显微三维测量系统在文件检测的应用研究

宋昌江，何 艳，姜 洋

(1.黑龙江省科学院自动化研究所重点实验室，哈尔滨150090; 2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨150020)

文检［1］，又称文书检验、文件检验。它是一种刑事侦查技术，同时又是一种司法鉴定手段。文检运用同一认定的原理，采用分别检验、比较检验、综合评断的方法对犯罪嫌疑人的检材与供检样本的比对，以确定犯罪嫌疑人是否作案，是否要进行定罪量刑，以达到打击犯罪，保护人民生命和财产安全的目的。如果文检鉴定结论错误，可能会放纵罪犯，使违法犯罪者逍遥法外，或者冤枉好人，影响司法公正，给国家、集体利益和公民的名誉、财产造成损害。所以文检技术的研究有着十分重要的意义［2-3］。

自20世纪90年代兴起基于计算机视觉技术的物体表面数字化技术至今，该项技术已经应用到多种行业并逐步改变着人们的生活［4］。它能够建立图像与真实世界的联系，精确地测量和还原被测物体的三维立体形貌信息，是光学技术、电子计算机技术和信息技术等技术的融合，是未来信息化、智能化发展的关键技术［5］。

本文运用计算机视觉技术，精确地获取待测文检的三维信息，即点云数据，通过对点云的鉴定、甄别，进而实现文检鉴定。由于三维数据具有空间不变性，更适应与多样本比较，更有助于鉴定的准确性。精确的定量测量，不仅满足于目前文检鉴定手段，更能够为未来文检鉴定提供有效的数据材料。

1 系统研究

1.1 结构光原理

结构光的基本原理是我们项目的特定模式的光(如光栅，等)对被测物体的表面，然后捕捉到的图像的对象［6］。与图像相关的，我们能获得被测物体的高度。如图1所示，是结构光成像原理。有一个参考平面的高度是0。光通过光栅投影到物体表面，在空间的位置(x，y)，参考平面上的点的相对高度可计算如下:

P表示参考平面上的投影光的波长。L表示参考平面的摄像机的垂直距离。D表示相机投影距离。φCA表示点C与点A之间的相位差。φCA可以计算如下:

由公式(1)，我们可以知道，结构光成像的关键点的相位值。主要有三种方法解决了光栅图像的相位信息:傅立叶变换的方法，时域卷积滤波和相移。相移是公认的最有效和最可靠的方法。它具有较低的计算复杂度和高(高容量和低容量)防静电噪声能力。因此，我们采用相移法计算相位信息。

图1 结构光成像原理Fig.1 Structured light imaging principle

当一个正弦光栅图像投影到曲面上，这是由照相机得到的光栅图像可以表示为:

I'(x，y)是平均灰度图像，I″(x，y)是灰色的模量，δ是相模。I″(x，y)，δ和φ(x，y)未知的。如果我们想得到它们，我们至少需要三个方程。在我们的实验中，相位增量，我们可以得到四的图像，它可以表示为:

φ(x，y)可以从这四个相函数计算:

从式(5)，我们可以看到，所有的相位值落入间隔［-π/2，π/2］。为了获得一个连续分布的相位值，相位值需要被扩展到［-π，π］。首先，可以根据正弦和余弦值的符号的相位值。然后，我们使用的相位解包裹算法检索连续相位映射。主要步骤如下:

步骤1:设置T的阈值要比2π少一点，如T=1.8π;

步骤2:从i=0开始，执行步骤(3)，(4)和(5)直到所有的相位值已被访问;

步骤3:计算相邻点的相位差:

步骤4:如果|Δy|＜T，那么φ(xi+1，y)=φ(xi+1，y)，否则

步骤5:i=i+1，转到步骤3。

图2(a)为例，计算的相位值是不连续的。我们可以看到，利用一个特定的2π区间，将不连续的阶段通过以上的步骤得到一个连续的阶段，如图2所示(b)。

图2 相位和相位解包裹后Fig.2 Phase and phase after unwrapping

1.2 系统组成

利用投影机将一组经由计算机产生的正弦强度光栅条纹投射于文检样品表面，利用CCD相机摄取影像，通过相移技术的方法重建被测物体的表面轮廓。如图3所示，系统主要由计算机、显微条纹投影仪、CCD单筒显微镜。显微条纹投影仪的投影部分及CCD的光学成像部分均采用可变倍率的镜头，这样便可以适用于不同大小视场的测量工作。

图3 硬件结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the hardware structure

1.3 系统标定

如果相位测量误差是不存在的，我们可以得到准确的相位。事实上，由于非线性相移误差，测量误差等随机因素的影响，在得到的结果有误差由式(4)。为了提高相位测量精度，我们需要校准的系统参数。有三个参数:P，L和D的值需要校准，如图1所示，在参考平面上的投影光的波长P，从CCD相机中心到参考平面的距离，从CCD摄像头的中心到中心的距离的投影机。根据三角关系，我们可以得到以下方程:

设x=L，y=2πD/P

从式(9)，我们可以看到，如果h和φcd是已知的，x和y可以计算。所以我们给两个不同的高度:h1和h2。φcd1和φcd2可以计算采集到的图像由式(5)。我们可以从两个方程由式(9)。x和y可解。

2 实验结果

四步相移加编码方法和三维传感技术相结合，即投影仪将计算机产生的正弦强度光栅条纹投射于被测物上，本文系统将投射4幅正弦条纹图和9幅编码条纹图。投射条纹将会因被测物表面的深度变化而产生变形，CCD采集被测物体的位图，实现被测物体的三维重构。如图4，用于文件样本的采集过程。示，由于样本纸张的褶皱等原因，容易引入误差，我们通过对纸张采集减少由于纸张引入的误差的印象，(b)图为处理后的点云效果，可以直观观察获得结果。

图4 四步相移工作过程图Fig.4 Four-step phase shifting process diagram

图5 朱墨时序检验示意图Fig.5 Schematic diagram of Zhu Mo test

图6 叠笔检验示意图Fig.6 Schematic diagram of folding pen test

3 结论

本文中，将相移技术引入显微测量技术应用之中。通过将条纹投影、CCD采集和视场范围变化相结合，精确地重构被测物体的三维信息，在1～20 mm视场范围，最高测量误差低于1 μm。而能够达到这些指标的系统，对于文检研究有着十分重要的意义，能够有效和准确地还原书写笔记的三维形貌。最后，对本文系统进行应用性实验，证明其具有较高的实用性和有效性。

本文是对显微三维测量系统在文检工作中的尝试性应用研究，虽然获得较好的效果，但还需要不断深入研究和完善。

在文检工作中，利用本文所设计的显微三维测量系统，可有效地使用于朱墨时序检验、样本比对检验。如图5所示，(a)图为二维图像，(b)图为三维点云显示，从印章印记和书写笔记在纸面上留下痕迹厚度等信息，可以直观观察获得结果。如图6所示，为两个“十”字，左侧先写横后写竖，右侧为先写竖后写横;(a)图为未处理的三维点云显

［1］ 贾玉文，邹明理.中国刑事科学技术大全(文件检验)［M］.北京:中国人民公安大学出版社，2002:1—2.

［2］ 杨旭，施少培，凌敬昆，等.论文件鉴定实验室标准化建设的关键要素［J］.刑警与科技，2006，(3):13—17.

［3］ 杜志淳，宋远升.笔迹鉴定证据的原理采撷与法律判读［J］.华东政法大学学报，2009，(2):34—40.

［4］ 吴立德.计算机视觉［M］.上海:复旦大学出版社，1993:9—16.

［5］ BOIMAN，O.SHECHTMAN，IRANI.In defense of nearestneighbor based image classification［C］.In IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR)，2008，(1):146—175.

［6］ SUNDER，MANISHA SAM ROSS，ARUN.Iris Image Retrieval Based on Macro features［C］.International Conference on Pattern Recognition(ICPR)，2010，(1):65—88.