xiàn)的記錄多達(dá)數(shù)千條，外形從簡單的金屬十字架到方桌式樣，價格從幾百元到上萬元不等，主要用在填寫記錄、抄寫筆記等簡單、重復(fù)性較高的工作場合。

2 目前熱銷的寫字機(jī)器人工作原理及模仿筆跡方式

2.1 工作原理

目前網(wǎng)上熱銷的寫字機(jī)器人多為“十字型”結(jié)構(gòu)，在左側(cè)底座和右側(cè)底座之間安有橫向光桿，在橫向光桿上安裝可以活動的運(yùn)動中樞，再在運(yùn)動中樞上安裝與橫向光桿垂直的縱向光桿，左側(cè)電機(jī)和右側(cè)電機(jī)能驅(qū)動筆架模組、運(yùn)動中樞及縱向光桿在橫向光桿上作X軸運(yùn)動，或者驅(qū)動筆架模組和縱向光桿相對運(yùn)動中樞作Y軸運(yùn)動，三個軸的結(jié)合控制筆桿的運(yùn)動來模仿人書寫的動作。

2.2 模仿筆跡方式

目前利用寫字機(jī)器人模仿他人筆跡的方式主要有兩種：一是利用已知字跡“一字一仿”：將被模仿人字跡原件掃描后導(dǎo)入編輯軟件制作成計算機(jī)能夠識別的字體，由寫字機(jī)器人書寫。二是利用已知字跡來模仿未知字跡，深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是比較熱門的技術(shù)，理論上有足夠數(shù)量的被模仿人字跡，AI就能學(xué)習(xí)掌握被模仿人的書寫特征，生成未知的和被模仿人書寫風(fēng)格一致的模仿筆跡。

3 寫字機(jī)器人書寫特征的檢驗和分析

3.1 材料與方法

3.1.1 實驗設(shè)備

本實驗室購置的Axi Draw寫字機(jī)器人一臺（以下簡稱寫字機(jī)器人1，見圖3）；金屬仿生寫字機(jī)器人一臺（以下簡稱寫字機(jī)器人2，見圖4）。

圖3 Axi Draw寫字機(jī)器人

圖4 金屬仿生寫字機(jī)器人

3.1.2 實驗材料

晨光0.5mm黑色中性筆、百佳牌70g普通復(fù)印紙。

3.1.3 實驗儀器

瑞士寶捷拿NIRVIS文件檢驗儀。

3.1.4 實驗樣本

利用兩臺寫字機(jī)器人配套軟件內(nèi)置的不同字體書寫了相同內(nèi)容的字條各一張（見圖5～圖6）。

圖5 寫字機(jī)器人1書寫欠條

圖6 寫字機(jī)器人2書寫欠條

3.2 樣本的檢驗

分別利用瑞士寶捷拿NIRVIS文檢儀對實驗樣本進(jìn)行放大觀察檢驗。

3.3 檢驗結(jié)果及分析

3.3.1 在文檢儀側(cè)光下觀察，兩份字跡樣本均呈現(xiàn)出均勻、平實、一致的筆跡壓痕，無輕重變化，缺乏輕重疾徐的節(jié)奏感。

特征產(chǎn)生的原因：寫字機(jī)器人筆跡壓力的大小是由Z軸運(yùn)動參數(shù)設(shè)置控制的，參數(shù)設(shè)置完成后，一次書寫形成的字跡筆壓保持一致。

3.3.2 在文檢儀白光下觀察，兩份字跡樣本墨跡濃淡均勻，筆畫粗細(xì)相等，無自然人書寫時字跡顏色濃淡的變化和筆畫粗細(xì)的變化。

特征產(chǎn)生的原因：寫字機(jī)器人在書寫過程中筆夾的傾斜角度是固定不變的，因此形成的字跡墨跡濃淡均勻，筆畫粗細(xì)相等。

3.3.3 在文檢儀白光下觀察，兩份字跡樣本在起收筆處均可見明顯的點狀觸壓墨點痕跡，單字的第一筆起筆處容易出現(xiàn)露白痕跡，收筆無峰。

特征產(chǎn)生的原因：寫字機(jī)器人的工作原理是機(jī)械組件沿z軸上下運(yùn)動來模仿人書寫的起筆和落筆動作，在起收筆時筆尖和紙面呈一定角度生硬接觸和抬起，從而形成明顯的頓壓痕跡，在書寫單字第一筆時，因接觸壓力小瞬間不著墨容易產(chǎn)生露白痕跡（見圖7）。

圖7 寫字機(jī)器人書寫起收筆特征（左為寫字機(jī)器人1書寫，右為寫字機(jī)器人2書寫）

3.3.4 在文檢儀白光下觀察，兩份字跡樣本運(yùn)筆生硬呆板，單字的上下筆畫的缺乏照應(yīng)關(guān)系，轉(zhuǎn)折圓滑無棱角，特別在鉤筆、挑筆及繞筆處，不是疾徐輕提、有節(jié)奏的環(huán)繞連接，而是平滑繞行而成（見圖8）。

特征產(chǎn)生的原因：寫字機(jī)器人的工作原理是機(jī)械組件組件沿X軸和Y軸機(jī)械運(yùn)動形成曲線模擬字跡，相對自然人手腕的書寫運(yùn)動，缺乏靈活性。

圖8 寫字機(jī)器人書寫運(yùn)筆特征（左為寫字機(jī)器人1書寫，右為寫字機(jī)器人2書寫）

3.3.5 在文檢儀白光下觀察，兩份寫字機(jī)器人書寫的字跡樣本的字跡筆畫存在較為均勻的抖動彎曲現(xiàn)象，特別是在和組件行進(jìn)方向呈一定傾斜角度的撇筆和捺筆上彎曲抖動現(xiàn)象更為明顯。

特征產(chǎn)生的原因：寫字機(jī)器人的工作原理是機(jī)械組件沿X軸和Y軸運(yùn)動形成曲線模擬字跡，在和組件行進(jìn)方向呈一定傾斜角度的撇筆和捺筆上，角度變大，組件運(yùn)行時和紙張的摩擦力會加大，抖動彎曲現(xiàn)象變得嚴(yán)重。同時這種抖動彎曲現(xiàn)象和寫字機(jī)器人的性能及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相關(guān)，對比兩份實驗樣本材料可見，簡單十字形結(jié)構(gòu)的寫字機(jī)器人1字跡筆畫比框架結(jié)構(gòu)的寫字機(jī)器人2字跡筆畫抖動更為明顯（見圖9）。

圖9 寫字機(jī)器人書寫抖動彎曲特征（左為寫字機(jī)器人1書寫，右為寫字機(jī)器人2書寫）

3.3.6 在文檢儀白光下測量檢驗，兩份寫字機(jī)器人書寫的字跡樣本的字間距、行間距完全相等。

特征產(chǎn)生的原因：寫字機(jī)器人是按照預(yù)先設(shè)置好的行間距和字間距等參數(shù)進(jìn)行書寫，一次書寫形成的材料上其字間距和行間完全一致。

3.3.7 在文檢儀白光下觀察，兩份字跡樣本中相鄰兩個單字之間沒有筆畫的連接，字字獨(dú)立，文字之間缺乏起承轉(zhuǎn)合的節(jié)奏感和照應(yīng)關(guān)系（見圖10）。

圖10 寫字機(jī)器人書寫的字間組合特征（左為寫字機(jī)器人1書寫，下為寫字機(jī)器人2書寫）

3.3.8 在文檢儀白光下觀察，兩份寫字機(jī)器人書寫的字跡樣本中重復(fù)出現(xiàn)的文字既可以是原樣重復(fù)完全一致（見圖11），也可以通過改變設(shè)置讓其發(fā)生變化，但這種變化和人正常書寫的變化不同，略顯夸張和刻意（見圖12）。

圖11 重復(fù)出現(xiàn)的文字完全相同（寫字機(jī)器人1書寫）

圖12 重復(fù)出現(xiàn)文字發(fā)生變化（寫字機(jī)器人2書寫）

4 結(jié)論

寫字機(jī)器人書寫筆跡是按照系統(tǒng)設(shè)置好的參數(shù)機(jī)械運(yùn)行形成的，存在筆壓均勻、墨色均勻、筆畫粗細(xì)均勻等不變性特征，而自然人在正常書寫過程中會不斷調(diào)整落筆位置，運(yùn)筆方向，行筆的距離，運(yùn)行的角度、弧度、力度和速度，這種書寫人在不斷調(diào)整中產(chǎn)生的變化是自然筆跡的組成部分，書寫機(jī)器人書寫的不變特性屬性和自然人書寫的變化屬性有著本質(zhì)的區(qū)別。結(jié)合實驗中發(fā)現(xiàn)的起收筆頓壓痕跡特征、運(yùn)筆生硬呆板、抖動彎曲等特征可以將寫字機(jī)器人書寫的筆跡和自然人書寫的筆跡有效地區(qū)別開，得出正確的鑒定結(jié)論。