基于三維掃描技術的字跡書寫筆壓顯現(xiàn)研究

摘 ?要：筆壓特征有別于傳統(tǒng)筆跡檢驗中的二維特征，它反映出筆跡三維層面的信息，能為筆跡檢驗提供更好的幫助。借助結構光三維掃描技術對字跡的壓痕深度數(shù)據(jù)進行提取，通過Geomagic Qualify軟件建立壓痕的三維形態(tài)模型和彩色壓力圖像，幫助檢驗人員直觀準確地獲取筆壓特征。實驗結果表明，該技術不僅可以呈現(xiàn)字跡壓痕的三維形態(tài)，還可以排除油墨顏色的干擾，達到其他方法無法獲得的效果，為筆跡檢驗提供了一個有效的工具。

關鍵詞：三維掃描;筆壓特征;筆跡檢驗;三維測量

中圖分類號：TP391.41;D918.92 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）15-0015-03

Abstract：Pen pressure feature is different from the two-dimensional feature in traditional handwriting inspection. It reflects the three-dimensional information of handwriting，and can provide better help for handwriting inspection. With the help of structured light 3D scanning technology，the indentation depth data of handwriting is extracted，and the 3D shape model and color pressure image of the indentation are established by Geomagic Qualify software，which helps the inspectors to obtain the pen pressure features intuitively and accurately. The experimental results show that the technology can not only present the three-dimensional shape of handwriting indentation，but also eliminate the interference of ink color，which can achieve the effect that other methods can not obtain，and provides an effective tool for handwriting inspection.

Keywords：3D scanning;pen pressure features;handwriting identification;3D measurement

0 ?引 ?言

筆跡鑒定學科發(fā)展至今已經(jīng)非常成熟，鑒定技術人員對筆跡特征的理解和實踐都很深入，但這些大都停留在二維層面上的筆跡特征。筆跡的二維特征容易受主客觀條件的影響而發(fā)生變化，筆跡鑒定人員只能依靠自己的專業(yè)知識結合鑒定經(jīng)驗分析和判斷，缺乏客觀的量化依據(jù)，一定程度上制約了筆跡檢驗技術的發(fā)展。同時，實際案件中鑒定內容的字數(shù)越來越少，可利用的筆跡特征相對較少，加上各類疑難筆跡案件層出不窮，大大提高了檢驗鑒定的難度。因此我們需要挖掘更多的檢驗方法和鑒定依據(jù)用于筆跡檢驗之中。

筆壓特征是指個人書寫習慣中運筆抑壓力動態(tài)的行為模式在筆跡中的表現(xiàn)[1]，國內外筆跡鑒定人員早已認識到個人的筆壓特征具有獨特性和穩(wěn)定性，并借用數(shù)位板和書寫筆等數(shù)字化工具進行了驗證[2]。筆壓特征在筆跡鑒定中有重要作用，尤其是在簽名、少量字和摹仿等難度較大的筆跡鑒定方面具有重要價值。目前，筆壓特征的定量檢驗研究主要集中在電子筆跡方面，但是這類技術的應用不適用于對常規(guī)紙張上筆跡中筆壓特征的分析。由于書寫抑壓力會造成紙張空間Z軸上出現(xiàn)局部變形向下凹陷，因此，對于筆壓特征的分析主要通過分析筆跡三維形態(tài)中的壓痕深度及其變化來實現(xiàn)。方法主要包括反射變換成像技術法、側光紅外影像顯現(xiàn)法、顯微圖像三維重建法以及激光共聚焦掃描顯微鏡法等[3]。這些方法實際應用中存在易受墨跡顏色干擾、檢驗條件苛刻以及設備昂貴等缺點，無法滿足文件檢驗實踐的需求。隨著近年來三維掃描技術的快速發(fā)展，因其具有準確性、高保真性以及可儲存性等特點，在物證鑒定與重建領域的應用逐漸受到重視[4，5]。為了對字跡的三維形態(tài)有一個更深入的探究，中國刑事警察學院基于三維掃描技術的優(yōu)點，結合筆跡檢驗的實際需求，研發(fā)了基于結構光三維掃描技術的筆跡三維信息提取儀。本文利用筆跡三維信息提取儀對字跡壓痕深度進行測量，得到數(shù)據(jù)后再利用Geomagic Qualify軟件對數(shù)據(jù)進行處理并重建壓痕的三維形態(tài)，為筆壓顯現(xiàn)提供新的方法和思路。

1 ?實驗

1.1 ?結構光三維掃描技術原理

在三維掃描技術中，結構光法是主動式方法的是重要組成部分，是將某種圖案的光，如點、線、網(wǎng)格等投向景物，在被射物體上形成圖案并由攝像機攝取，而后采用三角測量原理得到被測物表面的三維坐標值。與其他三維物體形狀檢測技術相比，結構光法具有檢測過程完全非接觸、一次性投影、短時間直接獲取物體的三維空間信息等優(yōu)點。

本文利用的筆跡三維信息提取儀采用的是光柵投影的結構光三維掃描技術，測量時由光柵發(fā)射器形成光柵，經(jīng)過光學投影裝置投射到被測物體上，其表面形狀的凸凹不平使光柵產生畸變，形成攜有被測物體表面輪廓信息的相移光柵圖，相機將變形后的相移光柵圖攝入并存儲形成數(shù)字圖像，經(jīng)過圖像處理，求得畸變光柵的相位分布圖，從而得到被測物體的表面高度，通過數(shù)據(jù)處理，獲取三維空間點云數(shù)據(jù)。三維掃描系統(tǒng)圖如圖1所示。

1.2 ?實驗設備與器材

本實驗用到的實驗器材包括：黑色簽字筆、A4打印紙以及天遠OKIO-S-D三維掃描系統(tǒng)，其中掃描系統(tǒng)的基本參數(shù)如表1所示。用到的軟件包括Geomagic Qualify軟件和Tyscan軟件。

1.3 ?實驗樣本制作

邀請20名本校在校大學生作為書寫人，其中男生10人，女生10人，分別編號1～20。20名書寫人使用黑色簽字筆在以20張A4紙為襯墊物的同一張A4打印紙上正常書寫“人民幣九萬”5個字。共收集實驗樣本20個。

1.4 ?實驗方法

將筆跡樣本平整地放置在工作臺上，把紙張四周空白處壓實，調整兩攝像機鏡頭，讓兩攝像機的夾角在20°～30°之間。使用Tyscan軟件控制掃描儀操作，筆跡樣本經(jīng)過三維掃描儀掃描后獲得ASC格式的點云數(shù)據(jù)，使用Geomagic Qualify軟件打開該ASC文件，獲得一個描繪紙張表面三維形態(tài)的圖像，手動旋轉模型，可以從多個角度觀察字跡壓痕形態(tài)。三維模型頁面如圖2所示。

利用Geomagic Qualify軟件的3D比較功能，將紙張表面設為參考對象，得到相對于紙張表面的字跡壓痕深度大小的彩色圖像，即彩色壓力圖像。彩色壓力圖像顯示界面如圖3所示。

2 ?實驗結果及分析

2.1 ?壓痕三維形態(tài)圖像及其對筆跡檢驗的作用

結構光三維掃描技術具有高精度性和保真性，能準確地測量出紙面的三維形態(tài)并得到三維數(shù)據(jù)點云，借助Geomagic Qualify軟件對紙張進行重建復原，獲得紙張表面三維形態(tài)的三維模型。三維模型可以手動旋轉任意角度，鑒定技術人員根據(jù)需要從不同角度對紙張上的字跡壓痕進行觀察。圖4是利用Geomagic Qualify軟件在三個不同角度下得到的“元”字三維形態(tài)圖像。傳統(tǒng)方法側光觀察筆跡壓痕時，光源從單方向照射，無法顯示各個方向上筆畫的立體形態(tài)，阻礙觀察且獲得的信息有限。三維掃描技術克服了只能從單方向觀察這一局限，全面地展示出壓痕的三維形態(tài)，便于鑒定人員獲得更多信息。同時，三維掃描技術還能夠完全去除油墨顏色的干擾，突出表現(xiàn)紙張表面質地形態(tài)，這是現(xiàn)有方法和設備難以呈現(xiàn)出來的效果。

在此基礎之上，三維模型可以根據(jù)實際需求放大，清晰地展現(xiàn)出字跡壓痕細節(jié)形態(tài)，便于微觀觀察。三維掃描技術展示出的壓痕三維形態(tài)及其放大后的微觀特征，能夠為鑒定人準確判斷筆壓特征和鑒別交叉筆畫書寫時序提供幫助，為筆跡檢驗和添改文件檢驗提供支持和依據(jù)。

2.2 ?壓痕彩色壓力圖像及其對筆跡檢驗的作用

為了更加直觀地觀察到字跡壓痕的深淺，進一步準確掌握筆壓特征，我們利用Geomagic Qualify軟件的3D比較功能，將紙張表面三維模型設為參考對象與壓痕三維模型進行比較，得到壓痕相對于紙面的深度差異彩色圖像。這種3D比較方法主要是保持字跡的二維形態(tài)不變，將各數(shù)據(jù)點的Z軸坐標與各像素點的RGB值建立映射函數(shù)，由顏色越深，代表Z軸數(shù)值越大，說明該點凸起或者凹陷程度越大。圖5為利用3D比較功能得到的3名不同書寫人以20張A4紙為襯墊物書寫的“萬”字彩色壓力圖像。

由圖5可見，彩色壓力圖像利用顏色的變換區(qū)分壓痕深度的差異，使字跡壓痕深度變化及特點直觀且準確地展示出來，鑒定人員通過觀察就能獲得筆壓特征。相比于現(xiàn)有方法中依靠鑒定人員觀察壓痕三維形態(tài)、結合自身經(jīng)驗的主觀判斷，彩色壓力圖像更加客觀、直接。彩色壓力圖像直觀地呈現(xiàn)出筆壓大小及變化趨勢，能為檢驗摹仿、偽裝等高難度筆跡提供幫助，也為個人書寫習慣的研究和推動筆跡鑒定的量化發(fā)展提供技術上的支持。

3 ?結 ?論

偽裝、摹仿等鑒定難度相對較高的筆跡，需要充分利用個人的筆壓習慣，有效、準確地將筆壓特征顯現(xiàn)出來是比較和應用筆壓特征的前提條件。三維掃描技術能夠細致且真實地描繪出物體表面真實的三維形態(tài)，去除了書寫油墨顏色的干擾，尤其可以測量出字跡壓痕深度數(shù)據(jù)并用顏色直接顯示出來的效果是其他方法無法達到的，它為解決筆跡檢驗中的難題提供了一個有效的手段，同時也為推動筆跡檢驗的量化發(fā)展提供了動力。三維掃描技術已經(jīng)廣泛應用于機械、醫(yī)療以及建筑等領域，并且已經(jīng)較為成熟。然而，該技術在文件檢驗以及痕跡檢驗等物證鑒定領域的運用才剛剛起步，有待于進一步的實踐和開發(fā)。

參考文獻：

[1] 劉寧，裴雷，吳亦.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）：25-29.

[2] HOOK C，KEMPF J，SCHARFENBERG G. A Novel Digitizing Pen for the Analysis of Pen Pressure and Inclination in Handwriting Biometrics [C]//Biometric Authentication，BioAW 2004，Prague，Czech Republic，2004：283-294.

[3] 劉寧.運用反射變換成像技術顯現(xiàn)黑色簽名字跡書寫筆壓 [J].警察技術，2015（5）：32-34.

[4] 劉永久，汪中.基于結構光投影的物證三維重建技術 [J].科技視界，2018（7）：121-122.

[5] 陳煒，周松林，李金茗，等.基于三維掃描數(shù)據(jù)的輸電故障定位研究 [J].信息技術，2020，44（7）：149-153.

作者簡介：馬有放（1995—），男，漢族，遼寧大連人，碩士研究生，研究方向：文件檢驗。