基于文件三维扫描建模的书写笔画交叉时序研究

雷曜鸣 李 彪 王长亮

（1.中国刑事警察学院，辽宁 沈阳 110035；2.上海市刑事科学技术研究院，上海 200083）

社会经济快速稳步增长，涉及合同、欠条等违法犯罪活动越发猖獗，鉴定合同、欠条的真实性、原始性，是否存在添改行为是侦破此类案件的关键因素，是确定案件性质，认定作案人的有力证据。判定笔画交叉时序作为文件检验的一部分，是判定文件是否存在变造的重要方法之一。一份规范的书写文件其书写顺序应是先上后下，自左至右，如有顺序反常行为，存在添改伪造事实的可能性较大[1]。

目前常用的书写笔画交叉时序的判定方法主要有三类：一是利用显微镜进行显微观察，根据交叉部位的表观特征和压痕特征判定书写先后顺序。二是利用光学手段对交叉部位进行检验，不同品牌型号书写笔的油墨组成成分不同，根据不同物质在光照下呈现不同特征判别交叉顺序。三是利用超景深显微镜、圆锥全息术以及立体显微镜和计算机处理软件相结合等手段，通过还原笔画交叉部位三维信息判定笔画交叉顺序。上述常见的笔画交叉时序的判定方法会受到主客观因素干扰而影响判定效果，利用显微观察根据表观特征判定笔画交叉顺序时，会受到鉴定人主观因素，以及表观特征明显程度等因素影响；利用光学手段进行判定时，无法判定同种书写笔画交叉部位先后顺序；对笔画交叉部位进行三维还原，会受到实验方法以及仪器的影响，导致笔画交叉部位三维特征不明显、操作过于繁琐以及无法广泛使用该技术等问题。

由于三维信息具有直观、精确等优势，可有效消除鉴定人的主观因素影响，因此利用三维信息判定笔画交叉时序具有很好的研究价值和应用前景。三维扫描建模技术能够快速准确获取笔画交叉部位的微观三维信息，并可有效解决目前常见的利用三维信息判定笔画交叉先后时序时的三维效果不明显以及操作繁琐等劣势问题。

一、实验原理

三维扫描建模是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，以获得物体表面的空间坐标或者立体图像。三维扫描建模技术作为一种高速度、高精度获取被测物体表面的三维坐标的新技术，近年来有着长足的发展和广泛的应用。三维激光扫描技术的出现克服了传统单点测量的局限性，是对立体物体进行无接触扫描，同时将立体世界的信息转换为计算机可以处理的数据的全新测量方法[2]。

字迹是由书写人的书写压力作用于纸张，使书写工具笔尖附着的色料转移到书写介质上形成的，并且字迹笔画作用于纸张的部位存在潜在的压痕，这些压痕联合附着的色料厚度，共同产生了一定的凹下痕迹[3]。同时，两个笔画相互交叉时，后书写的笔画会在书写压力的作用下将先书写的笔画截断，并且在交叉部位形成无法用肉眼直接察觉到的三维微观痕迹，需使用具有三维探测功能的相关技术设备才能够将笔力压痕完全显现出来。三维扫描建模技术可以将三维微观立体痕迹扫描出来，采用三维扫描建模系统对笔画的交叉部位进行扫描成像，并对采集到的图像进行测量、伪彩色处理等相关操作，根据伪彩色图像以及相关测量结果即可判定交叉笔画的书写先后时序。

二、实验部分

（一）实验仪器

三维扫描建模系统：由捷克共和国制造的扫描仪和Lucia Forensic软件组成。此系统的扫描仪配备精确的电动载物台、8段LED光源、线激光器，并特别开发的远心光学镜头和降噪CCD相机，通过Lucia Forensic软件的实时控制可以对XYZ三维层面的微观痕迹进行精确扫描，并呈现出清晰、完整的三维图像。同时Lucia Forensic软件具有多种测量和图像处理功能，可以对扫描得到的三维图像进行处理和测量，使显像效果更加清晰。

（二）实验材料

实验所用书写工具见表1。实验所用纸张见表2。

表1 实验所用书写笔

表2 实验所需载体纸张

（三）实验样本制作

书写过程受制于书写人的大脑，因此不同人具有不相同的书写习惯，同时书写环境复杂性也会对书写过程产生影响。因此，实验需要对书写交叉笔画的影响因素进行综合分析。实验考虑的影响因素主要有书写压力、书写载体、间隔时间、油墨色料颜色和墨水极性。

在充分考虑压力、间隔时间、载体纸张种类等各种影响因素的基础上，利用表1和表2的书写工具和纸张，共制作笔画交叉样本25份。具体见表3。

表3 样本具体信息

三、实验结果与讨论

根据实验要求对制作的样本进行扫描成像分析，研究主要根据伪彩色处理图像和Z-轴剖线走势曲线判定交叉笔画书写先后时序。根据伪彩色处理图像，可以很清晰观察到后书写的笔画呈现连续性并将先书写的笔画截断；根据Z-轴剖线走势曲线进行判定时，需要根据走势曲线形状和变化程度进行综合判定。

（一）油墨颜色的影响

据调查目前使用率较高的书写笔色料颜色主要有蓝色、黑色两种，在手写添加改变文件真实性过程中，几乎没有使用非同种颜色书写笔进行添改伪造，因为非同种颜色色料添加书写特征明显，人眼普通条件下即可观察到明显的差异。因此，同种颜色书写笔添加书写形成的伪造文件是检验的重点和难点。实验选取1号和2号书写笔在A4纸张上书写形成的交叉笔画样本进行扫描成像分析，结果如图1和图2所示。

图1 1号笔样本的扫描成像分析结果图

图2 2号笔样本的扫描成像分析结果图

根据图1和图2可知，对扫描的三维图像进行伪彩色处理时会删除图像原有颜色，蓝色和黑色书写交叉笔画呈现相同的伪彩色特征。根据伪彩色图像可以清晰的观察到后书写的竖笔画将先书写的横笔画截断，呈现出明显的书写先后时序。因此，书写油墨色料颜色对三维扫描建模系统判定书写笔画交叉时序无影响。

（二）墨水极性的影响

墨水极性是指书写笔油墨的水油性状态，据调查目前常用的书写笔种类主要有圆珠笔、中性笔和钢笔，其中钢笔是水性油墨，中性笔是偏油性油墨，圆珠笔是油性油墨。油墨作用于纸张上时会产生洇散现象，并且在书写过程中油墨亦可起到润滑作用，水性油墨对纸张的洇散作用较为严重且润滑效果差，而油性油墨对纸张的洇散作用较小且润滑效果好。实验选取2号和3号书写笔在两种纸张上书写的交叉笔画样本以及4号书写笔在A4纸张上书写的交叉笔画样本进行扫描成像分析，结果如图3—图7所示。

图3 2号笔在A4纸张上样本的伪彩色图和Z轴走势图

图4 2号笔在文章牌纸张上样本的伪彩色图和Z轴走势图

图5 3号笔在A4纸张上样本的伪彩色图和Z轴走势图

图6 3号笔在文章牌纸张上样本的伪彩色图和Z轴走势图

图7 4号笔在A4纸张上样本的伪彩色图和Z轴走势图

由图3-图7可知，圆珠笔和中性笔的书写交叉笔画样本中，后书写的竖笔画将先书写的横笔画截断，钢笔则无明显特征。对扫描后的样本进行Z—轴走势测量，圆珠笔和中性笔交叉笔画样本中，先书写的笔画Z—轴走势曲线呈现明显的“V”字形特征，后书写的笔画Z—轴走势曲线无明显“V”字形特征，或是“V”字形变化幅度较小可以忽略不计甚至近似于直线。因此墨水极性对三维扫描建模判定笔画交叉时序具有一定影响，即油墨为油性的圆珠笔和偏油性的中性笔具有良好的判定效果，而水性油墨的钢笔则明显无效果。

（三）书写载体的影响

字迹是书写压力作用于书写载体纸张时形成的，因此在书写过程中，书写笔笔珠需要克服一定的纸张摩擦阻力。同时，由于书写笔近似于45度角作用于载体纸张，因此会引起纸张变形形成笔痕特征。目前纸张生产厂家众多，不同生产厂家的纸张密度、光滑程度、硬度等方面存在细微差别，因此，相同书写工具处于相同条件下在不同纸张上书写时会受到不同的纸张作用力。实验选取2号和3号书写笔在两常用纸张上书写的样本进行比对检验分析，结果如图4-图7所示。

文章选取的两种书写载体纸张是目前常用的书写纸类型，根据伪彩色图像以及Z轴走势曲线可明显看出同种书写笔分别在两种纸张上形成的笔痕特征无明显差异，具有很好的显现效果，因此可初步排除书写载体纸张种类对三维扫描建模判定书写交叉笔画先后时序的影响。

（四）书写压力的影响

书写过程受制于书写人大脑神经，因此不同人书写习惯具有差异性，这种差异性在书写压力上也有所体现。不同人书写时的握笔力度、书写姿势以及所使用的书写压力会存在差异，这种差异会导致笔珠对纸张作用力不同，形成不同程度的笔痕特征。实验选取2号和3号书写笔在A4纸张上书写形成的压力较轻和压力较重的样本进行比对检验分析，扫描处理结果如图8—图11所示。

图8 2号笔书写压力较轻样本伪彩色图及Z轴走势图

图9 2号笔书写压力较重样本伪彩色图及Z轴走势图

图10 3号笔书写压力较轻样本扫描图及Z轴走势图

图11 3号笔书写压力较重样本伪彩色图及Z轴走势图

根据图8—图11可知，根据笔画交叉部位的伪彩色图像进行先后时序判定时，书写压力轻和书写压力较重不同的情形下伪彩色图像存在一定差异。但总体来说，在笔画交叉部位都呈现为后书写笔画的伪彩色图像呈连续状并且将先书写笔画截断的状态。书写压力较重时笔痕较深，伪彩色图像明显，判定效果最佳；书写压力较轻时，笔痕深度较浅，伪彩色图像也具有良好的效果，但不如书写压力重时明显。根据Z—轴走势测量结果可知，书写压力大时，先书写笔画Z—轴走势曲线呈现明显的“V”字形，后书写笔画Z—轴走势曲线无明显“V”字形，或是“V”字形变化幅度较小甚至近似于直线；书写压力较小时，先书写笔画Z—轴走势曲线也成“V”字形，但变化幅度不如书写压力大时明显，后书写笔画同样无明显“V”字形，或是“V”字形变化幅度较小可以忽略不计甚至近似于直线。因此，书写压力对三维扫描建模判定书写笔画交叉时序具有一定影响，书写压力大时具有非常好的判定效果，根据伪彩色图像以及Z—轴走势曲线可以清晰判定交叉笔画书写先后时序；书写压力小时，也具有良好的判定效果，但效果较书写压力大时相比稍差。

（五）书写间隔时间的影响因素研究

一份正常文件应当是根据书写要求和书写内容进行连贯书写，添加书写伪造的文件中，后添加书写的笔画与原文字笔画应存在一定时间间隔。实验选取样本中A4纸张上2号和3号书写笔交叉笔画间隔时间分别为1天和30天的样本进行比对检验分析，结果如图12—图15所示。

图12 2号笔书写间隔时间为1天样本的伪彩色图和Z轴走势图

图13 2号笔书写间隔时间为30天样本的伪彩色图和Z轴走势图

图14 3号笔书写间隔时间为1天样本的伪彩色图和Z轴走势图

图15 3号笔书写间隔时间为30天样本的伪彩色图和Z轴走势图

根据图12—图15可知，不同间隔时间条件下，样本判定效果都很明显并未存在明显差异。笔画书写完成待笔画油墨干涸以后，书写笔及油墨对纸张的破坏作用基本完成，此时形成的笔痕特征的三维微观痕迹基本固定，随着时间的推移字迹色料中的部分成分会被氧化还原而逐渐消失，三维扫描建模系统对交叉笔画进行伪彩色处理时会删除原有笔画的油墨颜色等因素，只对纸张破坏程度进行检测，因此油墨成分的消失不会对判定效果产生影响。综上所述，书写间隔时间对三维扫描建模判定书写笔画交叉先后时序无影响。

（六）Z—轴深度测量点选取相关问题分析

对上述影响因素分析时，对先书写的笔画的Z—轴深度变化进行测量，无论选取测量点是笔画边缘部位还是笔画中间部位，其曲线均为明显的“V”字形。在对后书写笔画Z—轴深度变化进行测量时，如果选取测量部位为笔画中间部位，Z—轴曲线多呈现为直线型且总体深度数值较小，接近先书写笔画“V”字曲线最低处数值，部分曲线存在波浪变动是由于纸张本身的纸张纤维未被书写笔完全破坏形成的凹凸不平的痕迹。如果选取的测量部位为笔画边缘，Z—轴曲线近似于直线概率较小且数值偏高，接近于先书写笔画曲线最高值；曲线近似于在“V”字形概率较大，如呈现为“V”字形，变化幅度不如先书写笔画的“V”字形曲线明显，且最低值总是高于先书写笔画“V”字曲线的最低值。在对后书写笔画边缘测量时存在“V”字形的原因是由于后书写的笔画作用于交叉部位，将先书写笔画截断时，在先书写笔画内部形成堆积痕迹高度无法达到先书写笔画最高值，因此中间部位会下陷形成近似“V”字形痕迹。

四、结论

三维扫描建模系统判定书写交叉笔画的先后时序具有很好的判定效果，此方法在判定交叉笔画先后顺序时，不受书写色料颜色、书写纸张种类和书写间隔时间的影响，但会受到墨水极性和书写压力的影响。油性油墨的圆珠笔和偏油性油墨的中性笔具有较好的显现效果，水性油墨的钢笔无效果。书写压力大时，判定效果最佳；书写压力小时，也具有良好的判定效果，但显现效果不如书写压力大时明显。

五、应用前景

三维扫描建模系统获取笔画交叉部位三维信息图像具有速度快、清晰程度高等特点，并且，该方法判定书写交叉笔画的交叉先后时序时受到极少因素影响，并具有良好的判定效果。同时，该方法采用笔痕深度走势测量和伪彩色处理相结合的方法，除此之外，还可以测量笔痕相对于纸张表面的具体数据，在一定程度上弥补了目前采用三维信息判定书写笔画交叉先后时序时效果不明显以及获取数据时间长等劣势问题，可以广泛应用于公安实战单位，具有很好的应用前景。