李震

（中國(guó)刑警學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110035）

簽名筆跡筆力特征量化分析模型的構(gòu)建

李震

（中國(guó)刑警學(xué)院 遼寧 沈陽(yáng) 110035）

筆力特征反映書寫人書寫時(shí)用筆的力度，動(dòng)態(tài)展示運(yùn)筆力度的變化情況。將簽名運(yùn)動(dòng)過(guò)程中筆壓的變化規(guī)律和簽名筆跡靜態(tài)圖像的顏色變化建立數(shù)學(xué)模型，利用簽名筆跡二維靜態(tài)圖像的顏色深淺變化反映簽名筆跡的筆力特征的變化，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)顯示筆跡中各點(diǎn)的相對(duì)筆力值。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)獲取靜態(tài)簽名筆跡顏色變化與筆力變化的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用筆力特征的量化分析為專家做出鑒定結(jié)論提供客觀依據(jù)。

簽名 筆跡 筆力特征 量化分析

通常的簽名筆跡鑒定主要依靠筆跡專家的專門知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行鑒別和判斷。鑒定過(guò)程中往往不可避免地包含了主觀因素，這些主觀因素難于量化，更不易清楚直白地展示出來(lái)。由于缺乏足夠的、令人信服的量化指標(biāo)，有時(shí)難以做出鑒定結(jié)論。開展簽名筆跡相關(guān)筆跡特征計(jì)算機(jī)量化的系統(tǒng)研究，是推進(jìn)筆跡檢驗(yàn)技術(shù)繼續(xù)發(fā)展的必然要求。其中，筆力特征反映書寫人書寫時(shí)用筆的力度，動(dòng)態(tài)展示運(yùn)筆力度的變化狀態(tài)。筆力特征是客觀存在的物質(zhì)現(xiàn)象，是認(rèn)識(shí)筆跡和個(gè)人書寫習(xí)慣的一個(gè)重要手段。書寫活動(dòng)在行筆過(guò)程中，不是使用單一的執(zhí)筆力度，而是在起筆、行筆、收筆、連筆過(guò)程發(fā)生壓力的變化。筆力特征需要通過(guò)筆畫的粗細(xì)和墨跡的濃淡分布狀況來(lái)進(jìn)行分析。不同人在簽名過(guò)程中運(yùn)筆的速度和壓力各不相同，這些特點(diǎn)雖然表現(xiàn)輕微，不易察覺，但卻能較好的反映個(gè)人書寫習(xí)慣。

1 量化分析模型的總體設(shè)計(jì)

簽名筆跡是書寫運(yùn)動(dòng)的軌跡，它的運(yùn)動(dòng)不僅僅局限于二維空間，也不是勻速運(yùn)動(dòng)，它是一個(gè)立體、動(dòng)態(tài)的形象。聯(lián)機(jī)書寫時(shí)通過(guò)書寫板可以獲取動(dòng)態(tài)的筆跡信息，除了我們通常能看到的二維圖像外，還可能包括下筆時(shí)的壓力，即用筆輕重及其變化的規(guī)律。但是對(duì)于脫機(jī)筆跡鑒別時(shí)，我們所能獲得的僅僅是書寫筆跡的二維圖像，而且還不等同于書寫運(yùn)動(dòng)的軌跡。將簽名運(yùn)動(dòng)過(guò)程中筆壓的變化規(guī)律和簽名筆跡靜態(tài)圖像的顏色變化建立相關(guān)函數(shù)聯(lián)系，利用簽名筆跡二維靜態(tài)圖像的顏色深淺變化反映簽名筆跡的筆力特征變化的情況，并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)顯示筆跡中各點(diǎn)的相對(duì)筆力值。將二維簽名圖像256色位圖轉(zhuǎn)換成灰度圖，將利用每個(gè)像素的RGB分量計(jì)算每種顏色的對(duì)應(yīng)灰度值，Y即是亮度，也就是圖像的灰度值。

由于人眼對(duì)灰度微弱遞變的敏感程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)色彩變化的敏感程度。人眼能分辨的灰度級(jí)介于十幾級(jí)到二十幾級(jí)之間，而對(duì)不同亮度和色調(diào)的彩色分辨能力可達(dá)到灰度分辨能力的百倍以上。利用人體視覺系統(tǒng)的這一特性，再將灰度圖像轉(zhuǎn)化成彩色圖像或改變已有的色彩分布，將會(huì)極大改善圖像的可分辨性。因此將一幅灰度圖按照特定的彩色編碼表進(jìn)行彩色變換，這樣就可以看到圖像更加精細(xì)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)確定適當(dāng)?shù)念伾瘮?shù)，利用顏色函數(shù)將灰度圖像中各個(gè)象素的灰度值變換成不同的顏色，將本不清晰的筆力變化情況變得更加清楚，輔助鑒定人通過(guò)變換的簽名筆跡圖像判斷筆力特征變化情況，為識(shí)別簽名摹仿提供強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)。

2 筆力特征量化分析軟件的設(shè)計(jì)

2.1 軟件開發(fā)平臺(tái)選擇

基于對(duì)簽名筆跡筆力特征量化分析軟件的結(jié)構(gòu)分析，以Windows XP為操作系統(tǒng)平臺(tái)，使用Visual Studio.NET作為系統(tǒng)開發(fā)工具，采用較為流行的C#編寫軟件系統(tǒng)。C#是一種安全的、穩(wěn)定的、簡(jiǎn)單的，由C和C++衍生出來(lái)的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言。它在繼承C和C++強(qiáng)大功能的同時(shí)去掉了一些它們的復(fù)雜特性。C#綜合了VB簡(jiǎn)單的可視化操作和C++的高運(yùn)行效率，并充分考慮到系統(tǒng)的易用性，可靠性和靈活性。

2.2 系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)中，筆力特征的量化分析由圖像導(dǎo)入、灰度直方圖分析、圖像處理、筆力特征顏色設(shè)置和筆力特征量化分析五部分組成。其工作流程為：導(dǎo)入圖片→觀察分析檢材樣本的灰度直方圖→檢材樣本圖像處理→筆力特征顏色設(shè)置→筆力特征量化分析。

（1）導(dǎo)入圖片。鑒定人分別將檢材和樣本圖片選入至系統(tǒng)中，可采用一份檢材對(duì)一份樣本的形式，也可采用一份檢材對(duì)多份樣本。

（2）灰度直方圖分析?；叶戎狈綀D是灰度級(jí)的函數(shù)，它表示圖像中具有某種灰度級(jí)的像素的個(gè)數(shù)，反映了圖像中某種灰度出現(xiàn)的頻率。如果將圖像中的灰度級(jí)別看成是一個(gè)隨機(jī)變量，則其分布情況就反映了圖像的統(tǒng)計(jì)特性。分別對(duì)檢材圖片和樣本圖片進(jìn)行灰度直方圖分析，了解其灰度值域范圍及主要像素分布情況，以此為下一步筆力特征顏色設(shè)置提供理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。

（3）圖片處理。將檢材和樣本的彩色圖片，利用公式（1）分別進(jìn)行灰度化，使彩色圖片轉(zhuǎn)化成二維灰度圖片。

（4）筆力特征顏色設(shè)置。選取適當(dāng)?shù)念伾蛏屎瘮?shù)是該模型的技術(shù)關(guān)鍵，在灰度直方圖分析的基礎(chǔ)上需要通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)確定適當(dāng)?shù)念伾瘮?shù)，對(duì)每一段灰度值進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換。

（5）筆力特征量化分析。利用選取的顏色函數(shù)分別對(duì)檢材和樣本的灰度圖片進(jìn)行偽彩色變換，將檢材和樣本的灰度圖片轉(zhuǎn)換成顏色函數(shù)控制的彩色圖片，檢材與樣本圖片中筆畫間的色彩使原本不易于觀察的簽名筆力變化更加明顯。

2.3 模塊化程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所涉及的信息量大，數(shù)量多，所以應(yīng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想。本系統(tǒng)從功能實(shí)現(xiàn)角度可劃分為以下幾個(gè)模塊：

（1）圖像導(dǎo)入保存模塊。圖像導(dǎo)入使用OpenFile Dialog控件調(diào)用FileStream類將圖片二進(jìn)制流讀入圖片框中。部分程序代碼如下:

圖像保存使用SaveFileDialog控件存儲(chǔ)為具體的圖片格式。默認(rèn)保存為BMP文件、Gif文件、JPEG文件和PNG文件。程序代碼如下:

（2）對(duì)象控制模塊。對(duì)象控制模塊將檢材和樣本圖片分別讀取到對(duì)應(yīng)的圖片框中，通過(guò)邏輯控制語(yǔ)句判斷引用對(duì)象，是整個(gè)軟件系統(tǒng)中控制中樞，以下各模塊運(yùn)行時(shí)，必須首先通過(guò)對(duì)象控制模塊確定運(yùn)行對(duì)象是檢材簽名圖片還是樣本簽名圖片。

（3）灰度直方圖模塊?；叶戎狈綀D模塊在系統(tǒng)中用來(lái)顯示檢材或樣本簽名圖片的灰度范圍，根據(jù)實(shí)際觀察的灰度范圍再進(jìn)行進(jìn)一步的判斷，分別了解檢材和樣本簽名圖片灰度峰值及峰值范圍，為筆力特征顏色設(shè)置選擇正確的色彩變換閾值（如圖1所示）。

圖1 檢材簽名圖片的灰度直方圖

（4）筆力特征顏色設(shè)置模塊。筆力特征設(shè)置是本軟件模型的核心模塊，需要根據(jù)檢材和樣本簽名灰度直方圖顯示的灰度閾值，確定色彩設(shè)置的起始范圍和區(qū)間，通過(guò)多次反復(fù)調(diào)校達(dá)到較為理想的顯示效果（如圖2所示）。

（5）圖片灰度化模塊。針對(duì)彩色圖片，需要對(duì)其進(jìn)行灰度化，利用公式（1），將其在圖片中灰度化。

（6）筆力特征量化分析模塊。利用筆力特征顏色設(shè)置模塊設(shè)置的色彩函數(shù)，將檢材和樣本的灰度圖進(jìn)行偽彩色函數(shù)變換，整個(gè)簽名的運(yùn)筆細(xì)節(jié)顯示出不同的顏色，從而為鑒定人判斷檢材簽名是否存在“形快實(shí)慢、抖動(dòng)彎曲、停筆另起、筆力平緩”等摹仿筆跡特點(diǎn)起到明顯的輔助作用（如圖3所示）。

圖2 筆力特征顏色設(shè)置界面

圖3 筆力特征量化分析模塊的功能

3 討論

開發(fā)簽名筆跡筆力特征分析系統(tǒng)可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)簽名筆跡的鑒定起到輔助作用，利用此系統(tǒng)可以對(duì)靜態(tài)二維圖像即涉案的簽名筆跡的檢材和樣本的筆力分布情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬顯示，并記錄筆跡上各像素點(diǎn)的壓力值。本系統(tǒng)對(duì)摹仿簽名的形快實(shí)慢、中途停頓、修飾重描和筆力平緩四個(gè)特點(diǎn)反映更加明顯，摹仿簽名中發(fā)生這四處反常跡象的筆力分布與樣本不盡相同，這為判斷簽名是否摹仿提供有力的參考。甚至即使針對(duì)難度較高的憶摹簽名和練習(xí)摹仿簽名的檢驗(yàn)工作中，使用該系統(tǒng)也可提高鑒定準(zhǔn)確率。

[1]賈玉文，鄒明理.中國(guó)刑事科學(xué)技術(shù)大全（文件檢驗(yàn)）[M].北京：中國(guó)公安大學(xué)出版社，2002.

[2]賈玉文，筆跡檢驗(yàn)[M].北京：警官教育出版社，1999.

[3]Christian Nagel，BillEvjen，JayGlynn等.C#高級(jí)編程(第7版)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[4]田芳，王東亮.OA系統(tǒng)模塊分析.青海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，21(1).

[5]王小科，王軍作等.C#開發(fā)實(shí)戰(zhàn) 1200例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[6]修乾.基于Web的NET應(yīng)用程序開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)工程，2003，29(21).

（責(zé)任編輯：于 萍）

TP309

A

2014-1-12

公安部應(yīng)用創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：2013YYCXXJXY107）。

李震（1980-），男，遼寧沈陽(yáng)人，中國(guó)刑警學(xué)院文件檢驗(yàn)系講師，碩士，主要從事文件檢驗(yàn)相關(guān)研究。