李震

（中国刑警学院 辽宁 沈阳 110035）

签名笔迹笔力特征量化分析模型的构建

李震

（中国刑警学院 辽宁 沈阳 110035）

笔力特征反映书写人书写时用笔的力度，动态展示运笔力度的变化情况。将签名运动过程中笔压的变化规律和签名笔迹静态图像的颜色变化建立数学模型，利用签名笔迹二维静态图像的颜色深浅变化反映签名笔迹的笔力特征的变化，结合计算机技术显示笔迹中各点的相对笔力值。通过大量的实验获取静态签名笔迹颜色变化与笔力变化的数学模型。运用笔力特征的量化分析为专家做出鉴定结论提供客观依据。

签名 笔迹 笔力特征 量化分析

通常的签名笔迹鉴定主要依靠笔迹专家的专门知识和经验进行鉴别和判断。鉴定过程中往往不可避免地包含了主观因素，这些主观因素难于量化，更不易清楚直白地展示出来。由于缺乏足够的、令人信服的量化指标，有时难以做出鉴定结论。开展签名笔迹相关笔迹特征计算机量化的系统研究，是推进笔迹检验技术继续发展的必然要求。其中，笔力特征反映书写人书写时用笔的力度，动态展示运笔力度的变化状态。笔力特征是客观存在的物质现象，是认识笔迹和个人书写习惯的一个重要手段。书写活动在行笔过程中，不是使用单一的执笔力度，而是在起笔、行笔、收笔、连笔过程发生压力的变化。笔力特征需要通过笔画的粗细和墨迹的浓淡分布状况来进行分析。不同人在签名过程中运笔的速度和压力各不相同，这些特点虽然表现轻微，不易察觉，但却能较好的反映个人书写习惯。

1 量化分析模型的总体设计

签名笔迹是书写运动的轨迹，它的运动不仅仅局限于二维空间，也不是匀速运动，它是一个立体、动态的形象。联机书写时通过书写板可以获取动态的笔迹信息，除了我们通常能看到的二维图像外，还可能包括下笔时的压力，即用笔轻重及其变化的规律。但是对于脱机笔迹鉴别时，我们所能获得的仅仅是书写笔迹的二维图像，而且还不等同于书写运动的轨迹。将签名运动过程中笔压的变化规律和签名笔迹静态图像的颜色变化建立相关函数联系，利用签名笔迹二维静态图像的颜色深浅变化反映签名笔迹的笔力特征变化的情况，并结合计算机技术显示笔迹中各点的相对笔力值。将二维签名图像256色位图转换成灰度图，将利用每个像素的RGB分量计算每种颜色的对应灰度值，Y即是亮度，也就是图像的灰度值。

由于人眼对灰度微弱递变的敏感程度远远小于对色彩变化的敏感程度。人眼能分辨的灰度级介于十几级到二十几级之间，而对不同亮度和色调的彩色分辨能力可达到灰度分辨能力的百倍以上。利用人体视觉系统的这一特性，再将灰度图像转化成彩色图像或改变已有的色彩分布，将会极大改善图像的可分辨性。因此将一幅灰度图按照特定的彩色编码表进行彩色变换，这样就可以看到图像更加精细的结构。通过多次实验确定适当的颜色函数，利用颜色函数将灰度图像中各个象素的灰度值变换成不同的颜色，将本不清晰的笔力变化情况变得更加清楚，辅助鉴定人通过变换的签名笔迹图像判断笔力特征变化情况，为识别签名摹仿提供强有力的科学依据。

2 笔力特征量化分析软件的设计

2.1 软件开发平台选择

基于对签名笔迹笔力特征量化分析软件的结构分析，以Windows XP为操作系统平台，使用Visual Studio.NET作为系统开发工具，采用较为流行的C#编写软件系统。C#是一种安全的、稳定的、简单的，由C和C++衍生出来的面向对象的编程语言。它在继承C和C++强大功能的同时去掉了一些它们的复杂特性。C#综合了VB简单的可视化操作和C++的高运行效率，并充分考虑到系统的易用性，可靠性和灵活性。

2.2 系统分析

本系统中，笔力特征的量化分析由图像导入、灰度直方图分析、图像处理、笔力特征颜色设置和笔力特征量化分析五部分组成。其工作流程为：导入图片→观察分析检材样本的灰度直方图→检材样本图像处理→笔力特征颜色设置→笔力特征量化分析。

（1）导入图片。鉴定人分别将检材和样本图片选入至系统中，可采用一份检材对一份样本的形式，也可采用一份检材对多份样本。

（2）灰度直方图分析。灰度直方图是灰度级的函数，它表示图像中具有某种灰度级的像素的个数，反映了图像中某种灰度出现的频率。如果将图像中的灰度级别看成是一个随机变量，则其分布情况就反映了图像的统计特性。分别对检材图片和样本图片进行灰度直方图分析，了解其灰度值域范围及主要像素分布情况，以此为下一步笔力特征颜色设置提供理论依据和实践基础。

（3）图片处理。将检材和样本的彩色图片，利用公式（1）分别进行灰度化，使彩色图片转化成二维灰度图片。

（4）笔力特征颜色设置。选取适当的颜色或色彩函数是该模型的技术关键，在灰度直方图分析的基础上需要通过多次实验确定适当的颜色函数，对每一段灰度值进行色彩转换。

（5）笔力特征量化分析。利用选取的颜色函数分别对检材和样本的灰度图片进行伪彩色变换，将检材和样本的灰度图片转换成颜色函数控制的彩色图片，检材与样本图片中笔画间的色彩使原本不易于观察的签名笔力变化更加明显。

2.3 模块化程序设计

本系统所涉及的信息量大，数量多，所以应采用模块化程序设计思想。本系统从功能实现角度可划分为以下几个模块：

（1）图像导入保存模块。图像导入使用OpenFile Dialog控件调用FileStream类将图片二进制流读入图片框中。部分程序代码如下:

图像保存使用SaveFileDialog控件存储为具体的图片格式。默认保存为BMP文件、Gif文件、JPEG文件和PNG文件。程序代码如下:

（2）对象控制模块。对象控制模块将检材和样本图片分别读取到对应的图片框中，通过逻辑控制语句判断引用对象，是整个软件系统中控制中枢，以下各模块运行时，必须首先通过对象控制模块确定运行对象是检材签名图片还是样本签名图片。

（3）灰度直方图模块。灰度直方图模块在系统中用来显示检材或样本签名图片的灰度范围，根据实际观察的灰度范围再进行进一步的判断，分别了解检材和样本签名图片灰度峰值及峰值范围，为笔力特征颜色设置选择正确的色彩变换阈值（如图1所示）。

图1 检材签名图片的灰度直方图

（4）笔力特征颜色设置模块。笔力特征设置是本软件模型的核心模块，需要根据检材和样本签名灰度直方图显示的灰度阈值，确定色彩设置的起始范围和区间，通过多次反复调校达到较为理想的显示效果（如图2所示）。

（5）图片灰度化模块。针对彩色图片，需要对其进行灰度化，利用公式（1），将其在图片中灰度化。

（6）笔力特征量化分析模块。利用笔力特征颜色设置模块设置的色彩函数，将检材和样本的灰度图进行伪彩色函数变换，整个签名的运笔细节显示出不同的颜色，从而为鉴定人判断检材签名是否存在“形快实慢、抖动弯曲、停笔另起、笔力平缓”等摹仿笔迹特点起到明显的辅助作用（如图3所示）。

图2 笔力特征颜色设置界面

图3 笔力特征量化分析模块的功能

3 讨论

开发签名笔迹笔力特征分析系统可以利用计算机对签名笔迹的鉴定起到辅助作用，利用此系统可以对静态二维图像即涉案的签名笔迹的检材和样本的笔力分布情况进行计算机模拟显示，并记录笔迹上各像素点的压力值。本系统对摹仿签名的形快实慢、中途停顿、修饰重描和笔力平缓四个特点反映更加明显，摹仿签名中发生这四处反常迹象的笔力分布与样本不尽相同，这为判断签名是否摹仿提供有力的参考。甚至即使针对难度较高的忆摹签名和练习摹仿签名的检验工作中，使用该系统也可提高鉴定准确率。

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（责任编辑：于 萍）

TP309

A

2014-1-12

公安部应用创新计划项目（编号：2013YYCXXJXY107）。

李震（1980-），男，辽宁沈阳人，中国刑警学院文件检验系讲师，硕士，主要从事文件检验相关研究。