运用笔迹三维信息提取分析仪对摹仿签名笔力特征的实验研究

2016-11-21思韩丹岩俞

中国刑警学院学报 2016年3期

关键词：笔力笔迹压痕

申　思韩丹岩俞　纲

（1　浙江警察学院　浙江　杭州　310053；2　中国刑事警察学院　辽宁　沈阳　100035；3　杭州市公安局西湖分局　浙江　杭州　310000）

运用笔迹三维信息提取分析仪对摹仿签名笔力特征的实验研究

申思1韩丹岩2俞纲3

（1浙江警察学院浙江杭州310053；2中国刑事警察学院辽宁沈阳100035；3杭州市公安局西湖分局浙江杭州310000）

对三维笔迹信息的探索与研究，有利于鉴定人从检材字迹中发现更多笔迹特征。运用笔迹三维信息提取分析仪，设计相关实验，探索套摹、临摹签名和被摹仿签名之间笔力分布和变化规律的异同。实验结果证明，该方法能够直观展现摹仿笔迹与被摹仿笔迹的笔力特征差异，为鉴定人提供客观依据。

笔迹三维信息摹仿签名笔力特征

笔迹检验学科发展至今已经非常成熟，鉴定人对笔迹特征的理解和运用都较为深入，但是这些认识大多都围绕二维层面的笔迹特征。虽然大部分笔迹鉴定人对三维笔迹特征的认识和理解都不够全面，但是其对于笔迹鉴定工作的价值已被许多高水平鉴定人认可，并开展过一系列讨论［1-4］。

笔迹三维特征是指书写过程中，书写器官通过笔尖作用于承受物的力的大小和方向的变化规律，外化成笔迹后的具体征象，即笔尖挤压承受物使之变形后，形成的笔迹压痕的形态和深度的变化。相比传统的笔迹特征，笔迹三维特征具备更强的隐蔽性，这一特性对于摹仿笔迹检验意义更为重大，因为摹仿人通常只关注被摹仿字迹的二维形态，却很难关注到笔迹三维信息。若以此为突破口，也许能够降低摹仿笔迹的检验难度。

在本文中，笔者设计相关实验，运用笔迹三维信息提取分析仪采集和分析套摹、临摹签名笔迹与被摹仿签名的三维笔迹信息，探讨摹仿签名与被摹仿签名之间笔力特征的异同。

1　实验设备

笔迹三维信息提取分析仪（由中国刑事警察学院文件检验技术系和北京天远三维科技有限公司联合开发），中性圆珠笔，复印纸，投影灯箱。

2　实验方案和样本制作

为方便探索摹仿笔迹的特征和规律，所有书写人均摹仿或冒写2枚指定签名，1枚笔画少且简单，1枚笔画多且复杂。

2.1套摹签名实验

选择最理想的书写条件（下文简称理想条件），即书写工具为中性圆珠笔，承受物为空白复印纸，衬垫物厚度适中（5张复印纸），正常书写速度与书写姿势，书写人心理与生理状态平和。

为了提高本次实验中套摹签名样本的书写质量，采用投影灯箱作为辅助工具，书写人借助纸面下的投影灯光可以清晰地看到摹本字迹的形态与细节；除此之外，还要求每位书写人经过充分的练习，熟练掌握要领之后才开始书写样本。

在此前提下，针对每个被摹仿签名套摹20次，作为一组。

2.2临摹签名实验

书写人在熟练掌握套摹他人签名的基础上做临摹练习，待熟练后选用理想书写条件，针对每个被摹仿签名临摹20次，作为1组。

2.3冒写签名实验

为探究书写人在套摹、临摹他人签名时与正常书写时笔力特征的差异，还需采集书写人正常书写的被摹仿签名（即冒写签名），作为比较依据。

在理想书写条件下，摹仿人依照自身书写习惯，针对每个被摹仿签名，自然书写20次，作为1组。2.4样本制作

根据上述实验方案，本实验邀请30位本科学生，年龄介于20岁至28岁之间，参与实验样本的制作，每人在不同的书写条件下完成6组签名，每组20枚，每人总计书写签名120枚。

由于本系统精度较高，纸张本身的褶皱和向下凹陷的纸张格线都会对数据采集造成影响。考虑到本次实验只是系统的初次研发与探索，在实验中仅选用平整的空白复印纸为书写承受物，并要求志愿者在书写样本时保证纸张平整不被褶皱和污染。各组实验样本的详细书写条件见表1。

表1　实验样本分类列表

2.5实验原理

笔迹三维信息提取仪是本文的主要设备，该设备能够准确提取笔迹的三维数据并进行数据分析，具备压力彩色图显、压痕去墨色图显、笔痕深度曲线分析和Z轴极值分析等功能。

3　套摹签名笔力变化规律

套摹也称透光套摹，是把被摹仿字迹垫在下面，根据透光观察到的字迹影像逐行逐字逐画进行套写。因此，相比其他摹仿手法，套摹签名与本人签名的形态最为接近。

3.1压力彩色图显

图1是被摹仿人书写和他人套摹的“卫”字。从笔画形态上看，套摹字迹与本人字迹极其接近，但通过压力彩色图可以看到，每位摹仿者的书写力轻重分布和变化都与被摹仿者不同：摹仿者1笔力几乎没有变化，始终维持较大的书写力，运笔死板，是笔力平缓的典型代表；摹仿者2只有刚起笔时笔力稍大，之后的部分均力量偏小；摹仿者3虽然笔力有轻有重，但笔力分布规律恰与本人签名相反。其他摹仿人书写的套摹签名均呈现出类似的差异点。由此可知，压力彩色图显能够直观地展现出笔力平缓、运笔抖动等摹仿笔迹的特点。

图1　“卫”字本人签名与套摹签名压力彩色图显

3.2Z轴极值分析

每个签名样本经摄像头采集后都以点云矩阵的方式存储在电脑中，每个字甚至每一画都被分解为数以万计的点，想要完全统计每个点的Z坐标明显不可行。因此，想通过量化方式掌握笔迹压痕的变化规律，应当首先从海量数据中选出价值较高的数据。

三维检测软件Geomagic Qualify可以在签名笔迹的三维模型与纸平面间做减法，从而获得笔迹模型中各点与纸平面间的距离，该值小于零时可以视为该点处纸面凹陷的深度值，大于零时则视为笔迹两侧的纸张受力突起后高于纸平面的数值。通过该软件得出每个签名样本中最低点和最高点与纸平面的距离（下文简称为Z轴极值），是某一条件下纸张变形程度的最佳体现。

为了探索正常笔迹与套摹签名笔痕的整体深度关系，笔者汇总每位书写人的套摹签名和冒写签名的Z轴极值，分别计算最高点和最低点平均值，然后对两者进行比对。经比较发现：套摹签名纸张向下凹陷和向上凸起的高度明显高于冒写签名，数十位摹仿者书写的套摹签名无一例外。表2列出了4名摹仿者套摹签名和冒写签名的Z轴极值平均值，由于书写造成纸张变形程度与书写压力的大小成正比，故知虽然每位摹仿者在套摹时书写力大小不一，但是均明显大于其冒写他人签名的书写力。

依据检验经验，大多数鉴定人普遍认为摹仿笔迹的书写力较正常笔迹轻，原因在于：摹仿者为了使摹仿签名与被摹仿签名尽可能地相似，在书写过程中较为谨慎，不敢发力，对书写工具施加的力量越大越难控制行笔方向，因此只能“轻描淡写”地完成摹仿动作。这一观点在许多案件中得到了印证，也逐步发展为鉴定人的共识。

为此，本作者排除了书写条件的干扰，确保每位书写人在相同的书写条件下套摹和冒写签名，所得结果依然如此。各中原因，有待进一步地探索和讨论。

表2　套摹签名与冒写签名Z轴极值比较

3.3压痕深度曲线分析

压痕深度曲线可以通俗的理解为某一笔画中各像素点的Z坐标构成的二维曲线，在平面坐标系中表现为：X轴是某一点在选定笔画中的相对位置，Y轴是该点的纸张凹陷深度。

在比较过程中，发现原始签名和套摹签名之间存在一些相似之处。例如图2中显示的是“卫”字最后一横画的深度曲线，左边是本人签名，右为套摹签名笔迹。横字尾部上行，笔力由重到轻，近似于提画；两曲线在笔画转弯之后一点产生差异——套摹笔迹在此处突然加重，而摹本签名却平滑过渡；自该点以后的部分，两者几乎没有差别，均呈明显的上升走势。

图2　“卫”字横画深度曲线比较

类似的现象在本人签名与套摹签名的比较过程中并不少见，分析认为这种现象是书写习惯共同性的体现。一些被大多数人共同掌握的书写习惯，如撇画、悬针竖和提笔收笔笔力渐轻，横画起笔或收笔顿压等，均会在压痕深度曲线中呈现相似的走势，不能简单将其判定为同一人的书写习惯，而应归结为社会共同书写习惯。

与此同时，压痕深度曲线的对比过程中也发现了套摹笔迹与本人笔迹之间笔力分布的差异。如图3所示，“茹”字女部撇画与横画连笔的深度曲线，左边是本人签名，右为套摹签名。从笔画形态上看两者较为接近，但比对笔痕的深度布局就发现诸多差异：曲线中红线所指处对应上方图片中红色箭头指向的点，摹本签名在该处笔力加重，而套摹签名却与之相反，笔力上扬；黑线标示处和黑色箭头所指处对应，两签名同样呈现相反的笔力分布，左图在拐点处笔力加重，右图却变轻。横向比较摹本书写人书写的其他签名，发现上述两点稳定体现在每个签名之中，是稳定的书写习惯，但转而比较该摹仿人书写的其他套摹签名却无法在该处得到相同的结果，证明这两个差异点是由不同的书写力习惯导致的本质差异。

图3　“茹”字女部压痕深度曲线比较

总而言之，压痕深度曲线分析涉及的数据信息精细，可以帮助鉴定人更加深入地比较可疑签名与样本签名之间的笔力分布的细节。但是，鉴定人也需学会分辩差异点的形成原因和类型，避免武断判定，做出错误的鉴定结论。

4　临摹签名笔力变化规律

临摹笔迹，是将被摹仿人的字迹置于一旁，边观察边摹仿写成的字迹。高水平摹仿者既可以做到外形相似，也可以弱化抖动弯曲、笔力平缓等摹仿笔迹特点，达到“以假乱真”的效果。

4.1压力彩色图显

图4是被摹仿签名与某位摹仿人临摹签名的比对效果，由图可知：被摹仿人书写的“卫”字仅第一笔画笔力大，其他部分均笔力轻，而临摹的“卫”字的笔力有轻—重—轻—重几次变化；本人书写的“燕”字口部笔力最轻，但临摹笔迹“燕”中的口部力量较重，竖画尤重。

如果鉴定人能够通过观察多枚被摹仿人签名的压力彩色图片，从中掌握其笔力分布的大致规律，就有可能从临摹签名中发掘出笔力分布不符合常规的特征点，进而降低辨别高仿真签名的难度。

图4　本人签名与临摹签名笔力分布比对

4.2Z轴极值分析

表3中记录的是4名摹仿者书写的临摹签名与冒写签名的Z轴极值的平均值，仔细观察数据可知：前两位摹仿者临摹签名的书写力度小于冒写签名的书写力，而后两位却与前者恰恰相反。本实验收集到的30人的样本中，22人临摹签名的力度大于冒写签名，其余8人与之相反。这一结果与压力彩色图显的结果一致，却与鉴定人的常规认识相左。

总之，依实验结果所示临摹他人签名与正常书写时的书写力变化因人而异，未发现适用于所有人的共同规律。