签名笔迹笔压特征显现方法的比较研究

刘 宁，裴 雷，吴 亦

（1.江苏警官学院 公安科技系，江苏 南京211800；2.南京市公安局物证鉴定所，江苏 南京210001；3.江苏省公安厅物证鉴定中心，江苏 南京210024）

1 引言

由于签名笔迹字数少，可利用的特征相对较少，签名笔迹鉴定一直是笔迹检验人员面临的最具挑战性的难题之一。然而，近些年更加令人困扰的是高仿真摹仿签名越来越多见，甚至出现非法代人摹仿签名而从中获利的现象，促使检验人员急需运用更多检验方法和鉴定依据来甄别签名真伪。

国内外笔迹检验技术人员早已意识到正常签名笔迹中的笔压特征具有独特性和稳定性，在签名笔迹鉴定中具有重要价值。为了利用笔压特征来验证数字签名的真伪，许多学者已借助数字笔和写字板（或数字签名板）研究书写时笔压动态特征，通过测量和分析书写时笔的运动学和力学方面数据，尝试实现笔压特征的定量检验[1-3]。但是，此类数字技术的应用不能适用于纸张上墨迹中笔压特征的分析。对于书写在纸张上的签名，现有常规检验手段，如显微镜观察法、侧光观察法等，不能满足对笔压特征的充分利用。一些计算机领域的学者尝试在书写墨迹的二维形态中抽取特征（如墨色深浅和线条宽窄）来分析笔压[4-5]，但墨迹的二维形态中混杂着墨水特性、书写速度等多种因素，此类方法分析笔压时没有去除这些因素。迄今为止，只有少数文献探讨对纸张上笔迹中的笔压特征较为单纯的抽取和分析，如Colin Estabrooks利用激光共聚焦扫描显微镜通过测量签名笔迹压痕的相对深度，证实正常签名笔迹笔压特征稳定且独特，同时证明借助笔压特征能够区分本人正常签名和他人摹仿签名[6]；中文文献报道了一起案件中利用静电压痕仪显现法来检测笔迹压力的尝试[7]。

书写活动之所以被称为运笔，是因为它有别于描画动作中笔尖在纸张上的拖动。汉字硬笔书法规则源自毛笔字的书写规则，硬笔书写的每一个笔划均有起伏变化，绝非火柴棒一般。经过汉字书写训练的人在书写笔划的形态上都会有所表现。人们通常认为书写技能越高的人在这方面的表现力越高，行笔变化越丰富。实现这种表现力的重要技能之一是掌握书写抑压力的变化。个人运笔的提按顿挫一旦形成习惯，便稳定且独特，即使是笔迹检验专家或书法家，经过摹仿训练，也很难摹仿他人的笔压习惯。笔压特征是指个人书写习惯中运笔抑压力动态的行为模式在笔迹中的表现。因此，分析笔压特征需要利用描述个人行为习惯的信息，而不是一系列相互没有关系的压力值。

书写抑压力会造成纸张空间Z轴上局部形变（向下凹陷），因此，目前笔迹检验技术主要通过分析笔迹三维形态中的压痕深度及其变化来分析笔压特征。然而，签名墨迹的三维形态包含了许多混杂在一起的信息，它们反映了书写速度、力度、笔尖特性、墨水特性等等，即使借助显微镜放大，反映笔压特征的深度信息仍不易被分析，导致文件检验人员往往忽略这个重要特征的利用，或者感到难以准确把握笔压特征。为了能够充分利用笔压特征，研究提取笔迹中笔压特征的有效手段成为必要。在中国，通常法律文书只接受黑色书写工具的签名。因此，笔者尝试比较抽取或显现黑色签名笔迹中笔压特征的几种方法。

2 材料与方法

2.1 书写工具

考虑到书写工具是影响正常签名书写的主要因素，本研究需考察不同书写工具下笔压特征的表现。实验材料制备选择了色料为油性、中性和水性，笔尖为硬质和软质的常见书写工具，包括：圆珠笔、中性笔、滚珠笔（水基墨）、钢笔、纤维笔尖笔。实验所用各种书写工具的笔尖形态及其墨迹形态如图1所示。

图1 所用书写工具的笔尖及其墨迹形态

纸张：上海牌薄型复写纸（型号113，单面黑色）；金旗舰A4复印纸（70g）

2.2 样品制备过程

2名实验人员分别使用多种笔进行多份正常签名书写，其中一位的签名属于笔压起伏变化较为丰富的签名（书写人具有书法功底，见图2），另一位的签名相对简单（见图3）。这些签名字迹也在研究笔压的辅助实验——摹仿签名实验中作为被摹仿对象。为获取高仿真签名的实验材料，2名书法爱好者和4名文件检验人员作为摹仿者参与了摹仿签名实验。他们均分别使用上述相同的书写工具，经过反复练习后进行摹仿。所有实验笔迹均书写在特殊设计的承受物上：一张薄型复写纸夹在两张上下重叠的A4复印纸中间。书写人在第一张纸上签名，在第二张纸上形成复写字迹。假设复写字迹主要反映的是书写时笔尖与纸张的接触面和书写压力，实验采集的复写字迹是为了提取笔压特征，作为其他显现方法所形成影像的参照物而有意收集的。

图2 实验中裴雷签名墨迹与其复写字迹的比较

图3 实验中简单签名与其高仿真摹仿签名之间笔压特征的比较

2.3 仪器与条件

在本研究中，为了将笔压特征脱离其他特征而显现出来，通过实验考察了多种显现方法。

（1）体视显微镜下侧光观察法。实验设备：Discover V12 视频显微镜系统，KL 2500 LCD 光源（Zeiss）；实验条件：放大倍数8X。

（2）侧光红外影像法。 实验设备：VCS-6000（Foster&Freeman）；实验条件：光源-侧光，截止滤色镜-830，放大倍数-13X。

（3）静电压痕显现法。实验设备：Docustat DS-220（Projectina）；实验条件：滚珠显现方式。美国AGSCO公司特制超细玻璃珠（直径：180-250 μm），加湿箱湿度为68%RH。

（4）显微图像三维重建法。实验设备：DSX500视频显微镜系统（Olympus）；实验条件：50X物镜。

（5）激光共聚焦扫描显微镜法。实验设备：LEXT OLS4000视频显微镜系统（Olymbus）；实验条件：20X物镜。

2.4 方法

（1）显现方法：体视显微镜下侧光观察法；侧光红外影像法；静电压痕显现法；显微图像三维重建法；激光共聚焦扫描显微镜法；（2）利用上述方法抽取并记录实验签名笔迹的笔压特征；（3）将复写纸获得的笔压特征影像与上述各种方法获得的书写压痕影像进行比较分析。

3 讨论

3．1 复写字迹作为实验条件下提取笔压特征的手段

3.1.1 复写字迹中可见书写工具不同造成个人笔压特征的反映有所变化

实验发现使用的纤维笔尖笔几乎不留复写字迹，无论书写抑压力如何，软笔尖很少造成纸张向下局部形变。钢笔的复写字迹最为浅淡，水性墨水的签字笔比中性笔和圆珠笔形成的复写字迹较浅。这是因为硬笔书写时抑压力的控制主要与所需克服的摩擦力大小有关。硬笔的着墨笔尖在纸张上运行时，摩擦力大小受到纸张光滑度和墨水特性的影响。实验用纸种类一致，可以排除纸张的影响因素，而墨水粘稠性对笔压形成的影响较为显著。圆珠笔使用油性墨，在纸张上移动时摩擦力较大，书写时需要较大的力量来克服，中性笔次之。如果使用水性墨水，同样是金属笔尖（如钢笔），摩擦力便较小；加上书写者的视觉监督防止墨水过分洇散，墨水下水量较大时，较轻的压力足以形成笔迹，因此不易留下压痕。但是，如果墨水下水不畅，一般人会施加较大力度进行书写。

未留下凹痕或凹痕很浅的签名笔压特征的提取不适用本研究的显现方法。

实验中尽管各种笔形成的复写字迹深浅有所不同，但是这种差异只是整体上较深或较浅，所反映的个人签名运笔动态、压力分布和节奏没有因书写工具不同而改变。

3.1.2 签名墨迹与其复写字迹的线条宽窄、墨色深浅方面的对应比较

以往文件检验人员通过放大观察墨迹中笔划线条宽窄的变化来判断笔压的大小变化。但是，笔划宽度及其变化、墨色深浅（包括漏白）等二维形态与许多因素相关，除了笔压，还包括书写工具出墨量的多少、墨水在纸张上的渗透作用、书写摩擦力的大小、书写速度的快慢等。

比较结果表明，签名墨迹与其复写字迹对应线条的宽窄深浅不相一致（见图2）。值得注意的是，复写字迹中笔划线条宽窄变化较为显著。笔者认为，这是因为笔尖与纸张接触面大小决定了线条宽窄，排除侧锋书写方式的因素，笔压大小与硬笔尖接触纸张的面积大小成正比。复写样本能够通过字迹线条宽窄变化和着色深浅较为清晰而单纯地反映笔压特征。

3.1.3 突显笔压特征的复写字迹

笔者通过复写字迹所反映的笔压特征，从四个方面考察了笔压特征的特点和稳定性，它们分别是：（1）分布于整个签名的运笔轻重习惯；（2）分布于单字或偏旁中的运笔轻重分布特点；（3）连笔动作中运笔轻重力度的分布和节奏；（4）单个笔划中运笔力度变化特点。

实验中高水平摹仿者在摹仿签名时刻意注重运笔力度变化，尽可能使摹仿字迹自然流利，不留笔划生涩、抖动等现象。裸眼不易辨识被摹仿签名与摹仿签名墨迹上的笔压特征差异，而两者在复写字迹上笔压特征差异清晰可辨。即使是针对笔压变化不大的简单型签名，也是如此（见图3）。

由此可见，个人签名笔压特征既稳定且独特，可以反映在笔迹中。然而，仅仅分析笔迹的二维形态特点，多重混杂的信息将干扰笔压特征的利用。签名笔迹检验中对其充分利用的前提是笔压特征的完整清晰显现。本文重点探讨笔压特征显现的方法，对于个人签名笔压特征的独特性和稳定性在此不做过多赘述。

3.2 显现笔压特征方法的优缺点

3.2.1 体视显微镜侧光观察法

目前最常见的笔压特征分析方法是在体视显微镜下侧光观察。侧光光源是通过形成立体凹痕的光与影来突出压痕，因此单方向的侧光效果最好。组成汉字的诸多笔划的方向却是多样的，单方向侧光的弊病在于无法同时显现各个方向的笔划压痕的深浅。如果拍摄整个签名，放大倍数较低，不足以显示细节，加上侧光投射方向单一，单幅影像不能充分反映笔压特征（见图4-B）。利用较大的放大倍数，同时按照笔划线条的方向调整侧光光源的投射方向，能够帮助分析单个笔划中的运笔压力分布，但是这些支离破碎的印象很难形成对偏旁、单字和整个签名上笔压分布情况的分析，通过与复写字迹比较，其弱点较为突出（见图4）。

图4 体视显微镜下字迹的侧光影像与其墨迹扫描图像和复写字迹比较

另一问题在于，体视显微镜下侧光观察压痕时，无法排除墨色干扰。实验中使用的黑色墨水有3种：油性墨、水性墨和中性墨。圆珠笔形成的墨迹条痕明显，中性笔墨迹线条有漏白和挤墨现象，水性笔墨色均匀，笔划边缘有洇散。由于墨水特性不同，对于在体视显微镜下侧光观察书写压痕的干扰也有所不同。

3.2.2 侧光红外影像显现法

去除墨色干扰的方法之一是利用红外线摄影。一些黑色书写墨水，尤其是染料墨水，具有反射或透过红外线的性能。因此，其红外影像中墨迹变得无色。结合文件检验仪中的侧光光源和红外滤光镜，可以便捷地获取签名墨迹的红外影像，从而达到去除墨色而显现笔迹压痕的目的。一些实验样品的墨迹在红外影像中变得无色，突显整个签名中的压痕，但侧光红外影像法不适用于吸收红外线的黑色墨迹。

文件检验仪采集的侧光红外影像的视场较体视显微镜大，可以观察整个签名，有效去除墨色干扰。如果没有文件检验仪，侧光光源下进行红外摄影可以获得同样的效果。但是，两种设备都存在共同的缺陷：没有改善体视显微镜下光源的方向单一的问题。图5中可见文件检验仪的两个侧光光源各自形成的影像有所差异，尤其是圆弧形笔划中的压痕。按照一些笔划的方向适当调整侧光投射方向，获得多幅图片，应该可以帮助较准确地分析签名笔压。红外影像法在显现单字、偏旁和笔划之间的笔压变化方面均具有优势。红外压痕影像与复写字迹比较，可见两者所反映的笔压特征基本一致。

图5 同一签名在文件检验仪两个侧光下获得的红外影像的比较（箭头指出不同之处）

本文重点研究显现黑色墨迹的另一个原因是：常见的蓝色墨水或油墨的颜色较浅，肉眼易于分辨其变化，而人眼对黑色的色彩分辨力较差。再者，彩色墨迹大多对红外线反射或透过，侧光红外影像法基本能够解决显现压痕问题。显现吸收红外线的黑色墨迹中的压痕就需要更多的方法来实现。

3.2.3 静电压痕仪显现法

静电压痕仪显现实验是对签名墨迹所在的纸张背面进行压痕显现，获得的影像只反映压痕的凸凹，没有墨色的干扰。对于无法在红外摄影中去除墨色的黑色签名笔迹，不失为一个可取的显现方法。为了克服静电压痕影像分辨率不高的问题，本研究采用超细玻璃珠为显影粉的载体，同时，较为严格地控制纸张湿度，获得的显现效果较好。静电压痕影像中笔划线条的宽窄深浅能够反映整个签名、单字、偏旁、笔划各方面的运笔压力分布，与复写字迹中反映的笔压特征基本一致（见图6）。此法缺陷在于一方面静电压痕仪显现对纸张的湿度要求较为苛刻，另一方面，如签名部位纸张上存在其他压痕或汗液指纹等干扰，或者显影不均匀等情况，笔压特征的分析将受到不利影响。

图6 静电压痕仪显现图像与复写字迹中签名笔压特征的比较

3.2.4 显微图像三维重建法

更加精确的压痕显现需要放大倍数较高的显微镜来实现。视频金相显微镜系统已能够通过图像处理软件的景深扩展和自动拼接功能，实现高倍放大且高分辨率，并克服视场小且景深小的问题。本研究中利用了这样的现代显微镜系统进行了显微图像的三维重建来显现签名笔迹的三维形态。显微镜自带软件可以动态显示签名笔迹的可视化三维数据。图7是分析这种三维重建图像时的截屏图片。此类三维重建图像的制作过程为：先Z轴上自动连续、等步进聚焦拍摄一组显微照片，利用每张图像焦点的高度信息重建三维图像；然后XY轴平移拍摄这样的多组照片自动拼接合成一张视场较大的三维图像（见图7-B）。

此法优势在于清晰描绘签名笔迹的真实立体形态，适合显现和分析单一笔划、连笔动作、偏旁等局部的笔压特征。缺点是设备较为昂贵，拍摄时间较长，影像中墨色干扰仍然存在。

图7 用显微图像三维重建法分析部首“非”时的截屏图像

3.2.5 激光共聚焦扫描显微镜法

要获得签名墨迹的高清晰度三维图像同时去除墨色，本研究尝试利用了激光共聚焦扫描显微镜。它是显微镜利用共轭聚焦原理和装置，采用激光作为光源逐点扫描物体表面，并通过电子摄像和数字化手段生成图像。激光共聚焦扫描显微镜图像获取的是物体表面不同高度层面的信息，而不是颜色信息。其影像反映纸上墨迹的三维表面性状，也是精确定量分析压痕深度的一种方法。但更重要的是，激光共聚焦扫描显微镜系统通过数字处理可以将压痕深度信息进行可视化显示，准确展现压痕深浅的分布状况，可供笔迹检验人员分析利用笔压特征。图8-B是将激光共聚焦扫描显微镜所获得的部首“非”处纸张的高度信息转化为灰度信息来显示的图像，即用灰度值的明暗对应纸张上高度值的大小，直观显示高度信息。可见，它能够精确显现签名中笔划、偏旁的压痕深浅分布，与复写字迹的笔压特征表现一致（见图8）。图像没有颜色信息，达到去除笔迹墨色干扰的目的。

尽管新型激光共聚焦扫描显微镜结合高速扫描机构和处理软件，可以扩大其视场直至整个字的范围，但耗费的时间较长。此外，由于仪器设备较为高端，此法不易普及。

图8 部首“非”的墨迹及其激光共聚焦图像与其复写字迹

4 结论

经过对上述设备所获得的显现结果进行比较，实验表明五种方法在展现笔压特征上各有优缺点。体视显微镜加配侧光光源可借助光与投影呈现压痕，但由于光源方向的限制，不同行笔方向的笔划压痕无法同时全部展示，而且笔迹墨色影响了笔压特征的分析利用。侧光红外摄影图像可以克服墨色的干扰，但光源方向单一的问题仍然存在。静电压痕显现影像尽管分辨率较低，但通过线条宽度和颜色深浅的变化能够轻易显示签名各方面的笔压特征。更高清晰度的显现就需要高分辨率显微镜。配上电动平台和图像处理软件，视频金相显微镜可以捕捉多幅显微照片，并进行三维重建，展现签名笔迹中局部的笔压特征，但是墨迹颜色无法去除。激光共聚焦扫描显微镜图像及其准确测量数据提供笔迹的三维表面性状，克服了墨水颜色的干扰。笔者认为，文件检验人员应该尽可能利用多种可利用的设备，扬长避短，才能确保签名笔压特征的客观准确的分析和利用，从而为笔迹鉴定提供可靠的依据。

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