反射变换成像技术显现喷墨打印机星形轮齿痕个体特征

林 红 裴 雷 刘 宁 倪茹涵

（1 中国刑事警察学院文件检验技术系 辽宁 沈阳 110035；2 南京市公安局物证鉴定中心 江苏 南京 210012；3 江苏警官学院刑事科学技术系 江苏 南京 210031；4 南京市公安局建邺分局 江苏 南京 210008）

1 引言

星形轮齿痕特征是喷墨打印文件上特有的机种特征和个体特征，它不受墨水特性、打印模式等诸多因素的影响[1-2]。在喷墨打印机输纸系统中星形轮位于出纸部位，一般为带有金属齿的塑料轮或金属薄片轮。有些打印机的星形轮有两组，其中一组为压纸轮，它们与出纸辊合作将纸张输送出打印机；另一组为导纸轮，悬空位于导纸板上方，其下部没有辊轮与其接触。当打印件传送出打印机时，星形轮会在纸张上留下正面凹陷（有时可见背面突起）的棘孔状的成趟痕迹，与输纸方向平行。目前已有研究对星形轮的特征进行了研究，主要是讨论如何利用大面积成趟星形轮痕迹特征[3]，如何显现和增强成趟星形轮特征。

一般体式显微镜下侧光或透光观察可以发现这些微小齿孔的位置，但是由于传统影像受到光源方向的影响，无法清晰呈现针眼大小的齿孔的完整形态，丧失了利用细节形态特征的可能。显微镜下也能观察星形轮齿部的大体特点，但由于景深范围有限，加上难以克服的金属反光，使显微镜下观察和记录齿尖尺寸和形态的工作难以进行，而齿尖尺寸和形态正是研究其齿孔痕迹形态的重要参数。本文应用反射变换成像技术（Reflectance Transformation Imaging，RTI），尝试显现星形轮齿尖及其对应齿孔痕迹的细微形态，试图发现其作为喷墨打印机个体特征的可能性。

RTI技术能够捕捉被摄物表面三维的细节形态，并实现多种光照效果或渲染模式，它的前身是2001年Tom Malzbender发明的多项式纹理映射（Polynomial Texture Mapping）技术[4]。RTI技术是基于摄影的计算机视觉技术，从二维照片中获得三维数据，首先需要来自于同一被摄物的几十张数字摄影照片的数据。拍摄时相机和被摄物必须固定，而相同光源从不同角度照射同一个被摄物，每一个光位获得一张照片。经过一定的数学方法，被摄物的表面法向量（三维信息）被提取出来。基于法向量和颜色信息，RTI技术能够展现普通摄影所无法记录和呈现的丰富细节。

2 实验部分

2.1 实验材料

实验针对两种型号三台喷墨打印机进行：一台Canon iP2780和两台Epson Stylus Photo R330。一般星形轮的金属齿会造成照片纸光滑细腻涂层的局部破坏，较普通打印纸容易反映出金属齿尖截面的形态，因此，实验选用Epson经济照片纸打印数张样本，采集实验用打印机的星形轮齿痕。随后打开打印机按顺序取出相应的星形压纸轮。

2.2 成像设备和软件

对于星形轮形成的齿痕和对应的齿尖，拍摄和形成它们的RTI影像的设备为RTI智能成像系统 DT V3.1。该设备配置了穹顶光源，每个光源的光距为21cm，各个光位射出的光线与被摄物平面的夹角在大约20°～ 64°之间，成像部分配备了Canon EOS 5DSR 相机机身（5060万像素）和Canon微距镜头MP-E（65mm，f/2.8）。实验设置自动拍摄56张系列照片，图片保存格式为JPEG（最高质量）。渲染RTI影像的软件为RTIviewer v1.1，下载于文化遗产成像组织（Cultural Heritage Imaging）网站。

2.3 实验方法

利用上述设备形成RTI影像，在RTIviewer软件的“镜面反光增强”模式下拟合暗场效果，并通过“法向量可视化”模式获得表面三维图像。之后分析比对齿痕和相应造痕星形轮的齿尖形态，考察多个齿孔在尺寸、形态、空间位置和排列顺序上与星形轮齿尖的对应关系。实验初期对齿痕和齿尖做了量化分析，但考虑到单个齿尖或齿痕的尺寸数据没有价值，以及存在齿痕的变形、尺寸数据上的误差等因素，本研究主要关注于单个星形轮齿孔形态特征及相邻多个齿孔的大小、形状和排列顺序上表现出的个体形态特征。

3 结果与讨论

3.1 RTI技术清晰呈现造痕齿尖形态及其齿痕反映

RTI技术具有多种影像渲染模式，有助于形态学特征的分析。实验发现其中两个模式有利于本研究的开展，分别是法向量可视化和镜面反光增强模式。

3.1.1 法线图

RTI技术运用法线贴图技术将法向量可视化。法向量可视化呈现的影像被称为法线图，它提供传统成像方法无法提供的表面三维纹理信息。RTI法线图影像不仅将金属齿尖的三维形态呈现出来，而且可以去除普通影像难以避免的金属反光，从而克服了普通摄影因反光造成影像细节损失的问题，如图1所示。对星形轮上连续数个齿尖成像，要反映造痕体截面（齿顶）独特的尺寸和形状，拍摄光轴就必须平行于齿端面（垂直于星形轮转轴），这对于显微镜来说较为困难。首先是显微镜景深的限制，再者显微镜下成像同样无法克服金属反光。RTI影像的这个优势在拍摄金属被摄物时非常突出。

图1 Epson SP R330一对星形轮的普通摄影图像与其RTI法线图的比较

RTI法线图的另一个突出优势是对于深色墨迹中的微细星形轮齿痕的显现有特效，图2展示了相同部位齿痕的普通侧光摄影图像和RTI法线图影像的对照。普通侧光摄影只能记录下深色墨迹中齿痕局部的反光点，其他部位反射的光线不足以形成齿痕的清晰形态。而RTI获得了不同光照角度下的被摄物信息，其法线图呈现的是物体表面每个像素的法线信息，没有颜色信息，因此，黑色或深色墨迹中的齿痕三维形态在RTI影像中显露无遗，对于齿痕的分析和比较非常有利。

图2 Epson SP R330的局部星形轮齿痕的普通摄影图像与RTI法线图的比较

3.1.2 暗场光效

镜面反光增强模式中可以拟合出任意光位的虚拟光源，当虚拟光位设定在与被摄物平面的夹角为0°或180°时，RTIviewer软件能够拟合出低角度环形光（暗场）光效。这种光效勾勒出齿痕微孔的边缘形状，如图3左图所示。由于立体物体的普通影像受到光源方向的影响，体式显微镜下侧光观察星形轮齿痕也不易察觉其细致形态。本研究实验发现体式显微镜下只有透光影像能够表现齿孔的形状，如图3右图所示，但是仍不如RTI影像那样细致、全面。一般体式显微镜下的影像往往不足以用于齿痕细微形状特征分析，因为检验分析星形轮齿痕时，齿孔形状的清晰反映是与造痕体齿尖尺寸和具体形状等细微个体特征进行比对的前提条件。

图3 同一星形轮齿痕的RTI影像（左）与显微镜透光影像（右）的比较

3.2 RTI技术有助于发现星形轮齿尖个体特征及其在压痕中的反映

本研究的实验条件下可以发现星形轮齿尖具有独特的特征，其压痕在微观形态上能够一定程度地反映这些个体特征，主要体现在以下两个方面：

3.2.1 齿尖尺寸差异构成的个体特征

星形轮生产过程中的工差会造成齿尖厚度上的差异，同一台机器内不同星形轮齿尖厚度的排列组合可以构成打印机的个体特征，例如，本实验中同种型号的两台Epson打印机的星形轮个体特征表现在齿尖尺寸组合上的差异。其中一台打印机的左起第二对齿轮的齿尖厚度相差两倍以上，在打印照片纸上留下的齿痕宽度也反映出相同差异，如图4所示，而同机其他成对星形轮和另一台Epson打印机内的齿轮未见如此特殊组合（见图2）。

图4 实验用Epson打印机左起第二对齿轮齿尖的形态及其齿痕

3.2.2 齿尖形态上的个体特征

星形轮齿尖形态反映特定的规格和形状，可以作为机种特征利用，如图5所示，本实验用的Canon iP2780打印机配备的星形轮齿尖被加工为左右两面不对称的形状，使星形轮齿具有偏向性。在安装过程中，同机中数个星形轮齿尖并非相同偏向，因而形成了星形轮组合上特定的方向性，这就构成打印机的个体特征。对反映在打印件中的这种方向性的辨识，需要清晰显现齿痕的具体形态，图5中可见激光共聚焦显微镜和RTI法线图对齿痕形状的勾勒，反映出齿尖截面的形态，即一侧平直，另一侧突起。

图5 Canon iP2780打印机的星形轮齿尖形态能够反映在照片纸上

激光共聚焦显微镜的激光影像能更加清晰地反映齿痕的细微形态。但是，由于景深限制和金属反光，本实验使用激光共聚焦显微镜未获得成功的星形轮齿尖影像，对于发现星形轮齿尖上的个体特征还是有赖于RTI技术。

实验中发现的另一个齿尖形态上的个体特征表现为金属齿尖的变形。星形轮在安装和使用过程中可能造成刚性形变，如卷刃式变形。单个齿尖的卷刃式变形在纸张上的痕迹不易确定和利用，但是不同程度变形构成的特殊排列组合反映某个特定星形轮的个体特征，从而反映打印机的个体特征。图6列举了实验用Canon打印机的特定位置上的一个星形轮齿，它的连续数个齿尖有不同程度的卷刃式变形。它的24个齿有一处出现3个连续的齿尖卷刃式变形，检验中只要能发现打印件上留有对应形态和排列组合的齿痕，便能作为个体识别的依据之一。

图6 星形轮齿不同程度卷刃式变形及其在照片纸上留下的齿痕

4 结论

研究表明，借助反射变换成像技术的突出优势：表面三维重建和实现多种光效，文件检验人员可以发现喷墨打印文件上的微小星形轮齿痕，同样可以发现其造痕主体金属齿的个体独特形态。在实际案件鉴别过程中，如果检材与样本的齿痕形态和尺寸明显不同，则可排除嫌疑打印机；如果齿痕特征显著相同，需进一步对该打印机的星型轮金属齿特征进行检验，以提高鉴定结论的可靠性。该研究成果使打印机的个体特征比对成为可能，为喷墨打印机具的同一认定提供了科学依据，解决了喷墨打印文件检验难题。本文限于显现照片纸上的喷墨打印星形轮压痕特征，普通纸上的星形轮压痕特征的反映性有待进一步的实验研究。

参考文献：

[1] Akao Y,Kobayashi K,Seki Y.Examination of spur marks found on inkjet-printed documents[J].Journal of Forensic Sciences,2005(4):915-923.

[2] 刘宁.星形轮压痕作为喷墨打印机个体识别依据的实验研究[J].中国司法鉴定,2015(4):52-57.

[3] 刘宁.喷墨打印文件上成趟星形轮压痕显现方法的实验研究[J].中国刑警学院学报,2015(3):62-64.

[4] Malzbender T,Gelb D,Wolters H.Polynomial texture maps[C]//SIGGRAPH.Computer Graphics Siggraph Proceedings.New York:ACM,2001:519-528.