基于三维扫描技术的字迹书写笔压显现研究

摘  要：笔压特征有别于传统笔迹检验中的二维特征，它反映出笔迹三维层面的信息，能为笔迹检验提供更好的帮助。借助结构光三维扫描技术对字迹的压痕深度数据进行提取，通过Geomagic Qualify软件建立压痕的三维形态模型和彩色压力图像，帮助检验人员直观准确地获取笔压特征。实验结果表明，该技术不仅可以呈现字迹压痕的三维形态，还可以排除油墨颜色的干扰，达到其他方法无法获得的效果，为笔迹检验提供了一个有效的工具。

关键词：三维扫描;笔压特征;笔迹检验;三维测量

中图分类号：TP391.41;D918.92     文献标识码：A 文章编号：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

筆迹鉴定学科发展至今已经非常成熟，鉴定技术人员对笔迹特征的理解和实践都很深入，但这些大都停留在二维层面上的笔迹特征。笔迹的二维特征容易受主客观条件的影响而发生变化，笔迹鉴定人员只能依靠自己的专业知识结合鉴定经验分析和判断，缺乏客观的量化依据，一定程度上制约了笔迹检验技术的发展。同时，实际案件中鉴定内容的字数越来越少，可利用的笔迹特征相对较少，加上各类疑难笔迹案件层出不穷，大大提高了检验鉴定的难度。因此我们需要挖掘更多的检验方法和鉴定依据用于笔迹检验之中。

笔压特征是指个人书写习惯中运笔抑压力动态的行为模式在笔迹中的表现[1]，国内外笔迹鉴定人员早已认识到个人的笔压特征具有独特性和稳定性，并借用数位板和书写笔等数字化工具进行了验证[2]。笔压特征在笔迹鉴定中有重要作用，尤其是在签名、少量字和摹仿等难度较大的笔迹鉴定方面具有重要价值。目前，笔压特征的定量检验研究主要集中在电子笔迹方面，但是这类技术的应用不适用于对常规纸张上笔迹中笔压特征的分析。由于书写抑压力会造成纸张空间Z轴上出现局部变形向下凹陷，因此，对于笔压特征的分析主要通过分析笔迹三维形态中的压痕深度及其变化来实现。方法主要包括反射变换成像技术法、侧光红外影像显现法、显微图像三维重建法以及激光共聚焦扫描显微镜法等[3]。这些方法实际应用中存在易受墨迹颜色干扰、检验条件苛刻以及设备昂贵等缺点，无法满足文件检验实践的需求。随着近年来三维扫描技术的快速发展，因其具有准确性、高保真性以及可储存性等特点，在物证鉴定与重建领域的应用逐渐受到重视[4，5]。为了对字迹的三维形态有一个更深入的探究，中国刑事警察学院基于三维扫描技术的优点，结合笔迹检验的实际需求，研发了基于结构光三维扫描技术的笔迹三维信息提取仪。本文利用笔迹三维信息提取仪对字迹压痕深度进行测量，得到数据后再利用Geomagic Qualify软件对数据进行处理并重建压痕的三维形态，为笔压显现提供新的方法和思路。

1  实验

1.1  结构光三维扫描技术原理

在三维扫描技术中，结构光法是主动式方法的是重要组成部分，是将某种图案的光，如点、线、网格等投向景物，在被射物体上形成图案并由摄像机摄取，而后采用三角测量原理得到被测物表面的三维坐标值。与其他三维物体形状检测技术相比，结构光法具有检测过程完全非接触、一次性投影、短时间直接获取物体的三维空间信息等优点。

本文利用的笔迹三维信息提取仪采用的是光栅投影的结构光三维扫描技术，测量时由光栅发射器形成光栅，经过光学投影装置投射到被测物体上，其表面形状的凸凹不平使光栅产生畸变，形成携有被测物体表面轮廓信息的相移光栅图，相机将变形后的相移光栅图摄入并存储形成数字图像，经过图像处理，求得畸变光栅的相位分布图，从而得到被测物体的表面高度，通过数据处理，获取三维空间点云数据。三维扫描系统图如图1所示。

1.2  实验设备与器材

本实验用到的实验器材包括：黑色签字笔、A4打印纸以及天远OKIO-S-D三维扫描系统，其中扫描系统的基本参数如表1所示。用到的软件包括Geomagic Qualify软件和Tyscan软件。

1.3  实验样本制作

邀请20名本校在校大学生作为书写人，其中男生10人，女生10人，分別编号1～20。20名书写人使用黑色签字笔在以20张A4纸为衬垫物的同一张A4打印纸上正常书写“人民币九万”5个字。共收集实验样本20个。

1.4  实验方法

将笔迹样本平整地放置在工作台上，把纸张四周空白处压实，调整两摄像机镜头，让两摄像机的夹角在20°～30°之间。使用Tyscan软件控制扫描仪操作，笔迹样本经过三维扫描仪扫描后获得ASC格式的点云数据，使用Geomagic Qualify软件打开该ASC文件，获得一个描绘纸张表面三维形态的图像，手动旋转模型，可以从多个角度观察字迹压痕形态。三维模型页面如图2所示。

利用Geomagic Qualify软件的3D比较功能，将纸张表面设为参考对象，得到相对于纸张表面的字迹压痕深度大小的彩色图像，即彩色压力图像。彩色压力图像显示界面如图3所示。

2  实验结果及分析

2.1  压痕三维形态图像及其对笔迹检验的作用

结构光三维扫描技术具有高精度性和保真性，能准确地测量出纸面的三维形态并得到三维数据点云，借助Geomagic Qualify软件对纸张进行重建复原，获得纸张表面三维形态的三维模型。三维模型可以手动旋转任意角度，鉴定技术人员根据需要从不同角度对纸张上的字迹压痕进行观察。图4是利用Geomagic Qualify软件在三个不同角度下得到的“元”字三维形态图像。传统方法侧光观察笔迹压痕时，光源从单方向照射，无法显示各个方向上笔画的立体形态，阻碍观察且获得的信息有限。三维扫描技术克服了只能从单方向观察这一局限，全面地展示出压痕的三维形态，便于鉴定人员获得更多信息。同时，三维扫描技术还能够完全去除油墨颜色的干扰，突出表现纸张表面质地形态，这是现有方法和设备难以呈现出来的效果。

在此基础之上，三维模型可以根据实际需求放大，清晰地展现出字迹压痕细节形态，便于微观观察。三维扫描技术展示出的压痕三维形态及其放大后的微观特征，能够为鉴定人准确判断笔压特征和鉴别交叉笔画书写时序提供帮助，为笔迹检验和添改文件检验提供支持和依据。

2.2  压痕彩色压力图像及其对笔迹检验的作用

为了更加直观地观察到字迹压痕的深浅，进一步准确掌握笔压特征，我们利用Geomagic Qualify软件的3D比较功能，将纸张表面三维模型设为参考对象与压痕三维模型进行比较，得到压痕相对于纸面的深度差异彩色图像。这种3D比较方法主要是保持字迹的二维形态不变，将各数据点的Z轴坐标与各像素点的RGB值建立映射函数，由颜色越深，代表Z轴数值越大，说明该点凸起或者凹陷程度越大。图5为利用3D比较功能得到的3名不同书写人以20张A4纸为衬垫物书写的“万”字彩色压力图像。

由图5可见，彩色压力图像利用颜色的变换区分压痕深度的差异，使字迹压痕深度变化及特点直观且准确地展示出来，鉴定人员通过观察就能获得笔压特征。相比于现有方法中依靠鉴定人员观察压痕三维形态、结合自身经验的主观判断，彩色压力图像更加客观、直接。彩色压力图像直观地呈现出笔压大小及变化趋势，能为检验摹仿、伪装等高难度笔迹提供帮助，也为个人书写习惯的研究和推动笔迹鉴定的量化发展提供技术上的支持。

3  结  论

伪装、摹仿等鉴定难度相对较高的笔迹，需要充分利用个人的笔压习惯，有效、准确地将笔压特征显现出来是比较和应用笔压特征的前提条件。三维扫描技术能够细致且真实地描绘出物体表面真实的三维形态，去除了书写油墨颜色的干扰，尤其可以测量出字迹压痕深度数据并用颜色直接显示出来的效果是其他方法无法达到的，它为解决笔迹检验中的难题提供了一个有效的手段，同时也为推动笔迹检验的量化发展提供了动力。三维扫描技术已经广泛应用于机械、医疗以及建筑等领域，并且已经较为成熟。然而，该技术在文件检验以及痕迹检验等物证鉴定领域的运用才刚刚起步，有待于进一步的实践和开发。

参考文献：

[1] 刘宁，裴雷，吴亦.签名笔迹笔压特征显现方法的比较研究 [J].中国司法鉴定，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] 刘宁.运用反射变换成像技术显现黑色签名字迹书写笔压 [J].警察技术，2015（5）：32-34.

[4] 刘永久，汪中.基于结构光投影的物证三维重建技术 [J].科技视界，2018（7）：121-122.

[5] 陈炜，周松林，李金茗，等.基于三维扫描数据的输电故障定位研究 [J].信息技术，2020，44（7）：149-153.

作者简介：马有放（1995—），男，汉族，辽宁大连人，硕士研究生，研究方向：文件检验。