运用反射变换成像技术显现黑色签名字迹书写笔压*

刘宁 江苏警官学院

伪造签名是目前文件检验人员遇到的最具挑战性的难题之一。运用多种方法进行检验，从多种角度利用特征，才能提高签名笔迹鉴定结论的可靠性。笔迹鉴定人员早已意识到并研究证实笔压特征的检验价值，尤其是针对“高仿真”签名笔迹。分析笔迹三维形态中的压痕深浅及其变化节奏是分析笔压的有效途径。但是，对于黑色书写工具形成的签名笔迹（法律文书最为多见），由于人眼的视觉特性，检验人员对黑色墨迹中的明暗变化敏感度低，不易准确辨析和利用笔压特征。为了去除墨色干扰，抽取笔压特征，我们曾实验研究和比较了多种方法，通过侧光红外影像法、静电压痕显现法、显微图像三维重建法和激光共聚焦扫描显微镜法将笔压形态突显出来[1]。这些方法各有局限，不能满足文件检验实践的需求。激光共聚焦法、显微图像三维重建以及类似的方法，利用所获得的微观高度数据能够重建真实三维，但是它们系统内将高度数据可视化的算法有待改善，而且由于视场受限，需要长时间采集和拼接过程才能将完整签名或单字整合到一张图片中。

对于彩色油墨的字迹，一般侧光观察较易分析压痕深浅，或者使用红外滤镜可以去除彩色墨迹显现投影形成的压痕立体形态。但是，多数黑色墨迹无法用红外影像和现有文件检验手段来实现去色的目的，本研究尝试采用计算摄影方法（Computational Photographic）中的反射变换成像技术（Reflectance Transformation Imaging，简称RTI）来显现黑色签名笔迹的笔压特征。

一、反射变换成像技术

反射变换成像技术由惠普（Hewlett-Packard）实验室的研究人员Tom Malzbend和Dan Gelb发明，2001年首次发布其研究成果，并将此方法命名为多项式纹理映射（Polynomial Texture Mapping，简称PTM）技术[2]。此后，反射变换成像技术在国际研究团队十几年来的开发下不断改善[3]，目前已广泛应用于文物研究领域，也在国外法庭科学领域有了一定的运用，如提取足迹、轮胎痕迹和显现潜在书写压痕文字等[4-5]。

反射变换成像技术是一种数字图像技术，它基于数字摄影和表面反射成像模型（Lambertian模型和Phone模型），通过记录和处理被摄物体的颜色信息和表面纹理信息，获得的影像比单张摄影图像信息丰富，适用于非透明、非金属、表面漫反射的物体。传统意义上，摄影图像通过光与投影来反映立体形态，每个像素值记录颜色（灰度）信息。与传统摄影不同，反射变换影像（下文简称RTI影像）的每一个像素不仅记录物体颜色信息，还记载物体表面法向量信息。Adobe Photoshop等图像处理软件可以运用数学变换来增强图像中像素和像素间的对比度、锐度、色调等，而RTI技术不仅处理图像像素的RGB颜色信息，也对表面法向量进行数学变换，两者可以一同处理，也可以分别进行处理。

通俗地讲，运用此技术的基本方法是首先需要固定拍摄相机和被摄物，在多个不同入射角度的光源下拍摄一系列数字图像，画面中包含被摄物与一个或两个反光球；然后，经过相关软件（RTIbuilder及PTM相关软件）处理，已知系列图像中同一个像素在不同光照角度下的不同灰度值等数据，可以计算出该像素作为顶点时的切平面，软件从光滑反光球表面的高光点获得每张图像的光源方向数据，进而计算出垂直于其切平面的法向量；最后，将法向量数据和RGB颜色信息一起存储在该像素中，创建RTI文件。利用RTIviewer观看软件处理RTI文件，可以实现有利于研究被摄物表面性状的多种功能。通过实验，笔者认为其中两个功能在签名笔压特征显现中最为有用，分别是：（1）镜面反光增强。交互式展示被摄物在光源不同入射角度照射下的反射光形态；（2）法向量可视化。显示被摄物除去颜色信息的三维立体形态。

二、实验材料和方法

（一）实验样本制作

笔者分别使用黑色中性笔（Gel Pen，胶性墨）、黑色滚珠笔（Roller Pen，水基墨）、蓝色圆珠笔（Ballpoint Pen，油性墨）、小楷毛笔和无墨滚珠笔在同一张A4打印纸上正常书写自己的签名。书写纸下衬垫物有两种情况：手机光滑触摸屏和一叠打印纸。一共制作了十个签名作为实验样本。

（二）实验设备

1. 硬件：Canon EOS 700D相机（1800万像素）、Canon微距镜头EF-S（60mm）、文件翻拍架、自制光源定位架（穹顶状）、直径3mm黑色陶瓷珠、手机内置LED光源。

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

（三）实验方法

将相机固定在翻拍架上，镜头向下垂直于被摄物平面，相机连接电脑，使用EOS Utility软件控制相机操作。相机与被摄物之间安置穹顶状光源定位架。LED光源持续点亮，分别从光源定位架的48个光位照射被摄签名笔迹。穹顶光位射出的光线与被摄物平面的夹角在大约10°至64°之间。每个光位拍摄一张RAW格式的图片，共48张图片为一个数据组，供合成一个签名的RTI影像所用。使用Adobe Photoshop CS6软件将RAW格式图片转换为DNG格式（保留元数据），再转为JPEG格式（最高质量），导入RTIbuilder软件合成RTI影像。在RTIviewer软件中观察和处理影像，在“镜面反光增强”（Specular Enhancement）模式下移动虚拟光源按钮来观察最佳立体效果，并通过“法向量可视化”（Normal Visualization）模式合成表面三维图像。

三、实验结果与讨论

（一）表面法向量的可视化影像对签名笔迹检验的作用

1. 法向量可视化重建签名笔压的三维形态

法向量是空间解析几何的一个概念。一个平面的法向量垂直于该平面的矢量，因此，平面法向量可以表征这个平面的朝向。RTI技术利用一组不同光照角度下获得的图像数据计算出每一个像素的表面法向量数据，通过RTIViewer软件中的法向量可视化模式，将每个像素的法向量进行伪彩色渲染，创建一幅描绘表面三维形态的影像。这种伪彩色渲染是将每个像素上法向量的X、Y和Z轴分量分别用红、绿、蓝色显示，构成特定的颜色来代表每个像素的表面朝向。它是基于摄影的三维重建，能够准确再现纸张上压痕的真实三维形态。图1并列了单张侧光图片与RTI法向量可视化影像，通过比较可见两者对笔压三维形态的展示情况。单张侧光拍摄图像的光源方向单一，不能显示各个方向笔划的立体形态，而且投影可能掩盖重要信息。反射变换成像技术克服了这些局限，并能够细致、清晰地展现出物体表面结构和细节。

2. 去除黑色墨迹，突出笔痕质地纹理

图1中可见，RTI技术不仅提取出表面三维形态，还能够完全排除黑色墨迹的干扰，而现有文件检验的方法和设备均难以去除碳素墨迹。去除颜色信息，尤其是人眼不敏感的黑色，能够使物体表面质地纹理突显出来。由于不同物理特性的物质对光的反射率不同，RTI影像捕捉到的反射特性可以突出物质表面质地。因此，油基、水基和胶性油墨的笔痕在去除黑色墨迹后，呈现出的不同质地感有助于判断墨水特性（如图2）。图3展示只有墨色没有压痕的毛笔笔痕和只有压痕无油墨的滚珠笔笔痕的法向量影像。RTI技术展示的这种质地感从未被文件检验领域的其他方法呈现过。根据拍摄的分辨率高低和放大倍数，RTI影像可以反映和突出被摄物不同程度的微观细节。

3. 法向量计算误差

表面法向量是根据摄影捕捉到的数据通过算法计算出来的，因此可能会存在误差。影响法向量数据准确性的因素有：系列照片是否配准、被摄物是否聚焦清晰、被摄物表面的高光和投影、拍摄系列照片布光的均匀程度、光位计算的准确性和计算法向量所用的算法等等。制作RTI影像时应该尽可能减少上述因素的影响。辨别是否有计算误差所造成伪彩色影像失真，可以借助RTIViewer的镜面反射增强模式观察原始摄影图片，通过比较来检查法向量影像是否准确还原表面三维形态。

（二）镜面反射增强模式突出高光和投影来描绘表面三维结构

RTIViewer软件中另一个对笔迹检验有价值的功能是镜面反射增强。调节该软件用户界面的虚拟光源按钮时，图片窗口相应展示出不同入射光下同一签名的影像，模拟活动影像或实时观察方式。当选择镜面反射增强模式时，调整一定的参数，可以增强镜面反射光效果。不同物质具有不同程度的镜面反光，RTI技术运用某算法将来自物体表面的散射RGB彩色数据和镜面反光数据分割开，可以一并处理，也可以分别处理。当“散射色彩”（Diffuse color）参数调至0，“镜面反射”（Specularity）参数调至100时，增强的图像（如图4下图）只反映物体的镜面反光影像。此模式下的不同处理会获得不同的效果，适合于不同的需要。

四、结论

伪装签名笔迹检验，尤其是高仿真摹仿签名的识别，需要充分利用个人的笔压习惯。然而，比较和把握笔压特征的前提是有效、准确的笔压特征显现。无需高端设备，使用常规的相机和光源，RTI技术能够细致丰富地描绘物体的真实表面纹理，能够用于提取签名笔迹的笔压特征，尤其是黑色油墨形成字迹的笔压的显现效果是其它方法不可替代的，它为解决签名笔迹检验难题提供了一个有利手段。博物馆考古学和文物研究领域的运用已证实RTI技术是发现和记录绘画作品变化的有效工具。然而，RTI技术在文件检验乃至痕迹物证鉴定领域的运用有待进一步实践与开发。

[1] 刘宁,裴雷,吴亦. 签名笔迹笔压特征显现方法的比较研究[J].中国司法鉴定,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.