國(guó)中正,陳維娜,*,楊求鳳,韓惠斌
(1. 中國(guó)人民公安大學(xué),北京100038;2. 公安部物證鑒定中心,北京100038;3. 濰坊市公安局刑事科學(xué)技術(shù)研究所,山東 濰坊261041)
2018年以來(lái),中國(guó)市場(chǎng)上流行一種直角坐標(biāo)型書(shū)寫(xiě)機(jī)器人,此類書(shū)寫(xiě)機(jī)器人在給工作帶來(lái)便利的同時(shí),也有可能會(huì)被不法分子用來(lái)進(jìn)行摹仿他人簽名筆跡等犯罪活動(dòng),給文件檢驗(yàn)工作帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。法庭科學(xué)領(lǐng)域?qū)?shū)寫(xiě)機(jī)器人的系統(tǒng)研究較少,在國(guó)外,McCarthy等[1]研究了Autopen等簽名機(jī)器人的書(shū)寫(xiě)原理以及筆跡特征;Dumitra等[2]以Bond機(jī)器人為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)Bond機(jī)器人書(shū)寫(xiě)筆跡的筆痕深度基本一致,字間距相同,收筆較鈍,相同的字母可以完全重合。國(guó)內(nèi)對(duì)于書(shū)寫(xiě)機(jī)器人書(shū)寫(xiě)特征的研究最早開(kāi)始于2019年,田孝雨、付海花等[3-9]對(duì)市面上的直角坐標(biāo)型書(shū)寫(xiě)機(jī)器人進(jìn)行了研究,對(duì)筆跡特征進(jìn)行了初步的總結(jié)。本文基于前人的成果,結(jié)合書(shū)寫(xiě)機(jī)器人的工作原理,以摹仿簽名筆跡為研究重點(diǎn),研究機(jī)器人參數(shù)設(shè)置對(duì)筆跡特征的影響,進(jìn)一步挖掘書(shū)寫(xiě)簽名筆跡與機(jī)器人摹仿簽名筆跡的差異點(diǎn),為筆跡檢驗(yàn)實(shí)戰(zhàn)提供一定的參考依據(jù)。
直角坐標(biāo)型書(shū)寫(xiě)機(jī)器人摹仿簽名筆跡的原理:如圖1所示,在字體編輯軟件中,將簽名筆跡作為背景參照,使用貝塞爾曲線描繪摹仿筆跡的筆畫(huà)路徑并保存為矢量圖形,隨后將矢量圖形導(dǎo)入機(jī)器人控制軟件并將其轉(zhuǎn)化為G代碼,并將G代碼進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào),使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)X、Y、Z軸進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng),進(jìn)而形成摹仿簽名筆跡。
貝塞爾曲線作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中常用的參數(shù)曲線,能夠描繪出精準(zhǔn)平滑的線條,貝塞爾曲線最早應(yīng)用于汽車(chē)的主體設(shè)計(jì),隨后逐漸發(fā)展到路徑規(guī)劃、幾何設(shè)計(jì)領(lǐng)域[10]。Endo在教學(xué)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中,就用貝塞爾曲線進(jìn)行筆畫(huà)的描繪[11]。經(jīng)過(guò)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),中國(guó)市場(chǎng)上的書(shū)寫(xiě)機(jī)器人進(jìn)行摹仿簽名筆跡的工具也是貝塞爾曲線(圖2)。
直角坐標(biāo)型書(shū)寫(xiě)機(jī)器人使用的代碼源于數(shù)控機(jī)床(CNC)的G代碼,其中G0表示快速移動(dòng),G1表示直線插補(bǔ),G21表示以毫米為單位,G90表示使用絕對(duì)坐標(biāo),X、Y、Z表示坐標(biāo)點(diǎn)的位置,F(xiàn)表示運(yùn)行速度[12]。如圖3所示,以“正”字的G代碼文件為例,共包含152行G代碼信息,表明將“正”字切分成152個(gè)坐標(biāo)點(diǎn),其中第二行代碼“G1 X19.926Y24.234F4000”表示筆尖以4 000 mm/min的速度從坐標(biāo)(19.908, 24.234)移動(dòng)到坐標(biāo)(19.926,24.234)。
1)硬件:CoreXY型直角坐標(biāo)型書(shū)寫(xiě)機(jī)器人、VSC8000文檢儀、DT超視覺(jué)成像儀(用于RTI成像)。2)軟件:奎享字體(書(shū)寫(xiě)機(jī)器人專用的字體編輯軟件)、奎享雕刻(書(shū)寫(xiě)機(jī)器人專用的控制軟件)、RTIBuilder、RTIView。3)書(shū)寫(xiě)材料:晨光圓珠筆、得力牌A4紙。
2.2.1 簽名筆跡的收集
召集15名志愿者,要求每人在慢速、正常速度和快速條件下(如圖4所示)各書(shū)寫(xiě)5個(gè)本人簽名,共收集225個(gè)簽名筆跡。
2.2.2 摹仿簽名筆跡矢量圖形的制作
利用“奎享字體”軟件,點(diǎn)擊“新建圖片”,依次將收集到的225個(gè)簽名筆跡作為背景,利用貝塞爾曲線對(duì)摹仿簽名筆跡的筆畫(huà)路徑進(jìn)行描繪,共制作225個(gè)摹仿簽名筆跡的矢量圖形(如圖 5)。
2.2.3 摹仿簽名筆跡的書(shū)寫(xiě)
利用控制變量的方法,研究速度、加速度、筆鋒和筆壓參數(shù)對(duì)筆跡特征的影響,隨后選擇最理想的參數(shù)書(shū)寫(xiě)全部簽名,研究機(jī)器人摹仿簽名筆跡和簽名筆跡的特征差異,具體步驟如下:
1)在225個(gè)摹仿簽名筆跡的矢量圖形中隨機(jī)選擇5個(gè),設(shè)計(jì)速度和加速度的交叉試驗(yàn),筆壓和筆鋒參數(shù)分別設(shè)置為-1.0和3,設(shè)置速度參數(shù):1 000、2 000 ……15 000 mm/min;設(shè)置加速度參數(shù):1 000、2 000 ……8 000 mm/s2,每個(gè)簽名在速度和加速度不同的120種情況下分別書(shū)寫(xiě),共收集600個(gè)摹仿簽名筆跡,探究速度、加速度參數(shù)對(duì)摹仿簽名筆跡的影響以及最佳速度、加速度參數(shù);
2)在225個(gè)摹仿簽名筆跡的矢量圖形中隨機(jī)選擇5個(gè),速度、加速度和筆壓分別設(shè)置為5 000 mm/min、2 000 mm/s2和 -1.0,筆鋒參數(shù)設(shè)置:0、1、2……10,每個(gè)簽名在筆鋒不同的11種情況下分別書(shū)寫(xiě),共收集55個(gè)摹仿簽名筆跡,探究筆鋒參數(shù)對(duì)摹仿簽名筆跡的影響以及最佳筆鋒參數(shù);
3)在225個(gè)摹仿簽名筆跡的矢量圖形中隨機(jī)選擇5個(gè),速度、加速度和筆鋒分別設(shè)置為5 000 mm/min、2 000 mm/s2和 3,筆壓參數(shù)設(shè)置:0、-0.5、-1.0、-1.5、-2.0、-2.5,每個(gè)簽名在筆壓不同的6種情況下分別書(shū)寫(xiě),共收集30個(gè)摹仿簽名筆跡,探究筆壓參數(shù)對(duì)摹仿簽名筆跡的影響以及最佳筆壓參數(shù);
4)在速度、加速度、筆鋒、筆壓參數(shù)最理想的情況下,全部書(shū)寫(xiě)225個(gè)摹仿簽名。
2.2.4 檢驗(yàn)方法
利用VSC8000文件檢驗(yàn)儀和DT超視覺(jué)成像儀對(duì)簽名筆跡與書(shū)寫(xiě)機(jī)器人摹仿簽名筆跡進(jìn)行比對(duì)檢驗(yàn),分析總結(jié)兩者的異同。
3.1.1 速度與加速度參數(shù)對(duì)筆跡特征的影響
速度參數(shù)是指機(jī)器人書(shū)寫(xiě)時(shí)的運(yùn)行速度,加速度參數(shù)決定了加速(或減速)過(guò)程的快慢,例如,速度參數(shù)設(shè)置為4 000 mm/min,加速度參數(shù)設(shè)置為2 000 mm/s2,那么從速度0加速到運(yùn)行速度的時(shí)間為2 s。此類書(shū)寫(xiě)機(jī)器人采用“梯形加減速”的運(yùn)動(dòng)形式,理論上,在書(shū)寫(xiě)每一個(gè)筆畫(huà)時(shí),都要經(jīng)過(guò)勻加速、勻速、勻減速等過(guò)程,然而當(dāng)速度和加速度設(shè)置過(guò)大時(shí),整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)間很短,導(dǎo)致可能沒(méi)有勻速的過(guò)程,如圖6所示,一個(gè)長(zhǎng)度為5 cm的筆畫(huà),在不同的速度和加速度設(shè)置下,速度的變化曲線也不同。
當(dāng)書(shū)寫(xiě)速度和加速度設(shè)置過(guò)大時(shí),書(shū)寫(xiě)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)承受不了大負(fù)荷,機(jī)身會(huì)產(chǎn)生劇烈的晃動(dòng),使得摹仿簽名筆跡的筆畫(huà)出現(xiàn)抖動(dòng)彎曲現(xiàn)象,本文所用的機(jī)器人在加速度超過(guò)3 000 mm/s2、速度超過(guò)5 000 mm/min時(shí),摹仿筆跡的筆畫(huà)會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象,速度和加速度越大,筆畫(huà)抖動(dòng)越明顯(圖7)。另外,不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的書(shū)寫(xiě)機(jī)器人的穩(wěn)定性不同,同一機(jī)械結(jié)構(gòu)用不同制作材料制成的書(shū)寫(xiě)機(jī)器人穩(wěn)定性也不一樣。
3.1.2 筆鋒參數(shù)對(duì)筆跡特征的影響
通過(guò)設(shè)置筆鋒參數(shù),摹仿簽名筆跡的筆畫(huà)末端會(huì)出現(xiàn)逐漸變細(xì)的收筆特征,呈尖形,類似于書(shū)法中的“露鋒收筆”。機(jī)器人書(shū)寫(xiě)時(shí)出現(xiàn)逐漸變細(xì)的收筆特征的根本原因是改變了機(jī)器人書(shū)寫(xiě)的收筆方式。如圖8a所示,當(dāng)筆鋒參數(shù)設(shè)置為0時(shí),“李”字的“撇”畫(huà)的收筆代碼為“G1 X18.739Y48.707F5000、G1G90 Z4.0F5000”,表示筆尖以5 000 mm/min的速度移動(dòng)到最后一個(gè)坐標(biāo)(18.739,48.707,-1),隨后在Z軸方向垂直抬筆,移動(dòng)到(18.739,48.707,4),如圖9紅色箭頭所示,故沒(méi)有變細(xì)的收筆特征;如圖8b所示,當(dāng)筆鋒設(shè)置為5時(shí),“李”字的“撇”筆畫(huà)的收筆代碼為“G1 X18.739Y48.707F5000、G1G90 X14.624Y51.547Z4.0F5000”,表示筆尖以5 000 mm/min的速度移動(dòng)到最后一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)(18.739,48.707,-1),隨后移動(dòng)到(14.624,51.547,4),在此過(guò)程中,筆尖逐漸離開(kāi)紙面并在XOY平面內(nèi)移動(dòng),筆痕的深度由深變淺,筆的寬度也由寬入細(xì),收筆動(dòng)作如圖9藍(lán)色箭頭所示。另外,并不是每個(gè)筆畫(huà)的末端都會(huì)出現(xiàn)逐漸變細(xì)的收筆特征,其出現(xiàn)具有隨機(jī)性,不受人為控制。
在“奎享雕刻”軟件中,筆鋒設(shè)置參數(shù)共有11級(jí),分別為0(表示沒(méi)有筆鋒)、1、2……10。一般情況下,筆鋒參數(shù)值越大,收筆筆畫(huà)越長(zhǎng),筆畫(huà)末端逐漸變細(xì)的收筆特征越明顯,如圖10所示,然而,筆鋒參數(shù)設(shè)置過(guò)大,收筆就會(huì)過(guò)長(zhǎng),破壞簽名筆跡的搭配比例。
3.1.3 筆壓參數(shù)對(duì)筆跡特征的影響
“筆壓”指的是機(jī)器人書(shū)寫(xiě)時(shí)控制筆尖作用于紙面的壓力,如圖11所示,在直角坐標(biāo)系中,垂直向上表示Z軸正方向,書(shū)寫(xiě)壓力可以用垂直向下的向量表示,為了方便設(shè)置,筆壓參數(shù)用負(fù)數(shù)表示,筆壓參數(shù)的絕對(duì)值越大,所表示的書(shū)寫(xiě)壓力就越大。
筆壓參數(shù)設(shè)置不同,對(duì)筆跡特征影響最直觀的是筆痕深度,當(dāng)筆壓參數(shù)設(shè)置為0時(shí),筆尖剛接觸紙面,筆痕淺,當(dāng)筆壓參數(shù)逐漸增大時(shí),筆痕的深度逐漸增大。理論上,筆壓參數(shù)不斷增大,筆痕的深度也是不斷增大的,但是,目前設(shè)計(jì)的夾筆裝置都有緩沖功能,襯墊物對(duì)筆壓也有一定的緩沖作用,所以,當(dāng)筆壓參數(shù)達(dá)到一定值,筆跡的壓痕深度將不會(huì)發(fā)生明顯變化。
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),筆壓參數(shù)會(huì)對(duì)筆跡的收筆長(zhǎng)度產(chǎn)生影響,筆壓參數(shù)絕對(duì)值設(shè)置越大,收筆越長(zhǎng),筆畫(huà)末端逐漸變細(xì)的收筆特征越明顯,如圖12所示,筆壓參數(shù)的絕對(duì)值越大,“騰”字“月”部“撇”的收筆越長(zhǎng),這是因?yàn)樵诠P尖逐漸抬高離開(kāi)紙面的過(guò)程中,筆壓絕對(duì)值設(shè)置越大,筆尖抬高離開(kāi)紙平面的過(guò)程就越長(zhǎng),所以收筆筆畫(huà)也會(huì)越長(zhǎng),如圖13所示。
通過(guò)對(duì)速度、加速度、筆鋒和筆壓參數(shù)的研究,我們得出書(shū)寫(xiě)條件最理想的參數(shù)設(shè)置:速度5 000 mm/min、加速度2 000 mm/s2、筆鋒3、筆壓-1.0。在此書(shū)寫(xiě)條件下,書(shū)寫(xiě)全部225個(gè)摹仿簽名筆跡,與正常情況下書(shū)寫(xiě)的簽名筆跡進(jìn)行比對(duì),從而總結(jié)出機(jī)器人摹仿簽名筆跡的檢驗(yàn)要點(diǎn)。
3.2.1 概貌和局部安排特征
由于高階貝塞爾曲線能夠以簽名筆跡為背景描繪出各種復(fù)雜筆畫(huà),另外,在“奎享雕刻”軟件中,可以導(dǎo)入pdf或者圖片文件當(dāng)作背景,摹仿者能夠方便地根據(jù)頁(yè)面背景對(duì)簽名的大小和位置進(jìn)行調(diào)整,故225份簽名筆跡與225份摹仿筆跡的概貌和局部安排特征基本保持一致。
3.2.2 寫(xiě)法特征
在225份簽名筆跡中,共有9份出現(xiàn)繁體字寫(xiě)法,在利用貝塞爾曲線設(shè)計(jì)的過(guò)程中,也采用相同的寫(xiě)法,225份摹仿簽名筆跡中有相同的9份繁體字寫(xiě)法的簽名筆跡,故簽名筆跡與摹仿簽名筆跡的寫(xiě)法特征完全相符。
3.2.3 搭配比例特征
在筆鋒參數(shù)設(shè)置為0的情況下,機(jī)器人摹仿簽名筆跡與簽名筆跡的筆畫(huà)基本重復(fù),搭配比例保持一致;
在設(shè)置有筆鋒的情況下,某些筆畫(huà)收筆動(dòng)作發(fā)生改變,末端就會(huì)出現(xiàn)逐漸變細(xì)的收筆特征,上文在解釋收筆逐漸變細(xì)的出現(xiàn)原理時(shí)提到,機(jī)器運(yùn)行到坐標(biāo)最后一點(diǎn)時(shí),筆尖并不是垂直抬筆,而是在抬筆的同時(shí)在XOY平面內(nèi)移動(dòng),從而筆畫(huà)末端逐漸變細(xì),逐漸變細(xì)的這一部分筆畫(huà)是在原筆畫(huà)基礎(chǔ)上的加長(zhǎng),這就導(dǎo)致摹仿簽名筆跡的搭配比例可能發(fā)生變化,在225份摹仿簽名筆跡中,有39份筆跡的搭配比例發(fā)生變化,主要體現(xiàn)于筆畫(huà)的交叉部位以及平行筆畫(huà)的長(zhǎng)短比例上。
3.2.4 筆順特征
機(jī)器人摹仿簽名筆跡的筆順是由貝塞爾曲線的描繪過(guò)程決定的,先描繪的筆畫(huà)的書(shū)寫(xiě)順序在前,由于摹仿者和被摹仿者的書(shū)寫(xiě)技能與習(xí)慣可能存在差異,所以筆順就有可能存在差異點(diǎn)。在225份摹仿筆跡中,有5份與簽名筆跡存在差異,如圖14所示,簽名筆跡與摹仿簽名筆跡的“愚”字筆順存在差異,“豎”和“橫折彎鉤”的書(shū)寫(xiě)順序不一致。
3.2.5 運(yùn)筆特征
機(jī)器人書(shū)寫(xiě)的起筆方式只有一種,通過(guò)分析G代碼,所有的筆畫(huà)起筆都是筆尖運(yùn)動(dòng)到第一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的上部,然后根據(jù)筆壓參數(shù)進(jìn)行垂直落筆,再以設(shè)定速度和加速度往下一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)移動(dòng),所以摹仿筆跡的起筆端有較明顯的頓壓感,呈圓形,甚至可以觀察到起筆端有小圓點(diǎn),如圖15所示。
機(jī)器人摹仿簽名筆跡的收筆方式有兩種,如果筆鋒參數(shù)設(shè)置為0,那么收筆動(dòng)作為運(yùn)行到最后一個(gè)點(diǎn)后垂直抬筆,筆畫(huà)末端呈現(xiàn)圓形,如果筆鋒參數(shù)不設(shè)置為0,那么收筆動(dòng)作類似于書(shū)法中的“露鋒收筆”,筆畫(huà)的收筆端呈現(xiàn)尖形。在簽名筆跡中,提高書(shū)寫(xiě)速度會(huì)出現(xiàn)連筆動(dòng)作,一般情況下,書(shū)寫(xiě)水平高的人在連筆書(shū)寫(xiě)時(shí),連筆動(dòng)作富于抑揚(yáng)頓挫和輕重疾徐變化;書(shū)寫(xiě)水平低的人,其筆跡筆力變化頻度低,運(yùn)筆平緩,沒(méi)有頓折,缺乏節(jié)奏感,運(yùn)筆不連貫,筆畫(huà)寬度變化小。機(jī)器人書(shū)寫(xiě)壓力是由事先設(shè)置好的參數(shù)決定的,根據(jù)G代碼,連筆筆畫(huà)的書(shū)寫(xiě)壓力都是基本保持一致的,所以,機(jī)器人摹仿簽名筆跡的連筆筆畫(huà)深度和寬度基本保持一致。
3.2.6 筆痕特征
由于正常人書(shū)寫(xiě)執(zhí)筆具有一定的角度,所以在使用圓珠筆等具有滾珠的書(shū)寫(xiě)工具進(jìn)行書(shū)寫(xiě)時(shí),滾珠與球座邊口對(duì)紙面擠壓會(huì)形成一條凸起的脊線。機(jī)器人的執(zhí)筆角度基本為90°,垂直于紙面,所以筆痕中沒(méi)有脊線,如圖16所示。
由于“奎享雕刻”軟件問(wèn)題,在將gap矢量圖形轉(zhuǎn)化為G代碼的過(guò)程中,某些筆畫(huà)的G代碼會(huì)連續(xù)出現(xiàn)兩次,導(dǎo)致機(jī)器人在書(shū)寫(xiě)時(shí)也會(huì)連續(xù)書(shū)寫(xiě)兩次,出現(xiàn)筆畫(huà)重描現(xiàn)象,在225份摹仿簽名筆跡中,有18份筆跡出現(xiàn)筆畫(huà)重描現(xiàn)象。如圖17所示,在RTI影像下可以觀察到“浩”字的長(zhǎng)橫有重描現(xiàn)象,即橫筆連續(xù)書(shū)寫(xiě)了兩次。機(jī)器人筆畫(huà)重描特征一般難以發(fā)現(xiàn),因?yàn)閮傻乐貜?fù)書(shū)寫(xiě)的筆畫(huà)的執(zhí)行代碼完全相同,書(shū)寫(xiě)動(dòng)作也完全一致,一般情況下,出現(xiàn)重描特征的筆畫(huà)顏色濃重,在RTI成像技術(shù)下,可以觀察到重描筆畫(huà)的筆痕更深。
研究結(jié)果表明,不同的參數(shù)設(shè)置會(huì)對(duì)機(jī)器人摹仿簽名筆跡的特征產(chǎn)生影響:當(dāng)速度和加速度設(shè)置過(guò)高時(shí),書(shū)寫(xiě)機(jī)器人負(fù)荷過(guò)大引起機(jī)身晃動(dòng),會(huì)導(dǎo)致摹仿簽名筆跡的筆畫(huà)抖動(dòng);通過(guò)設(shè)置筆鋒參數(shù),機(jī)器人的收筆動(dòng)作發(fā)生改變,由“垂直抬筆”變?yōu)轭愃朴跁?shū)法中的“露鋒收筆”,筆畫(huà)末端呈現(xiàn)由粗變細(xì)的收筆特征,該特征的出現(xiàn)具有隨機(jī)性,筆鋒參數(shù)越大,收筆筆畫(huà)越長(zhǎng),逐漸變細(xì)的收筆特征越明顯;筆壓參數(shù)絕對(duì)值越大,筆跡壓痕逐漸變深后趨于穩(wěn)定,“露鋒”收筆的長(zhǎng)度也會(huì)隨著筆壓參數(shù)絕對(duì)值的增大而增長(zhǎng)。
通過(guò)比對(duì)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,機(jī)器人摹仿簽名筆跡的筆跡特征與簽名筆跡具有鑒別的可行性,其中,概貌特征、局部安排特征和寫(xiě)法特征與簽名筆跡保持高度一致,筆鋒參數(shù)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致收筆過(guò)長(zhǎng),從而破壞簽名筆跡的搭配比例;由于“奎享雕刻”軟件問(wèn)題,機(jī)器摹仿簽名會(huì)出現(xiàn)筆畫(huà)重描的現(xiàn)象;摹仿者與被摹仿者書(shū)寫(xiě)習(xí)慣的差異可能會(huì)導(dǎo)致筆順不同;機(jī)器人書(shū)寫(xiě)的起筆動(dòng)作是垂直落筆,收筆動(dòng)作是“垂直抬筆”或者“露鋒收筆”,起筆端呈圓形或者小圓點(diǎn),收筆端呈圓形或者尖形;執(zhí)筆角度為90°的書(shū)寫(xiě)機(jī)器人筆跡無(wú)脊線特征,因此,應(yīng)對(duì)書(shū)寫(xiě)機(jī)器人摹仿簽名筆跡的起收筆特征、連筆特征、筆順特征、筆痕特征重點(diǎn)分析。