奥博8000笔迹量化检验仪鉴别写字机仿写签名字迹

李 璐, 朱家昱, 陈维娜, 国中正, 杨春松

(1.北京信诺司法鉴定所,北京 100083;2.中国人民公安大学侦查学院,北京 100038;3.北京华夏物证鉴定中心,北京 100089)

0 引言

近年来,机械灵活度和智能化程度都在不断提高,市面上也出现了一些可以替代人类手写的“写字机”[1]。签名作为一种重要的身份识别符号,具有法律上的证明作用;且签名字迹笔画数量较少,易于伪造、摹仿,于是一些不法分子便利用写字机来“以假乱真”,仿写签名字迹从而进行违法犯罪活动,损害了财产所有人的经济利益,扰乱了社会生产生活秩序。

当前市面上的写字机绝大多数是以X、Y、Z直角坐标系为基础的机械模型,在获取真实签名笔迹图片的前提上,即可通过写字机配套的软件来进行路径仿写,类似于对字迹的描摹。而后,写字机将仿写的路径保存为gap格式文件,再利用Arduino芯片将gap文件编译为G代码,将G代码转化为脉冲信号输送给机器,从而同时驱动X轴、Y轴、Z轴步进电机进行机械运动,形成仿写字迹[2]。写字机仿写的字迹与真实的手写字迹高度相似[2,3,4],如何鉴别写字机的仿写签名字迹,俨然成为司法鉴定领域里一个亟需研究和解决的问题。

奥博8000笔迹量化检验仪是一套集成计算机控制、配光技术、电控技术、图像处理等多种技术于一体的精密测量仪器,在笔迹鉴定中可以获得较好的检验效果[5]。它配备有微米级层析扫描系统,可获取待检字迹的显微高清图像,从而对笔迹进行传统的静态形貌特征检验;同时该系统可对纸张上的笔迹压痕、左右角度、墨迹宽度等数据进行扫描、测量和计算,进而实现对待检字迹的笔力分布、执笔角度和速度等动态笔迹特征的提取及示证,为笔迹鉴定提供可靠的依据。将写字机仿写的签名字迹作为研究对象,基于奥博8000笔迹量化检验仪对写字机仿写的签名字迹与被仿写的真实签名笔迹开展比较检验,以期系统、全面地梳理出写字机仿写签名字迹的特征,为笔迹鉴定实务提供新思路。

1 实验设计

1.1 实验设备及材料

奥博8000笔迹量化检验仪(下称AB8000),爱普生扫描仪,直角坐标型写字机、“奎享字体”软件、“奎享雕刻”软件,0.5 mm施耐德牌505F黑色圆珠笔、70 g/m2易利丰牌A4静电复印纸。

1.2 样本收集与制作

实验召集20名志愿者,请每位志愿者采用坐姿、按照自身书写习惯在有衬垫物的硬质桌面上,使用黑色圆珠笔在纸张上自然书写签名笔迹6次,作为真实签名笔迹样本。收集了20名书写人的120个手写签名样本;依照书写人的编号顺序对样本进行命名,依次为01R-1~6、02R-1~6……20R-1~6。

使用爱普生扫描仪获取上述真实签名笔迹样本的图片。打开“奎享字体”软件,选择一个签名样本图片作为参照背景,沿笔画中线描绘书写路径并保存为gap文件。打开“奎享雕刻”软件,连接好写字机,调整机械臂X、Y的位置,调节笔放置的高度,设置绘图速度、力度等相关参数;将保存的gap文件导入,调整文件大小使其与对应的真实签名基本一致,让写字机开始仿写。一次仿写完成后,调整文件位置,让机器再仿写一次,以避免实验的偶然性。对照120个真实签名笔迹样本,共制作了240个仿写签名样本;对写字机仿写的样本进行对应编号,依次为01J-1A、01J-1B、01J-2A、01J-2B……20J-6A、20J-6B。

在收集手写签名样本时,志愿者均保持正常的身心状态,无明显情绪波动、无影响书写机能的疾病;在制作写字机仿写样本时,书写工具、纸张和衬垫物等条件均与收集手写签名样本时相同。部分实验样本如图1所示,从图1可以看出写字机仿写的签名字迹与真实签名相似度较高,二者在概貌、局部安排、写法、搭配比例等笔迹特征上并无显著差异。

图1 实验样本图例

1.3 检验流程

在AB8000中分别对真实签名笔迹样本和对应的写字机仿写样本进行比较检验。依次将样本放入仪器检验仓内,关闭仓门后开启气泵使其真空率达到70%以上,以便待检样本的纸张吸附于载物平台上,确保检验环节中纸张始终平整。

1.3.1 静态特征检验

移动AB8000的层析显微镜镜头至待检样本上方,调整到合适的放大倍数,以观察到清晰的字迹笔画墨迹,获取图片进行笔迹形貌特征的检验。由于写字机在仿写时是以真实签名作为摹本,通过描摹笔迹的路径来指示机器写字的,且其落笔位置、字迹的大小等均可以在软件中进行调节,故机器仿写的签名字迹在宏观形态上可以做到与真实签名完全一致,甚至相互重合;因此,在检验中需要重点比较真实签名笔迹与机器仿写字迹在笔顺、运笔和笔痕等静态细节特征上的异同。

1.3.2 动态特征分析

在AB8000中选择待检字迹笔画,沿着笔画书写方向的中心位置人工标注量化路线,确定测量路径;然后系统将自动沿该路径均匀生成采样点,开启检测,获取待检字迹笔画的压痕、角度、宽度等数据。通过绘制3D图、曲线图等方式对真实签名笔迹与机器仿写字迹在特定笔画上的笔力分布、执笔角度和墨迹宽度等动态特征进行量化的比较和分析。

2 结果与分析

基于AB8000的检验结果,从笔迹静态特征、动态特征两个角度对真实签名笔迹和写字机仿写签名字迹开展定性分析和量化分析,归纳总结写字机仿写签名字迹的规律性特征。

2.1 写字机仿写签名静态特征

2.1.1 笔顺不符

笔顺是书写笔画的次序,体现着个人的书写习惯。写字机在形成笔画时同样也有顺序,但其笔顺是仿写者在软件中按照个人的理解对真实签名笔画的描摹顺序。如果真实签名的笔顺较为复杂或仿写者在描摹时未注意被仿字迹的笔顺,就可能导致机器仿写字迹与真实签名的笔顺存在异常。例如,图2是AB8000中获取的05J-1A、05R-1在“艹”部的显微图片,可发现:05J-1A在笔画交叉部分墨迹沿“|”方向的趋势更为明显,“|”两侧出现了较为明显的积墨现象;而05R-1在笔画交叉部分墨迹沿着“一”方向的趋势更为明显,积墨出现在“一”两侧,据此可判断05J-1A和05R-1“艹”部的笔顺不相符。

图2 笔顺特征比对图

2.1.2 运笔呆板

(1)起收笔动作单一

写字机是通过机械组件在Z轴方向上下运动来实现抬笔、落笔动作的,因此其起收笔基本上都表现为直起笔和直收笔,难以表现出手写的侧起笔、回转起笔、回转收笔等复杂动作。通过对样本的观察,真实签名笔迹的起收笔特征往往因人而异、因笔画而异,在一个字中也会存在多种起收笔方式且形态富于变化;而写字机的起收笔方式则较为单一,形态多为圆弧且易出现露白,不会因笔画不同而产生差异,如图3、图4所示。

图3 起笔特征比对图

图4 收笔特征比对图

(2)行笔无自然抖动

人的行笔动作是通过神经系统统一协调多个肌肉器官进行的,在规范书写中讲求“横平竖直”,而实际上人在书写长笔画时会不可避免地存在微小的抖动弯曲,这种抖动是自然、不生硬的,同时也是写字机难以模仿的。如图5所示,11J-2A中的长直笔画无自然抖动,而11R-2中的长直笔画则存在细微抖动。

图5 行笔特征比对图

(3)连笔无牵丝

签名是个人书写频次较高的字迹组合,书写时字迹笔画间的连贯性较好,易出现连笔;此外,前后相连的两笔间常出现牵丝,使得笔画间存在遥相呼应的“意连”。在仿写时,明显的连笔动作和形态是可以再现的,但却无法仿写出“起笔为呼、承笔为应”的牵丝。如图6所示,仿写样本与真实签名在连笔处的差异较为显著。

图6 连笔特征比对图

(4)偶有笔画重描

如图7所示,在16J-5B“亅”部的中间部位(I)墨迹相较两端更粗更浓,在弯钩处更是出现了弧形的起笔墨痕(Ⅱ),这都由笔画重描导致的异常现象;对比16R-5(Ⅲ)的墨迹,可见运笔流畅,墨痕粗细均匀,不存在笔画修饰、重描。机器仿写时重描笔画的出现可能是由于仿写者在描绘签名路径时有重复的点位,也可能是机器本身的偶发因素所致。

图7 笔画重描现象

2.1.3 笔痕特殊

写字机形成的字迹笔画易出现独特且稳定的梳状线痕,如图8所示。机器书写形成的梳状线痕几乎在所有笔画中均可观察到,通常由3组以上的墨线和白线构成,排列呈现出一定的规律性:多组墨线和白线交错分布,方向稳定;在非转折笔画中墨线与白线平行于行笔方向,在转折笔画中数条墨线一致沿着行笔方向发生旋转。相比较而言,真实签名笔迹的笔痕特征则没有明显的规律性。

图8 笔痕特征比对图

2.2 写字机仿写签名动态特征

2.2.1 笔力分布特征

笔力分布特征反映了运笔过程中笔压轻重的变化情况。在检验过程中,利用AB8000测量了各样本对应笔画的纸压痕数据,经统计比较发现:写字机在仿写时整体笔力分布均匀,在起收笔的位置笔力有短距离的骤增和骤减;而个人书写时笔力变化较为丰富,如图9所示。

图9中,11J-1A-4为写字机仿写签名字迹,11R-1-4、11R-2-4为同一人两次书写的签名笔迹;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为样本11J-1A-4、11R-1-4、11R-2-4的纸压痕3D图、颜色越深表示压力越大,Ⅳ为3者纸压痕数据曲线图,Ⅴ为3者纸压痕相关系数表。在3D图Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中可以明显发现:个人书写的笔力变化较为丰富,11R-1-4、11R-2-4的笔力分布情况相符,整体程渐变趋势,起端笔力较轻而后逐渐加重至第一弯折处、随后稍微减弱又渐强至第二弯折处,最后逐渐减弱;而11J-1A-4的笔力分布则异于11R-1-4、11R-2-4,在笔画中段的笔力一直较重且两个弯折处的笔力相当、无变化,起笔端和收笔端的笔力呈现机械化的骤增和骤减。通过曲线图Ⅳ和相关系数表Ⅴ也可看出:11R-1-4、11R-2-4的笔力变化与11J-1A-4存在明显差异。

图9 笔力分布特征比对图

值得注意的是,实验表明:写字机无法做到始终保持同样的力度大小进行书写,大部分笔画的笔力分布都在头5~7个采样点以及最后5~7个采样点出现骤增或骤减,且笔画中段也会出现轻微的上下波动。这种现象产生的原因:当写字机的机械臂移动到书写区域时,速度减为零,落笔开始写字时会有一个加速起笔的过程,此时笔尖刚接触到纸面,两者间还未形成稳定的作用力,因此会有短距离的笔力骤增变化;而当写字机抬笔停止书写时同样也有一个减速的过程,会导致笔力的骤减变化。在笔画中段检测中的轻微波动可能与仪器微米级的检验精度、书写载体上的褶皱、书写工具出墨不均等因素有一定的关联。

2.2.2 执笔角度变化特征

在AB8000中,通过测量写字机仿写样本与真实签名样本对应笔画凹痕的左-右角度,可分析比较写字机仿写与自然人书写的执笔角度变化特征。如图10所示,Ⅰ、Ⅱ分别为样本15J-1A、15R-1的采样点图,Ⅲ为二者左-右角度比值数据曲线比对图,从中可以看出:机器仿写样本15J-1A的左-右角度比值虽有小幅度的波动,但始终保持在34%~44%的范围内;而个人书写样本15R-1的左-右角度比值在采样点38前后发生了显著变化:前段左-右角度比值集中在25%~30%之间,后段左-右角度比值则出现了急剧变化,攀升至70%左右。这反映出:个人执笔书写过程中,特别是在起收笔以及转折处,执笔的角度富于变化;而写字机的笔架位置相对固定,执笔角度的变化较小。

图10 执笔角度变化特征比对图

2.2.3 墨迹宽度变化特征

墨迹宽度指字迹笔画垂直于运笔方向的距离。一般认为,在书写工具不变的前提下,墨迹宽度与书写压力成正比、与书写速度成反比,即笔压越重、速度越慢,墨迹越宽。在AB8000中获取待检笔画的墨迹宽度数值,经比对发现:对于相同字迹中的相同笔画,写字机仿写的墨迹宽度值较为稳定,而真实签名的墨迹宽度值呈现出动态变化,如图11所示。图11中的Ⅰ、Ⅱ分别为样本01J-2B、01R-2的采样点图,Ⅲ为二者的墨迹宽度数据曲线比对图。由图11可知,01J-2B、01R-2的墨迹宽度变化趋势完全不同:机器仿写样本01J-2B的整体墨宽变化在170 μm上下波动;而手写签名样本01R-2的墨宽前细后粗,最细处仅为40 μm,最粗处可达150 μm。

图11 墨迹宽度变化特征比对图

同样,在微米级精度的检验条件下,与笔力分布特征的变化规律相近,写字机仿写签名字迹笔画的墨迹宽度并非始终保持固定值不变,会受到笔尖出墨流畅度、行笔走向、纸张洇墨情况等因素的影响而产生小幅度的变动;但这种变动相较于手写签名而言并非呈现出动态性,而是表现出一种机械性。

3 结论

随着写字机技术的发展,在仿写签名字迹方面逐渐可以做到“以假乱真”,鉴别其与真实签名已成为笔迹鉴定中涌现出的新难题。通过大量收集和制作实验样本,使用AB8000开展写字机仿写签名字迹与被仿写真实签名笔迹的比较检验,发现写字机仿写签名字迹的特征及变化规律:在传统的静态形貌特征检验中发现,写字机仿写字迹在形态上与被仿真实签名高度相似,二者的概貌、局部安排、写法、搭配比例等特征基本相符;但仿写签名易反映出笔顺不符、运笔呆板和梳状笔痕等现象,机器书写存在起收笔动作单一、行笔无自然抖动、连笔无牵丝且偶有笔画重描等异常。通过获取字迹笔画的压痕、角度和宽度等数据,经分析后发现,机器仿写字迹在笔力分布、执笔角度和墨迹宽度变化等方面总体表现出一种机械性,缺少真实签名笔迹中的动态变化。

综上所述,基于AB8000检验写字机仿写签名字迹具有一定的可行性,它能够帮助鉴定人员较为全面地分析待检字迹的静态形貌特征、量化反映笔迹的动态特征,可以作为鉴别写字机仿写签名字迹的一种检验手段。