常见喷墨打印机打印文件的同机识别特征研究

贾晓光 张凌云 王 迪 林素娥 杨业全

（广东警官学院 广东 广州 510230）

常见喷墨打印机打印文件的同机识别特征研究

贾晓光 张凌云 王 迪 林素娥 杨业全

（广东警官学院 广东 广州 510230）

选用爱普生(Epson)、佳能(Canon)、惠普(Hp)品牌共27台彩色喷墨打印机制备实验样本并收集平时样本，采用宏观检验、显微检验和测量检验的方法，分析归纳了字符横向白线、字符拼接错位、字符偏斜等喷墨打印文件同机识别特征，为喷墨打印机的同机识别提供了客观依据。

喷墨打印机 同机识别 打印文件

1 喷墨打印技术和喷墨打印机概述

喷墨打印技术是20世纪70年代末80年代初被成功研发的，目前已广泛应用于计算机制图、办公文印、电子影像输出和广告制作等领域。

基于印刷三原色原理，早期常见的三色墨盒打印机通常就是采用性质比较稳定的黄色、品红色、青色墨水混合出不同的颜色。而四色打印机，增加上一种黑色墨盒用于纯黑色的打印。打印头上一般至少有48个或48个以上的独立喷嘴，每个喷嘴又能够喷出3种以上不同的颜色。这些喷出来不同颜色的小墨滴落于同一点上，就形成不同的复色。随着色彩调和技术的发展，通过增加色彩数量、改变喷出墨滴的大小、降低墨盒的基本色彩浓度等方法，可实现更完美的彩色喷墨打印。其中增加色彩及喷嘴数量，是最直接的实现方式。实验用的佳能PIXMA MP180打印机，喷嘴数量总计1472个，其中颜料黑色320个，青、品红黄色各384×3个；佳能PIXMA MP810比前者高端，喷嘴数量总计4608个，其中颜料黑色512个，青、品红色各512×3个，黄、染料黑色各512个。一般来说，喷嘴越多，完成喷墨过程和打印速度越快，色彩还原效果越好。

喷墨打印机是基于喷墨打印技术的较为精密的机电一体化设备，其主板控制芯片在各个精密机械配件的互相配合下才能准确执行进纸、走纸、出纸以及打印头移动操作，进而准确无误地实现喷墨打印。喷墨打印机种类多样，限于研究的专业领域，样本采集所选用的27台喷墨打印机，均为户内型、台式、按需供墨、小幅面（A4或A3）的喷墨打印机。其基本结构包括机械和电路两部分，机械部分主要由打印头、墨盒、清洗系统、字车和供纸器组成，电路分为逻辑控制电路和电源两部分。

按照喷墨打印原理来划分，实验用喷墨打印机可以分为压电式和热泡式喷墨打印两种。压电式喷墨技术是由爱普生（Epson）公司独创使用的，其生产的一系列喷墨打印机在影像行业素有口碑。压电喷墨技术是将许多小的压电半导体放置到打印头喷嘴附近，利用它在电压作用下会发生形变的原理，用计算机图文信息控制压电半导体变形挤出墨滴并使之喷出，在纸张等介质表面形成图文。其特点是打印头结构合理成本较高，控制墨滴能力强，易实现高精度打印；为了降低用户的使用成本，一般将打印头和墨盒制作成分离的结构，更换墨水时不必更换打印头。佳能(Canon)、惠普(Hp)公司采用的是热泡式喷墨打印技术，这种技术是在打印头喷嘴处设置特殊电阻，用计算机图文信息控制的脉冲电流使电阻发热，瞬间将喷头管道中的一部分墨水气化，形成气泡并从喷嘴中射出墨滴，在纸张等介质表面形成图文。其特点是打印头工艺成熟、成本低廉，通常把打印头与墨盒固定在一起，更换墨盒时即同时更新打印头。

2 实验部分

2.1 实验设备

爱普生(Epson)、佳能(Canon)、惠普(Hp)主流品牌喷墨打印机27台（自备、租用或借用），放大镜，ZEISS stemi 2000C显微镜、CCD及其图像采集系统和测量工具软件。

2.2 实验样本制作与采集

2.2.1 实验样本电子文档制作

在Microsoft Office Word2003字处理软件环境下建立实验样本电子文档1份6页，内容包括生活中使用频率比较高的常用字词、数字符号及简单图像，字体使用宋体、仿宋体，分别有六号、五号、小四号、四号、三号、小二、初号字，字间距设置为标准，行间距分别为单倍、1.5倍和2倍。

2.2.2 实验样本制作

使用同一品牌的A4复印纸，用上述三大品牌不同型号的27台打印机打印实验样本电子文档2份，打印方式设置为黑白标准和彩色标准两种模式分别打印，打印机和制作的实验样本分别对应编号标记。

2.2.3 平时样本收集

课题组在上述三大品牌不同型号的27台打印机中选取13台，定期收集其日常使用中打印的平时样本各12份，并作好标记。

2.3 实验方法

依次分别采用宏观检验、显微检验和测量检验的方法，重点针对实验样本上的相同字、相同笔画、相同部位的特征进行观察分析研究。首先通过肉眼或借助放大镜对实验样本宏观的打印特征进行观察和分析，其次借助ZEISS stemi 2000C显微镜对微观的打印特征进行观察和分析，必要时借助ZEISS图像采集系统的测量工具软件，对打印特征的位置、形态及相互关系进行测量和分析，最后将观察、测量以及分析结果进行统计归纳，筛选总结喷墨打印机同机识别的主要特征。

3 实验结果分析

3.1 喷墨打印文件共性特征

实验用喷墨打印机均使用液态油墨，有别于激光、热敏、针式等打印机的打印文件，喷墨打印文件的主要共性特征包括：字符墨迹平实，字符笔画边缘常见喷溅状墨点，油墨色泽较暗淡，在纸张上会有不同程度的洇散，易溶于水；彩色打印模式下，图文可见多色混合现象。

实验样本还反映出，由于喷墨打印机喷墨头工作原理不同，各品牌打印机打印文件所表现出的特点也不尽相同。排除机具新旧程度、机具档次差别等因素，较为明显的规律性特征，表现在笔画线条边缘飞溅墨点的有无。爱普生（Epson）喷墨打印样本的文字笔画墨迹均匀，笔画线条边缘的飞溅墨点几乎没有；而佳能(Canon)、惠普(Hp)打印机样本上，多呈现笔画线条边缘飞溅墨点较多、笔画边缘发虚的特点。分析这种品牌之间的规律性差异，是由于爱普生（Epson）独有的压电式喷墨技术在控制墨点喷射的精度上更有优势，解决了墨点乱飞和墨点不均匀的问题（见图1）。

图1 热泡式（左）与压电式（右）喷墨打印文件笔画边缘墨点现象比较

3.2 喷墨打印机同机识别特征

喷墨打印机在不断的使用过程中，或经维修、调试，加之使用的墨盒不同，会出现该机台特有的个体特征，这些特征反映在打印文件上，可以作为同机识别的依据。实验表明，虽然由于喷墨打印机喷墨技术原理有别，加之机具价位、使用频度、新旧及维修情况不同，所打印文件表现出的特点也不尽相同，但还是可以发现以下特征，一旦规律再现，具有较高的喷墨打印机同机识别价值。

3.2.1 字符横向白线特征

图2 字符横向白线特征

图3 字符拼接错位特征

图4 字符偏斜特征

字符横向白线特征，是指由于喷墨头功能缺陷造成的打印字符笔画内部出现的细小横向白线，这一特征通常在某一阶段的打印文件中较为稳定地规律性再现（见图2）。喷墨头是喷墨打印机中运动最频繁的元件，容易磨损或出现故障，如墨水干涸导致的喷墨嘴堵塞、电路故障导致某个或某些喷墨嘴丧失功能，造成打印字符的列阵出现空缺，反映在打印文件上就会呈现横向贯通的白线特征，并且在页面的多行打印字符上，呈现一定周期性。当然，在打印小字号文字时，字符横向白线特征可能表现为字符某些细小的横笔笔画缺失；加粗或精细打印时贯通性略差。墨盒有分离式结构和一体化结构两种，当墨水耗尽需更换墨盒时，使用一体化墨盒的机台，打印头会被同时更换，该特征在接下来的打印文件上就会消失；使用分离式墨盒的机台，特别是打印量较大、自行外加墨水的用户，不轻易更换打印头，该特征会相对稳定地呈现。

3.2.2 字符拼接错位特征

字符拼接错位特征，是指打印字符出现的拼接对位不准现象（见图3）。喷墨打印机是串行式打印而非页式打印，当打印超过打印头印字元件排列高度的字符时，是采用以行为单位的分段拼接打印。出现字符拼接错位特征，往往是因为字车存在反向间隙造成的。由于带动字车运动的传动机构不可避免地存在一定的机械间隙，随着使用中的磨损，间隙逐渐加大。当打印头打印完一截字符再执行反向打印时，虽然打印控制信号开始反转，但字车要待传动机构转过机械空程之后才能回动，这个机械空程即为反向间隙。反向间隙越大，字符错位、脱节或重叠越明显。大多数喷墨打印机都采用双向打印的方式，旧机台打印样本多出现拼接错位特征，也有1台低端的全新佳能打印机样本出现该特征。研究中还发现，有个别机型可以将双向打印切换为单向打印，也有的机型可人工或自动校正反向间隙，使这一特征消失或减弱。

3.2.3 字符偏斜特征

字符偏斜特征，是指打印文件上的同一行字符不在同一水平线上平行，出现一定角度的偏斜现象（见图4）。偏斜的角度不大时，需要借助显微镜及测量软件，观察偏斜方向并测量偏斜的角度，也可通过观察接续打印的纵向线条有无偏斜加以判断。串行式打印机的打印头，一般是安装在导轨上做往返运动。由于安装或磨损等原因，在打印过程中被传动带拖拽，打印头会略偏斜，从而造成打印字符的列阵与字行轴线不垂直。

3.2.4 字符左右不对称特征

字符左右不对称特征易出现在行首或行尾处，是指字符呈现出的左右不均匀，即左紧右松或左松右紧现象。打印头每一次运动有一个从静止、加速运动到匀速运动，再由匀速运动、减速运动到静止的过程。打印头正常打印时应处于匀速运动状态。有的打印机由于没做好同步调整，打印头还在作加速运动时即开始打印，或还在打印时便减速，就会使打印出的字符出现左右不对称的变形，一般加速过程中打印的字符左紧右松，减速过程中打印的字符左松右紧。

3.2.5 字符拖擦污染特征

字符拖擦污染特征，一般多出现在打印文件的顶部或背面，是由于打印机使用过程中，走纸系统发生污染、磨损、老化等轻微故障时，反映在打印文件上的拖擦痕迹特征。这种特征易出现在比较陈旧的打印机制作的打印样本上，要注意观察分析字符拖擦污染的位置、间隔、宽度、长度、形状等特点。当对打印机进行调试或更换部件后，该特征一般都会消失或变化，较长时间跨度样本的特征稳定性不是很好，检验时要尽量收集与检材同一时间段的打印样本进行比较。

4 结论与讨论

字符横向白线特征、字符拼接错位特征、字符偏斜特征是喷墨打印机同机识别的重要特征。这三类特征均可通过观察、测量发现，在本次研究样本中呈一定规律性，其形成机理基本明晰，稳定性较好，出现率较高，部分样本特征还得到进一步实验验证或调查证实。

字符左右不对称特征、字符拖擦污染特征是喷墨打印机同机识别的参考特征。这两类特征也可通过观察、测量发现，形成机理基本明晰，在本次研究样本中有一定稳定性，出现率相对较低。分析与部分实验机台全新有关，但尚有部分样本特征没有得到实验验证，条件许可时应进一步研究。

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注：本文系文件检验鉴定公安部重点实验室（中国刑警学院）资助课题，项目编号：10KFKT006。