奧博8000筆跡量化檢驗儀鑒別寫字機仿寫簽名字跡

李 璐, 朱家昱, 陳維娜, 國中正, 楊春松

(1.北京信諾司法鑒定所,北京 100083;2.中國人民公安大學偵查學院,北京 100038;3.北京華夏物證鑒定中心,北京 100089)

0 引言

近年來,機械靈活度和智能化程度都在不斷提高,市面上也出現了一些可以替代人類手寫的“寫字機”[1]。簽名作為一種重要的身份識別符號,具有法律上的證明作用;且簽名字跡筆畫數量較少,易于偽造、摹仿,于是一些不法分子便利用寫字機來“以假亂真”,仿寫簽名字跡從而進行違法犯罪活動,損害了財產所有人的經濟利益,擾亂了社會生產生活秩序。

當前市面上的寫字機絕大多數是以X、Y、Z直角坐標系為基礎的機械模型,在獲取真實簽名筆跡圖片的前提上,即可通過寫字機配套的軟件來進行路徑仿寫,類似于對字跡的描摹。而后,寫字機將仿寫的路徑保存為gap格式文件,再利用Arduino芯片將gap文件編譯為G代碼,將G代碼轉化為脈沖信號輸送給機器,從而同時驅動X軸、Y軸、Z軸步進電機進行機械運動,形成仿寫字跡[2]。寫字機仿寫的字跡與真實的手寫字跡高度相似[2,3,4],如何鑒別寫字機的仿寫簽名字跡,儼然成為司法鑒定領域里一個亟需研究和解決的問題。

奧博8000筆跡量化檢驗儀是一套集成計算機控制、配光技術、電控技術、圖像處理等多種技術于一體的精密測量儀器,在筆跡鑒定中可以獲得較好的檢驗效果[5]。它配備有微米級層析掃描系統,可獲取待檢字跡的顯微高清圖像,從而對筆跡進行傳統的靜態形貌特征檢驗;同時該系統可對紙張上的筆跡壓痕、左右角度、墨跡寬度等數據進行掃描、測量和計算,進而實現對待檢字跡的筆力分布、執筆角度和速度等動態筆跡特征的提取及示證,為筆跡鑒定提供可靠的依據。將寫字機仿寫的簽名字跡作為研究對象,基于奧博8000筆跡量化檢驗儀對寫字機仿寫的簽名字跡與被仿寫的真實簽名筆跡開展比較檢驗,以期系統、全面地梳理出寫字機仿寫簽名字跡的特征,為筆跡鑒定實務提供新思路。

1 實驗設計

1.1 實驗設備及材料

奧博8000筆跡量化檢驗儀(下稱AB8000),愛普生掃描儀,直角坐標型寫字機、“奎享字體”軟件、“奎享雕刻”軟件,0.5 mm施耐德牌505F黑色圓珠筆、70 g/m2易利豐牌A4靜電復印紙。

1.2 樣本收集與制作

實驗召集20名志愿者,請每位志愿者采用坐姿、按照自身書寫習慣在有襯墊物的硬質桌面上,使用黑色圓珠筆在紙張上自然書寫簽名筆跡6次,作為真實簽名筆跡樣本。收集了20名書寫人的120個手寫簽名樣本;依照書寫人的編號順序對樣本進行命名,依次為01R-1~6、02R-1~6……20R-1~6。

使用愛普生掃描儀獲取上述真實簽名筆跡樣本的圖片。打開“奎享字體”軟件,選擇一個簽名樣本圖片作為參照背景,沿筆畫中線描繪書寫路徑并保存為gap文件。打開“奎享雕刻”軟件,連接好寫字機,調整機械臂X、Y的位置,調節筆放置的高度,設置繪圖速度、力度等相關參數;將保存的gap文件導入,調整文件大小使其與對應的真實簽名基本一致,讓寫字機開始仿寫。一次仿寫完成后,調整文件位置,讓機器再仿寫一次,以避免實驗的偶然性。對照120個真實簽名筆跡樣本,共制作了240個仿寫簽名樣本;對寫字機仿寫的樣本進行對應編號,依次為01J-1A、01J-1B、01J-2A、01J-2B……20J-6A、20J-6B。

在收集手寫簽名樣本時,志愿者均保持正常的身心狀態,無明顯情緒波動、無影響書寫機能的疾病;在制作寫字機仿寫樣本時,書寫工具、紙張和襯墊物等條件均與收集手寫簽名樣本時相同。部分實驗樣本如圖1所示,從圖1可以看出寫字機仿寫的簽名字跡與真實簽名相似度較高,二者在概貌、局部安排、寫法、搭配比例等筆跡特征上并無顯著差異。

圖1 實驗樣本圖例

1.3 檢驗流程

在AB8000中分別對真實簽名筆跡樣本和對應的寫字機仿寫樣本進行比較檢驗。依次將樣本放入儀器檢驗倉內,關閉倉門后開啟氣泵使其真空率達到70%以上,以便待檢樣本的紙張吸附于載物平臺上,確保檢驗環節中紙張始終平整。

1.3.1 靜態特征檢驗

移動AB8000的層析顯微鏡鏡頭至待檢樣本上方,調整到合適的放大倍數,以觀察到清晰的字跡筆畫墨跡,獲取圖片進行筆跡形貌特征的檢驗。由于寫字機在仿寫時是以真實簽名作為摹本,通過描摹筆跡的路徑來指示機器寫字的,且其落筆位置、字跡的大小等均可以在軟件中進行調節,故機器仿寫的簽名字跡在宏觀形態上可以做到與真實簽名完全一致,甚至相互重合;因此,在檢驗中需要重點比較真實簽名筆跡與機器仿寫字跡在筆順、運筆和筆痕等靜態細節特征上的異同。

1.3.2 動態特征分析

在AB8000中選擇待檢字跡筆畫,沿著筆畫書寫方向的中心位置人工標注量化路線,確定測量路徑;然后系統將自動沿該路徑均勻生成采樣點,開啟檢測,獲取待檢字跡筆畫的壓痕、角度、寬度等數據。通過繪制3D圖、曲線圖等方式對真實簽名筆跡與機器仿寫字跡在特定筆畫上的筆力分布、執筆角度和墨跡寬度等動態特征進行量化的比較和分析。

2 結果與分析

基于AB8000的檢驗結果,從筆跡靜態特征、動態特征兩個角度對真實簽名筆跡和寫字機仿寫簽名字跡開展定性分析和量化分析,歸納總結寫字機仿寫簽名字跡的規律性特征。

2.1 寫字機仿寫簽名靜態特征

2.1.1 筆順不符

筆順是書寫筆畫的次序,體現著個人的書寫習慣。寫字機在形成筆畫時同樣也有順序,但其筆順是仿寫者在軟件中按照個人的理解對真實簽名筆畫的描摹順序。如果真實簽名的筆順較為復雜或仿寫者在描摹時未注意被仿字跡的筆順,就可能導致機器仿寫字跡與真實簽名的筆順存在異常。例如,圖2是AB8000中獲取的05J-1A、05R-1在“艸”部的顯微圖片,可發現:05J-1A在筆畫交叉部分墨跡沿“|”方向的趨勢更為明顯,“|”兩側出現了較為明顯的積墨現象;而05R-1在筆畫交叉部分墨跡沿著“一”方向的趨勢更為明顯,積墨出現在“一”兩側,據此可判斷05J-1A和05R-1“艸”部的筆順不相符。

圖2 筆順特征比對圖

2.1.2 運筆呆板

(1)起收筆動作單一

寫字機是通過機械組件在Z軸方向上下運動來實現抬筆、落筆動作的,因此其起收筆基本上都表現為直起筆和直收筆,難以表現出手寫的側起筆、回轉起筆、回轉收筆等復雜動作。通過對樣本的觀察,真實簽名筆跡的起收筆特征往往因人而異、因筆畫而異,在一個字中也會存在多種起收筆方式且形態富于變化;而寫字機的起收筆方式則較為單一,形態多為圓弧且易出現露白,不會因筆畫不同而產生差異,如圖3、圖4所示。

圖3 起筆特征比對圖

圖4 收筆特征比對圖

(2)行筆無自然抖動

人的行筆動作是通過神經系統統一協調多個肌肉器官進行的,在規范書寫中講求“橫平豎直”,而實際上人在書寫長筆畫時會不可避免地存在微小的抖動彎曲,這種抖動是自然、不生硬的,同時也是寫字機難以模仿的。如圖5所示,11J-2A中的長直筆畫無自然抖動,而11R-2中的長直筆畫則存在細微抖動。

圖5 行筆特征比對圖

(3)連筆無牽絲

簽名是個人書寫頻次較高的字跡組合,書寫時字跡筆畫間的連貫性較好,易出現連筆;此外,前后相連的兩筆間常出現牽絲,使得筆畫間存在遙相呼應的“意連”。在仿寫時,明顯的連筆動作和形態是可以再現的,但卻無法仿寫出“起筆為呼、承筆為應”的牽絲。如圖6所示,仿寫樣本與真實簽名在連筆處的差異較為顯著。

圖6 連筆特征比對圖

(4)偶有筆畫重描

如圖7所示,在16J-5B“亅”部的中間部位(I)墨跡相較兩端更粗更濃,在彎鉤處更是出現了弧形的起筆墨痕(Ⅱ),這都由筆畫重描導致的異?，F象;對比16R-5(Ⅲ)的墨跡,可見運筆流暢,墨痕粗細均勻,不存在筆畫修飾、重描。機器仿寫時重描筆畫的出現可能是由于仿寫者在描繪簽名路徑時有重復的點位,也可能是機器本身的偶發因素所致。

圖7 筆畫重描現象

2.1.3 筆痕特殊

寫字機形成的字跡筆畫易出現獨特且穩定的梳狀線痕,如圖8所示。機器書寫形成的梳狀線痕幾乎在所有筆畫中均可觀察到,通常由3組以上的墨線和白線構成,排列呈現出一定的規律性:多組墨線和白線交錯分布,方向穩定;在非轉折筆畫中墨線與白線平行于行筆方向,在轉折筆畫中數條墨線一致沿著行筆方向發生旋轉。相比較而言,真實簽名筆跡的筆痕特征則沒有明顯的規律性。

圖8 筆痕特征比對圖

2.2 寫字機仿寫簽名動態特征

2.2.1 筆力分布特征

筆力分布特征反映了運筆過程中筆壓輕重的變化情況。在檢驗過程中,利用AB8000測量了各樣本對應筆畫的紙壓痕數據,經統計比較發現:寫字機在仿寫時整體筆力分布均勻,在起收筆的位置筆力有短距離的驟增和驟減;而個人書寫時筆力變化較為豐富,如圖9所示。

圖9中,11J-1A-4為寫字機仿寫簽名字跡,11R-1-4、11R-2-4為同一人兩次書寫的簽名筆跡;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為樣本11J-1A-4、11R-1-4、11R-2-4的紙壓痕3D圖、顏色越深表示壓力越大,Ⅳ為3者紙壓痕數據曲線圖,Ⅴ為3者紙壓痕相關系數表。在3D圖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中可以明顯發現:個人書寫的筆力變化較為豐富,11R-1-4、11R-2-4的筆力分布情況相符,整體程漸變趨勢,起端筆力較輕而后逐漸加重至第一彎折處、隨后稍微減弱又漸強至第二彎折處,最后逐漸減弱;而11J-1A-4的筆力分布則異于11R-1-4、11R-2-4,在筆畫中段的筆力一直較重且兩個彎折處的筆力相當、無變化,起筆端和收筆端的筆力呈現機械化的驟增和驟減。通過曲線圖Ⅳ和相關系數表Ⅴ也可看出:11R-1-4、11R-2-4的筆力變化與11J-1A-4存在明顯差異。

圖9 筆力分布特征比對圖

值得注意的是,實驗表明:寫字機無法做到始終保持同樣的力度大小進行書寫,大部分筆畫的筆力分布都在頭5~7個采樣點以及最后5~7個采樣點出現驟增或驟減,且筆畫中段也會出現輕微的上下波動。這種現象產生的原因:當寫字機的機械臂移動到書寫區域時,速度減為零,落筆開始寫字時會有一個加速起筆的過程,此時筆尖剛接觸到紙面,兩者間還未形成穩定的作用力,因此會有短距離的筆力驟增變化;而當寫字機抬筆停止書寫時同樣也有一個減速的過程,會導致筆力的驟減變化。在筆畫中段檢測中的輕微波動可能與儀器微米級的檢驗精度、書寫載體上的褶皺、書寫工具出墨不均等因素有一定的關聯。

2.2.2 執筆角度變化特征

在AB8000中,通過測量寫字機仿寫樣本與真實簽名樣本對應筆畫凹痕的左-右角度,可分析比較寫字機仿寫與自然人書寫的執筆角度變化特征。如圖10所示,Ⅰ、Ⅱ分別為樣本15J-1A、15R-1的采樣點圖,Ⅲ為二者左-右角度比值數據曲線比對圖,從中可以看出:機器仿寫樣本15J-1A的左-右角度比值雖有小幅度的波動,但始終保持在34%~44%的范圍內;而個人書寫樣本15R-1的左-右角度比值在采樣點38前后發生了顯著變化:前段左-右角度比值集中在25%~30%之間,后段左-右角度比值則出現了急劇變化,攀升至70%左右。這反映出:個人執筆書寫過程中,特別是在起收筆以及轉折處,執筆的角度富于變化;而寫字機的筆架位置相對固定,執筆角度的變化較小。

圖10 執筆角度變化特征比對圖

2.2.3 墨跡寬度變化特征

墨跡寬度指字跡筆畫垂直于運筆方向的距離。一般認為,在書寫工具不變的前提下,墨跡寬度與書寫壓力成正比、與書寫速度成反比,即筆壓越重、速度越慢,墨跡越寬。在AB8000中獲取待檢筆畫的墨跡寬度數值,經比對發現:對于相同字跡中的相同筆畫,寫字機仿寫的墨跡寬度值較為穩定,而真實簽名的墨跡寬度值呈現出動態變化,如圖11所示。圖11中的Ⅰ、Ⅱ分別為樣本01J-2B、01R-2的采樣點圖,Ⅲ為二者的墨跡寬度數據曲線比對圖。由圖11可知,01J-2B、01R-2的墨跡寬度變化趨勢完全不同:機器仿寫樣本01J-2B的整體墨寬變化在170 μm上下波動;而手寫簽名樣本01R-2的墨寬前細后粗,最細處僅為40 μm,最粗處可達150 μm。

圖11 墨跡寬度變化特征比對圖

同樣,在微米級精度的檢驗條件下,與筆力分布特征的變化規律相近,寫字機仿寫簽名字跡筆畫的墨跡寬度并非始終保持固定值不變,會受到筆尖出墨流暢度、行筆走向、紙張洇墨情況等因素的影響而產生小幅度的變動;但這種變動相較于手寫簽名而言并非呈現出動態性,而是表現出一種機械性。

3 結論

隨著寫字機技術的發展,在仿寫簽名字跡方面逐漸可以做到“以假亂真”,鑒別其與真實簽名已成為筆跡鑒定中涌現出的新難題。通過大量收集和制作實驗樣本,使用AB8000開展寫字機仿寫簽名字跡與被仿寫真實簽名筆跡的比較檢驗,發現寫字機仿寫簽名字跡的特征及變化規律:在傳統的靜態形貌特征檢驗中發現,寫字機仿寫字跡在形態上與被仿真實簽名高度相似,二者的概貌、局部安排、寫法、搭配比例等特征基本相符;但仿寫簽名易反映出筆順不符、運筆呆板和梳狀筆痕等現象,機器書寫存在起收筆動作單一、行筆無自然抖動、連筆無牽絲且偶有筆畫重描等異常。通過獲取字跡筆畫的壓痕、角度和寬度等數據,經分析后發現,機器仿寫字跡在筆力分布、執筆角度和墨跡寬度變化等方面總體表現出一種機械性,缺少真實簽名筆跡中的動態變化。

綜上所述,基于AB8000檢驗寫字機仿寫簽名字跡具有一定的可行性,它能夠幫助鑒定人員較為全面地分析待檢字跡的靜態形貌特征、量化反映筆跡的動態特征,可以作為鑒別寫字機仿寫簽名字跡的一種檢驗手段。