劉寧 江蘇警官學(xué)院

偽造簽名是目前文件檢驗(yàn)人員遇到的最具挑戰(zhàn)性的難題之一。運(yùn)用多種方法進(jìn)行檢驗(yàn)，從多種角度利用特征，才能提高簽名筆跡鑒定結(jié)論的可靠性。筆跡鑒定人員早已意識(shí)到并研究證實(shí)筆壓特征的檢驗(yàn)價(jià)值，尤其是針對(duì)“高仿真”簽名筆跡。分析筆跡三維形態(tài)中的壓痕深淺及其變化節(jié)奏是分析筆壓的有效途徑。但是，對(duì)于黑色書(shū)寫(xiě)工具形成的簽名筆跡（法律文書(shū)最為多見(jiàn)），由于人眼的視覺(jué)特性，檢驗(yàn)人員對(duì)黑色墨跡中的明暗變化敏感度低，不易準(zhǔn)確辨析和利用筆壓特征。為了去除墨色干擾，抽取筆壓特征，我們?cè)鴮?shí)驗(yàn)研究和比較了多種方法，通過(guò)側(cè)光紅外影像法、靜電壓痕顯現(xiàn)法、顯微圖像三維重建法和激光共聚焦掃描顯微鏡法將筆壓形態(tài)突顯出來(lái)[1]。這些方法各有局限，不能滿足文件檢驗(yàn)實(shí)踐的需求。激光共聚焦法、顯微圖像三維重建以及類似的方法，利用所獲得的微觀高度數(shù)據(jù)能夠重建真實(shí)三維，但是它們系統(tǒng)內(nèi)將高度數(shù)據(jù)可視化的算法有待改善，而且由于視場(chǎng)受限，需要長(zhǎng)時(shí)間采集和拼接過(guò)程才能將完整簽名或單字整合到一張圖片中。

對(duì)于彩色油墨的字跡，一般側(cè)光觀察較易分析壓痕深淺，或者使用紅外濾鏡可以去除彩色墨跡顯現(xiàn)投影形成的壓痕立體形態(tài)。但是，多數(shù)黑色墨跡無(wú)法用紅外影像和現(xiàn)有文件檢驗(yàn)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)去色的目的，本研究嘗試采用計(jì)算攝影方法（Computational Photographic）中的反射變換成像技術(shù)（Reflectance Transformation Imaging，簡(jiǎn)稱RTI）來(lái)顯現(xiàn)黑色簽名筆跡的筆壓特征。

一、反射變換成像技術(shù)

反射變換成像技術(shù)由惠普（Hewlett-Packard）實(shí)驗(yàn)室的研究人員Tom Malzbend和Dan Gelb發(fā)明，2001年首次發(fā)布其研究成果，并將此方法命名為多項(xiàng)式紋理映射（Polynomial Texture Mapping，簡(jiǎn)稱PTM）技術(shù)[2]。此后，反射變換成像技術(shù)在國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)十幾年來(lái)的開(kāi)發(fā)下不斷改善[3]，目前已廣泛應(yīng)用于文物研究領(lǐng)域，也在國(guó)外法庭科學(xué)領(lǐng)域有了一定的運(yùn)用，如提取足跡、輪胎痕跡和顯現(xiàn)潛在書(shū)寫(xiě)壓痕文字等[4-5]。

反射變換成像技術(shù)是一種數(shù)字圖像技術(shù)，它基于數(shù)字?jǐn)z影和表面反射成像模型（Lambertian模型和Phone模型），通過(guò)記錄和處理被攝物體的顏色信息和表面紋理信息，獲得的影像比單張攝影圖像信息豐富，適用于非透明、非金屬、表面漫反射的物體。傳統(tǒng)意義上，攝影圖像通過(guò)光與投影來(lái)反映立體形態(tài)，每個(gè)像素值記錄顏色（灰度）信息。與傳統(tǒng)攝影不同，反射變換影像（下文簡(jiǎn)稱RTI影像）的每一個(gè)像素不僅記錄物體顏色信息，還記載物體表面法向量信息。Adobe Photoshop等圖像處理軟件可以運(yùn)用數(shù)學(xué)變換來(lái)增強(qiáng)圖像中像素和像素間的對(duì)比度、銳度、色調(diào)等，而RTI技術(shù)不僅處理圖像像素的RGB顏色信息，也對(duì)表面法向量進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，兩者可以一同處理，也可以分別進(jìn)行處理。

通俗地講，運(yùn)用此技術(shù)的基本方法是首先需要固定拍攝相機(jī)和被攝物，在多個(gè)不同入射角度的光源下拍攝一系列數(shù)字圖像，畫(huà)面中包含被攝物與一個(gè)或兩個(gè)反光球；然后，經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件（RTIbuilder及PTM相關(guān)軟件）處理，已知系列圖像中同一個(gè)像素在不同光照角度下的不同灰度值等數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出該像素作為頂點(diǎn)時(shí)的切平面，軟件從光滑反光球表面的高光點(diǎn)獲得每張圖像的光源方向數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算出垂直于其切平面的法向量；最后，將法向量數(shù)據(jù)和RGB顏色信息一起存儲(chǔ)在該像素中，創(chuàng)建RTI文件。利用RTIviewer觀看軟件處理RTI文件，可以實(shí)現(xiàn)有利于研究被攝物表面性狀的多種功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，筆者認(rèn)為其中兩個(gè)功能在簽名筆壓特征顯現(xiàn)中最為有用，分別是：（1）鏡面反光增強(qiáng)。交互式展示被攝物在光源不同入射角度照射下的反射光形態(tài)；（2）法向量可視化。顯示被攝物除去顏色信息的三維立體形態(tài)。

二、實(shí)驗(yàn)材料和方法

（一）實(shí)驗(yàn)樣本制作

筆者分別使用黑色中性筆（Gel Pen，膠性墨）、黑色滾珠筆（Roller Pen，水基墨）、藍(lán)色圓珠筆（Ballpoint Pen，油性墨）、小楷毛筆和無(wú)墨滾珠筆在同一張A4打印紙上正常書(shū)寫(xiě)自己的簽名。書(shū)寫(xiě)紙下襯墊物有兩種情況：手機(jī)光滑觸摸屏和一疊打印紙。一共制作了十個(gè)簽名作為實(shí)驗(yàn)樣本。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1. 硬件：Canon EOS 700D相機(jī)（1800萬(wàn)像素）、Canon微距鏡頭EF-S（60mm）、文件翻拍架、自制光源定位架（穹頂狀）、直徑3mm黑色陶瓷珠、手機(jī)內(nèi)置LED光源。

2. 軟 件 ： Canon EOS Utility、 Adobe Photoshop CS6、RTIbuilder、RTIviewer。

（三）實(shí)驗(yàn)方法

將相機(jī)固定在翻拍架上，鏡頭向下垂直于被攝物平面，相機(jī)連接電腦，使用EOS Utility軟件控制相機(jī)操作。相機(jī)與被攝物之間安置穹頂狀光源定位架。LED光源持續(xù)點(diǎn)亮，分別從光源定位架的48個(gè)光位照射被攝簽名筆跡。穹頂光位射出的光線與被攝物平面的夾角在大約10°至64°之間。每個(gè)光位拍攝一張RAW格式的圖片，共48張圖片為一個(gè)數(shù)據(jù)組，供合成一個(gè)簽名的RTI影像所用。使用Adobe Photoshop CS6軟件將RAW格式圖片轉(zhuǎn)換為DNG格式（保留元數(shù)據(jù)），再轉(zhuǎn)為JPEG格式（最高質(zhì)量），導(dǎo)入RTIbuilder軟件合成RTI影像。在RTIviewer軟件中觀察和處理影像，在“鏡面反光增強(qiáng)”（Specular Enhancement）模式下移動(dòng)虛擬光源按鈕來(lái)觀察最佳立體效果，并通過(guò)“法向量可視化”（Normal Visualization）模式合成表面三維圖像。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

（一）表面法向量的可視化影像對(duì)簽名筆跡檢驗(yàn)的作用

1. 法向量可視化重建簽名筆壓的三維形態(tài)

法向量是空間解析幾何的一個(gè)概念。一個(gè)平面的法向量垂直于該平面的矢量，因此，平面法向量可以表征這個(gè)平面的朝向。RTI技術(shù)利用一組不同光照角度下獲得的圖像數(shù)據(jù)計(jì)算出每一個(gè)像素的表面法向量數(shù)據(jù)，通過(guò)RTIViewer軟件中的法向量可視化模式，將每個(gè)像素的法向量進(jìn)行偽彩色渲染，創(chuàng)建一幅描繪表面三維形態(tài)的影像。這種偽彩色渲染是將每個(gè)像素上法向量的X、Y和Z軸分量分別用紅、綠、藍(lán)色顯示，構(gòu)成特定的顏色來(lái)代表每個(gè)像素的表面朝向。它是基于攝影的三維重建，能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)紙張上壓痕的真實(shí)三維形態(tài)。圖1并列了單張側(cè)光圖片與RTI法向量可視化影像，通過(guò)比較可見(jiàn)兩者對(duì)筆壓三維形態(tài)的展示情況。單張側(cè)光拍攝圖像的光源方向單一，不能顯示各個(gè)方向筆劃的立體形態(tài)，而且投影可能掩蓋重要信息。反射變換成像技術(shù)克服了這些局限，并能夠細(xì)致、清晰地展現(xiàn)出物體表面結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)。

2. 去除黑色墨跡，突出筆痕質(zhì)地紋理

圖1中可見(jiàn)，RTI技術(shù)不僅提取出表面三維形態(tài)，還能夠完全排除黑色墨跡的干擾，而現(xiàn)有文件檢驗(yàn)的方法和設(shè)備均難以去除碳素墨跡。去除顏色信息，尤其是人眼不敏感的黑色，能夠使物體表面質(zhì)地紋理突顯出來(lái)。由于不同物理特性的物質(zhì)對(duì)光的反射率不同，RTI影像捕捉到的反射特性可以突出物質(zhì)表面質(zhì)地。因此，油基、水基和膠性油墨的筆痕在去除黑色墨跡后，呈現(xiàn)出的不同質(zhì)地感有助于判斷墨水特性（如圖2）。圖3展示只有墨色沒(méi)有壓痕的毛筆筆痕和只有壓痕無(wú)油墨的滾珠筆筆痕的法向量影像。RTI技術(shù)展示的這種質(zhì)地感從未被文件檢驗(yàn)領(lǐng)域的其他方法呈現(xiàn)過(guò)。根據(jù)拍攝的分辨率高低和放大倍數(shù)，RTI影像可以反映和突出被攝物不同程度的微觀細(xì)節(jié)。

3. 法向量計(jì)算誤差

表面法向量是根據(jù)攝影捕捉到的數(shù)據(jù)通過(guò)算法計(jì)算出來(lái)的，因此可能會(huì)存在誤差。影響法向量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素有：系列照片是否配準(zhǔn)、被攝物是否聚焦清晰、被攝物表面的高光和投影、拍攝系列照片布光的均勻程度、光位計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算法向量所用的算法等等。制作RTI影像時(shí)應(yīng)該盡可能減少上述因素的影響。辨別是否有計(jì)算誤差所造成偽彩色影像失真，可以借助RTIViewer的鏡面反射增強(qiáng)模式觀察原始攝影圖片，通過(guò)比較來(lái)檢查法向量影像是否準(zhǔn)確還原表面三維形態(tài)。

（二）鏡面反射增強(qiáng)模式突出高光和投影來(lái)描繪表面三維結(jié)構(gòu)

RTIViewer軟件中另一個(gè)對(duì)筆跡檢驗(yàn)有價(jià)值的功能是鏡面反射增強(qiáng)。調(diào)節(jié)該軟件用戶界面的虛擬光源按鈕時(shí)，圖片窗口相應(yīng)展示出不同入射光下同一簽名的影像，模擬活動(dòng)影像或?qū)崟r(shí)觀察方式。當(dāng)選擇鏡面反射增強(qiáng)模式時(shí)，調(diào)整一定的參數(shù)，可以增強(qiáng)鏡面反射光效果。不同物質(zhì)具有不同程度的鏡面反光，RTI技術(shù)運(yùn)用某算法將來(lái)自物體表面的散射RGB彩色數(shù)據(jù)和鏡面反光數(shù)據(jù)分割開(kāi)，可以一并處理，也可以分別處理。當(dāng)“散射色彩”（Diffuse color）參數(shù)調(diào)至0，“鏡面反射”（Specularity）參數(shù)調(diào)至100時(shí)，增強(qiáng)的圖像（如圖4下圖）只反映物體的鏡面反光影像。此模式下的不同處理會(huì)獲得不同的效果，適合于不同的需要。

四、結(jié)論

偽裝簽名筆跡檢驗(yàn)，尤其是高仿真摹仿簽名的識(shí)別，需要充分利用個(gè)人的筆壓習(xí)慣。然而，比較和把握筆壓特征的前提是有效、準(zhǔn)確的筆壓特征顯現(xiàn)。無(wú)需高端設(shè)備，使用常規(guī)的相機(jī)和光源，RTI技術(shù)能夠細(xì)致豐富地描繪物體的真實(shí)表面紋理，能夠用于提取簽名筆跡的筆壓特征，尤其是黑色油墨形成字跡的筆壓的顯現(xiàn)效果是其它方法不可替代的，它為解決簽名筆跡檢驗(yàn)難題提供了一個(gè)有利手段。博物館考古學(xué)和文物研究領(lǐng)域的運(yùn)用已證實(shí)RTI技術(shù)是發(fā)現(xiàn)和記錄繪畫(huà)作品變化的有效工具。然而，RTI技術(shù)在文件檢驗(yàn)?zāi)酥梁圹E物證鑒定領(lǐng)域的運(yùn)用有待進(jìn)一步實(shí)踐與開(kāi)發(fā)。

[1] 劉寧,裴雷,吳亦. 簽名筆跡筆壓特征顯現(xiàn)方法的比較研究[J].中國(guó)司法鑒定,2014(1):39-44.

[2] http://www.hpl.hp.com/research/ptm.

[3] http://culturalheritageimaging.org/Technologies/RTI.

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Polynomial_texture_mapping.

[5] MalzbenderT, WilburnB, GelbD, AmbriscoB. Surface Enhancement Using Real-time Photometric Stereo and Reflectance Transformation. In: Proceedings of the European Symposium on Rending, 2006:245250.