寫字機器人書寫特征鑒定的實驗研究
——以METAL-20型為例

周懿愷 黃益 于奎棟

1.上海市公安局長寧分局 2.上海市公安局奉賢分局 3.上海市公安局物證鑒定中心

引言

傳統(tǒng)的筆跡摹仿類案件中，無論書寫人出于什么目的，其犯罪行為中表現(xiàn)出一定是隱藏了個人書習(xí)慣與書寫特征，刻意摹仿他人的書寫習(xí)慣和書寫特征，關(guān)于簽名筆跡的鑒定研究已較為成熟，同時，隨著技術(shù)革新發(fā)展，在紙張上提取書寫人手印、DNA進(jìn)行比對鑒定最終破案的案例不勝枚舉，因摹仿字跡逼真，價格低廉，新型演進(jìn)式仿生設(shè)備寫字機器人的出現(xiàn)，將會影響甚至改變此類犯罪形態(tài)，雖然部分省、市的實戰(zhàn)文檢專家反饋，尚未發(fā)現(xiàn)此類案例，但不排除未來在更多的違法犯罪活動中會出現(xiàn)寫字機器人身影。本次研究結(jié)合相關(guān)知識，通過寫字機器人臨摹的不同字跡，分析總結(jié)寫字機器人的書寫特征與正常書寫間的差異，為今后類似案件鑒定提供參考。

一、現(xiàn)狀分析及工作原理

（一）寫字機器人相關(guān)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)寫字機器人受制于經(jīng)濟體制影響，相較于西方國家發(fā)展速度較慢，在“七五”計劃以及相應(yīng)高科技研究發(fā)展計劃政策扶持下，逐漸開始起步。1999年我國在沈陽、哈爾濱、北京等地建立了數(shù)個寫字機器人產(chǎn)業(yè)基地。從逐步建設(shè)產(chǎn)業(yè)化開始，國內(nèi)寫字機器人正式進(jìn)入高速發(fā)展階段，經(jīng)過三十余年的研究與發(fā)展，國產(chǎn)寫字機器人在國內(nèi)外逐漸形成了市場化、規(guī)模化，一些技術(shù)難題獲得突破。技術(shù)市場化后，帶來了寫字機器人合理使用與司法實踐真?zhèn)舞b別的各種討論與研究。

寫字機器人被用于違法犯罪活動，對傳統(tǒng)文件檢驗、司法鑒定帶來了沖擊，有關(guān)部門及研究員對此有著較高的關(guān)注度，朱明新在《寫字機器人偽造簽名字跡的鑒別》（2021）中提出寫字機器人摹仿筆跡與常規(guī)的偽造方式套摹、臨摹、描摹、億摹或者簡單的通過復(fù)制、粘貼、挖補等方式不同，具有更為豐富但相似的筆跡特征，故具有較強的迷惑性，會對實戰(zhàn)筆跡鑒定產(chǎn)生一定的迷惑。

劉暢、黃鈺等人在《寫字機器人書寫特征的識別與研究》（2020）中提到，寫字機器人如今在深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中可能會有所涉及，通過AI深度學(xué)習(xí)，利用已知字跡來摹仿未知字跡，一旦使AI掌握了被摹仿人的書寫特征，形成了和被摹仿人書寫一致的筆跡風(fēng)格，會給司法鑒定工作帶來較大的挑戰(zhàn)。

胡萍、成磊在《直線關(guān)節(jié)型書寫機器人書寫筆跡特征的研究》（2019）中，通過盲測實驗，讓149位刑事科學(xué)技術(shù)人員對樣本進(jìn)行鑒定，通過對鑒定意見的分析計算，最終出具的鑒定意見錯誤率高達(dá)49%，遠(yuǎn)高出2018年司法部筆跡鑒定盲測平均不通過率的7%，由此說明了書寫機器人具有一定的書寫水平，會對實際工作中筆跡鑒定的準(zhǔn)確率產(chǎn)生巨大影響。

（二）寫字機器人工作原理

1.寫字機器人的控制

以本實驗所使用的在網(wǎng)上購買的“十字形”寫字機器人為例，設(shè)計者采用了作標(biāo)定位法，計算筆跡軌跡的各像素點坐標(biāo)，利用相應(yīng)軟件預(yù)覽并標(biāo)記每一個像素點的相對位置，事先固定好兩個高精度電機，在其中x、y軸交接處電機上安裝筆桿，按照預(yù)定程序在相應(yīng)點位進(jìn)行起落筆設(shè)定、速度設(shè)定、筆力設(shè)定等系列操控設(shè)定，從而可以順利完成書寫。

2.寫字機器人漢字信息獲取方式

目前寫字機器人主要通過三種方式獲取漢字信息：（1）直接利用電容筆在相應(yīng)軟件中錄入個人字體后導(dǎo)入寫字機器人適配字庫，此方式最為簡單，對技術(shù)層面求較低，但是容易受書寫時主、觀因素影響，可能會導(dǎo)致字跡與被摹仿字跡差異較大，尤其是在筆跡粗細(xì)上無法體現(xiàn)變化；（2）可將紙張上的人工書寫的筆跡用高精度掃描儀掃描，然后使用Gcode工具描畫路徑，轉(zhuǎn)換為矢量圖導(dǎo)入字庫，此方式入庫時通過閾值灰度一定程度上可體現(xiàn)被摹仿人的筆跡粗細(xì)變化，但在筆順特征方面會因為錄入方式是掃描，類似于一幅“畫”，而不是一個“字”，在寫字機器人書寫時會偶發(fā)異常；（3）利用計算機深度學(xué)習(xí)技術(shù)，大量被摹仿人字跡的信息錄入，并通過AI學(xué)習(xí)讓計算機掌握被摹仿人書寫習(xí)慣與書寫特征，從而形成與被摹仿人字跡風(fēng)格高度相仿的筆跡。隨著AI技術(shù)精進(jìn)和樣本數(shù)據(jù)的增大，此類筆跡與被摹仿人字跡會愈加趨同，未來將對鑒定工作帶來較大考驗。

二、實驗過程

（一）實驗儀器、軟件

本實驗所用器材：METAL-20型號寫字機器人（如圖1所示）、電容筆、華為mate40pro、筆記本電腦（Windows7系統(tǒng)）、Pimio簽字筆（0.5mm黑色）、放大鏡。

本實驗所用軟件：奎享造字、奎享雕刻軟件。

（二）實驗設(shè)計

根據(jù)寫字機器人特點，用電容筆在手機奎享造字軟件中錄入比對樣本所需的個人字體，將字庫導(dǎo)入奎享雕刻軟件，通過奎享雕刻軟件中字體變形功能，將字體在合理區(qū)間內(nèi)進(jìn)行隨機化處理以增加寫字機器人摹仿個人字跡迷惑性，通過直接比對法和放大觀察法對兩種字跡進(jìn)行特征比對，從而發(fā)現(xiàn)異同，總結(jié)鑒別方式。

（三）實驗對象

選取12位在校大學(xué)生進(jìn)行3項實驗準(zhǔn)備：（1）比對樣本制作；（2）個人字體錄入；（3）摹仿他人筆跡。

（四）實驗步驟

1.比對樣本制作

分別讓所選取的三名實驗對象對一份隨機選取的素材在統(tǒng)一紙張、使用同一支筆進(jìn)行書寫。（要求筆墨余量大致相同且較為充盈，確保所完成的樣本能夠較為完整的表現(xiàn)個人筆跡特征）（如圖2所示）。

2.個人字體錄入

通過手機下載奎享造字軟件，使用電容筆在手機屏幕上錄入個人字跡?？紤]到個人字跡具有隨機性、變化性，在個人字跡錄入過程中，采取一人字跡多次錄入，形成個人多個字體庫（如圖3所示），為在后續(xù)寫字機器人摹仿書寫過程中，多個字體庫隨機使用，為確保字跡逼真性，同時在字跡錄入時盡量采用連筆方式，確保字跡的完整性（如圖4所示）。

3.寫字機器人摹仿筆跡

將寫字機器人連接電腦，設(shè)置寫字機器人機體，同紙同筆，確保簽字筆筆墨余量相同、筆墨充盈，確保筆尖距離紙張3～4cm處，盡量體現(xiàn)出寫字機器人臨摹筆跡特征，設(shè)置寫字機器人參數(shù)，測量紙張長度、寬度、行數(shù)，保證寫字機器人所臨摹字跡所在位置合理，具有可比對性（如圖5所示）。將一人多個字體庫隨機選取，再通過字體變形功能將字體在合理范圍內(nèi)進(jìn)行隨機大小、隨機間距、隨機傾斜、隨機垂直拉升以增加寫字機器人摹仿個人字跡的迷惑性（如圖6所示）。

三、寫字機器人摹仿筆跡與個人書寫筆跡比較分析

（一）概貌特征、布局特征

寫字機器人摹仿個人字跡進(jìn)行仿寫，書寫水平特征無法體現(xiàn)，寫字機器人將字體進(jìn)行了隨機化處理，字距、行距皆可微調(diào)、對整體文字通篇布局單字結(jié)構(gòu)也都進(jìn)行了參數(shù)調(diào)整，基本達(dá)到與書寫人筆跡較為吻合的狀態(tài)，因此概貌、布局特征基本相同，尚不作本次研究的重點。但對字行與格線關(guān)系特征進(jìn)行觀察，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，寫字機器人通過模板對書寫紙張的長寬、行數(shù)、字體大小進(jìn)行編輯，故寫字機器人書寫在每一行的行距中默認(rèn)是從中間開始，按照編輯的字體大小占比進(jìn)行書寫，因此寫字機器人仿寫筆跡大多位于格線中間位置（如圖7所示），這一點可對習(xí)慣緊靠下格線或其他不靠近中線位置書寫的書寫人進(jìn)行特征比對（如圖8所示）。

（二）搭配比例特征

寫字機器人仿寫是通過手動錄入、圖片錄入以及AI學(xué)習(xí)方式，盡管在搭配比例上較為接近書寫人搭配比例，但受限制于錄入的字體庫的種類數(shù)量，對于搭配比例特征較為明顯且在筆跡中多次出現(xiàn)的字體，即使通過軟件進(jìn)行隨機化處理，最多只能做到單個字體整體性的傾斜、放大縮小等，對于字體內(nèi)部搭配變化很小，仍能比較容易發(fā)現(xiàn)多處比例特征完全相同的同一文字。因此這也可以作為鑒別是否為寫字機器人摹仿筆跡的手段之一。

1.相鄰筆畫的距離特征

由于寫字機器人是機械的摹仿個人書寫習(xí)慣，因此在較大篇幅的材料中，很容易發(fā)現(xiàn)同一個字多次出現(xiàn)的鄰位筆畫上的相似性，如圖9、圖10中的“前”字，上下兩部分距離較遠(yuǎn)，且通篇多處可以發(fā)現(xiàn)同樣特征，盡管測量后發(fā)現(xiàn)距離不完全相同，但是經(jīng)過多處測量、比對、分析后發(fā)現(xiàn)，兩部分之間距離與軟件隨機化處理使得字整體縮放比例成正比，從而得出文中的類似“前”字這樣的相鄰筆畫距離特征其實是對字庫中字復(fù)制粘貼的過程，僅僅有縮放區(qū)別，無其他變化。

2.偏旁的搭配特征

如圖11、圖12中“課”字書寫偏旁偏高，且檢材中發(fā)現(xiàn)多出言字旁書寫均出現(xiàn)偏高特征，反應(yīng)了被摹仿人書寫特征的同時，發(fā)現(xiàn)同一字跡偏旁高低、傾斜幾乎一模一樣，可推斷出類似于寫字機器人“復(fù)制”“粘貼”的過程。

（三）筆順特征

無論通過手寫錄入字跡或是圖片掃描錄入字體，又或是通過AI學(xué)習(xí)字跡，在錄入過程中都未設(shè)計記錄書寫人的書寫筆順，在計算機控制下，為保持筆畫連續(xù)性，書寫筆的移動程序設(shè)計都是按由上至下固定順序，因此某些字，特別是連筆字的書寫過程中，會出現(xiàn)寫字機器人摹仿字跡和個人字跡筆順不同。

（四）運筆特征

1.起收筆特征

正常人書寫動作開始時，筆尖接觸書寫面一般起筆方式有直起筆、側(cè)起筆和回轉(zhuǎn)起筆。筆尖離開書寫面的細(xì)節(jié)動作特點主要可以分為直收筆、頓壓收筆和回轉(zhuǎn)收筆。寫字機器人工作原理是通過電機上安裝的彈簧直壓方式進(jìn)行起筆收筆，因此寫字機器人起筆收筆均為頓壓筆，且形態(tài)較為生硬，起收筆過重，收筆頓壓筆末端不是尋常頓壓收筆應(yīng)有的圓頓形，類似于點狀式的停筆（如圖13、圖14、圖15所示）。有時候甚至?xí)霈F(xiàn)夸張再現(xiàn)提、轉(zhuǎn)、頓的收筆動作，形成異常的收筆樣式。

2.連筆特征

不同人在筆畫間連筆的部位、連筆方向和連筆形態(tài)上，會表現(xiàn)出不同特征。一般來講，在容易連筆部位出現(xiàn)的連筆價值較低，但寫字機器人書寫過程中筆力較為均勻，連筆筆畫無粗細(xì)變化，連筆較為生硬，且連筆方向固定，相同字在全篇多次出現(xiàn)的連筆方向完全一致，因此可作為鑒別是否為寫字機器人書寫的方法（如圖16、圖17所示）。

3.筆力特征

筆力特征是一種現(xiàn)行條件下較為切實有效的區(qū)別是否為寫字機器人摹仿字跡的方式，對于機器而言只有0和1，代表著“白”和“黑”，在字體錄入的過程中，受限制于軟件、錄入設(shè)備不具備區(qū)別筆力大小的功能，也受制于電機的固定位置，在Z軸上的體現(xiàn)僅僅為放置筆桿的彈簧上，因此，寫字機器人在摹仿時僅能判斷是否落筆，并不能表現(xiàn)筆力輕重，即寫字機器人在摹仿書寫過程中筆力全程均較為均勻，筆痕大小，筆畫粗細(xì)基本一致。在書寫時缺少“輕、重、緩、急”的筆跡動態(tài)感。

（五）其他特殊筆跡特征

在運用放大鏡觀察發(fā)現(xiàn)，寫字機器人摹仿字跡中較多情況會出現(xiàn)筆畫抖動（如圖18、圖19所示），該抖動歪曲特征與普通摹仿筆跡抖動歪曲特征相比，抖動歪曲幅度小，分布廣，且這種不規(guī)則的小幅度抖動在正常書寫過程中無法實現(xiàn)，經(jīng)過多次實驗分析得出，寫字機器人摹仿筆跡在個別筆畫出現(xiàn)歪曲抖動受影響于設(shè)置的書寫速度，且降低書寫速度可以在通篇有效減少發(fā)生抖動頻率，另一方面是在錄入字體庫時受影響于電容筆靈敏度，錄入設(shè)備辨識度的原因。這種抖動幾乎無法避免，因此這一運筆特征可作為鑒別是否為寫字機器人摹仿字跡的有效手段之一。

機器人在書寫過程中，要依靠結(jié)合控制板、步進(jìn)電機、抬筆舵機、齒輪等硬件的聯(lián)動才能實現(xiàn)，對于Z軸的距離把控?zé)o法做到像X、Y軸一樣精準(zhǔn)測量，因此如果筆的位置稍低，或紙面、桌面不平整，則會在筆跡書寫的收筆位置出現(xiàn)較長的拖帶痕跡，從而形成機械所特有的反常拖筆現(xiàn)象（如圖20所示）。

（六）標(biāo)點符號筆跡特征

《標(biāo)點符號用法》明確規(guī)定了標(biāo)點符號的名稱、樣式和用法，其中逗號、句號放在字下偏右位置，寫字機器人書寫這類標(biāo)點符號時，由于書寫在每一行的位置固定是從中間開始按照編輯的字體大小占比進(jìn)行書寫，因此書寫的逗號、句號都偏中間甚至靠近正中心位置（如圖21，22所示），與正常書寫人書寫有較大突兀，因此可作為鑒別是否為寫字機器人書寫的特征之一。

（七）執(zhí)筆特征

正常人在寫字過程中，一般的執(zhí)筆角度都是筆與紙面橫線約成35℃至40℃之間，因此采用了“三指執(zhí)筆法”即大拇指和食指中間的指頭在上面抓住筆桿子，筆桿上部也自然而然地斜靠于手指虎口部，借此來保持執(zhí)筆工作的順暢，執(zhí)筆過程中的繞、翻、壓腕等動作，也保證了書寫過程中可以力度大小轉(zhuǎn)換、虛實結(jié)合、運筆靈活，而寫字機器人的執(zhí)筆在角度上多為固定參數(shù)，以本實驗中使用的“十字形”寫字機器人為例，執(zhí)筆角度無法調(diào)整為垂直90°，在整個書寫過程中均保持這一書寫角度，同時寫字機器人是使用塑料筆桿彈片加螺絲釘固定筆進(jìn)行書寫，僅僅有了書寫的“實”，沒有了書寫的“虛”，因此在放大鏡觀察其筆痕，特征均為筆痕深度均勻，筆痕脊梁與兩邊痕跡緣的距離不變，痕跡緣處紙張翹起程度一致。

四、結(jié)論

通過觀察寫字機器人摹仿筆跡，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的寫字機器人摹仿個人字跡存在較大的可鑒別點，總結(jié)如下：

（1）寫字機器人布局固定位于兩行線中間，且全篇呈機械性重復(fù)；

（2）單字筆順特征基本可以實現(xiàn)與被摹仿字跡完全相同，但是較為復(fù)雜的字可能會因為錄入原因與被摹仿字跡產(chǎn)生差異；

（3）起收筆均為頓壓筆；

（4）執(zhí)筆角度固定單一；

（5）個別筆畫會出現(xiàn)幅度小且彎曲小的抖動；

（6）整體筆畫均勻筆壓、筆痕粗細(xì)接近；

（7）整體運筆生硬，無“輕、重、緩、急”的筆勢；

（8）寫字機器人書寫標(biāo)點符號位置普遍會出現(xiàn)靠近中心位置的情況。

因此在實戰(zhàn)過程當(dāng)中，如遇到需鑒別是否為寫字機器人摹仿字跡可通過如下方式：

（1）可以通過直觀比對檢驗單字組合特征、整體布局特征；

（2）通過放大比對檢驗字跡的起首筆、行筆等細(xì)節(jié)特征，在實驗中發(fā)現(xiàn)，在放大鏡側(cè)光照射作用下，通過手機或者相機進(jìn)一步放大拍攝，可以清晰觀察到字跡的筆力特征，甚至可以借此洞悉單字交叉部分的筆順；

（3）可以利用文檢儀或運用反射變換成像技術(shù)等進(jìn)行進(jìn)一步比對觀察。