顯微三維測量系統在文件檢測的應用研究

宋昌江，何 艷，姜 洋

(1.黑龍江省科學院自動化研究所重點實驗室，哈爾濱150090; 2.黑龍江省科學院高技術研究院，哈爾濱150020)

文檢［1］，又稱文書檢驗、文件檢驗。它是一種刑事偵查技術，同時又是一種司法鑒定手段。文檢運用同一認定的原理，采用分別檢驗、比較檢驗、綜合評斷的方法對犯罪嫌疑人的檢材與供檢樣本的比對，以確定犯罪嫌疑人是否作案，是否要進行定罪量刑，以達到打擊犯罪，保護人民生命和財產安全的目的。如果文檢鑒定結論錯誤，可能會放縱罪犯，使違法犯罪者逍遙法外，或者冤枉好人，影響司法公正，給國家、集體利益和公民的名譽、財產造成損害。所以文檢技術的研究有著十分重要的意義［2-3］。

自20世紀90年代興起基于計算機視覺技術的物體表面數字化技術至今，該項技術已經應用到多種行業并逐步改變著人們的生活［4］。它能夠建立圖像與真實世界的聯系，精確地測量和還原被測物體的三維立體形貌信息，是光學技術、電子計算機技術和信息技術等技術的融合，是未來信息化、智能化發展的關鍵技術［5］。

本文運用計算機視覺技術，精確地獲取待測文檢的三維信息，即點云數據，通過對點云的鑒定、甄別，進而實現文檢鑒定。由于三維數據具有空間不變性，更適應與多樣本比較，更有助于鑒定的準確性。精確的定量測量，不僅滿足于目前文檢鑒定手段，更能夠為未來文檢鑒定提供有效的數據材料。

1 系統研究

1.1 結構光原理

結構光的基本原理是我們項目的特定模式的光(如光柵，等)對被測物體的表面，然后捕捉到的圖像的對象［6］。與圖像相關的，我們能獲得被測物體的高度。如圖1所示，是結構光成像原理。有一個參考平面的高度是0。光通過光柵投影到物體表面，在空間的位置(x，y)，參考平面上的點的相對高度可計算如下:

P表示參考平面上的投影光的波長。L表示參考平面的攝像機的垂直距離。D表示相機投影距離。φCA表示點C與點A之間的相位差。φCA可以計算如下:

由公式(1)，我們可以知道，結構光成像的關鍵點的相位值。主要有三種方法解決了光柵圖像的相位信息:傅立葉變換的方法，時域卷積濾波和相移。相移是公認的最有效和最可靠的方法。它具有較低的計算復雜度和高(高容量和低容量)防靜電噪聲能力。因此，我們采用相移法計算相位信息。

圖1 結構光成像原理Fig.1 Structured light imaging principle

當一個正弦光柵圖像投影到曲面上，這是由照相機得到的光柵圖像可以表示為:

I'(x，y)是平均灰度圖像，I″(x，y)是灰色的模量，δ是相模。I″(x，y)，δ和φ(x，y)未知的。如果我們想得到它們，我們至少需要三個方程。在我們的實驗中，相位增量，我們可以得到四的圖像，它可以表示為:

φ(x，y)可以從這四個相函數計算:

從式(5)，我們可以看到，所有的相位值落入間隔［-π/2，π/2］。為了獲得一個連續分布的相位值，相位值需要被擴展到［-π，π］。首先，可以根據正弦和余弦值的符號的相位值。然后，我們使用的相位解包裹算法檢索連續相位映射。主要步驟如下:

步驟1:設置T的閾值要比2π少一點，如T=1.8π;

步驟2:從i=0開始，執行步驟(3)，(4)和(5)直到所有的相位值已被訪問;

步驟3:計算相鄰點的相位差:

步驟4:如果|Δy|＜T，那么φ(xi+1，y)=φ(xi+1，y)，否則

步驟5:i=i+1，轉到步驟3。

圖2(a)為例，計算的相位值是不連續的。我們可以看到，利用一個特定的2π區間，將不連續的階段通過以上的步驟得到一個連續的階段，如圖2所示(b)。

圖2 相位和相位解包裹后Fig.2 Phase and phase after unwrapping

1.2 系統組成

利用投影機將一組經由計算機產生的正弦強度光柵條紋投射于文檢樣品表面，利用CCD相機攝取影像，通過相移技術的方法重建被測物體的表面輪廓。如圖3所示，系統主要由計算機、顯微條紋投影儀、CCD單筒顯微鏡。顯微條紋投影儀的投影部分及CCD的光學成像部分均采用可變倍率的鏡頭，這樣便可以適用于不同大小視場的測量工作。

圖3 硬件結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the hardware structure

1.3 系統標定

如果相位測量誤差是不存在的，我們可以得到準確的相位。事實上，由于非線性相移誤差，測量誤差等隨機因素的影響，在得到的結果有誤差由式(4)。為了提高相位測量精度，我們需要校準的系統參數。有三個參數:P，L和D的值需要校準，如圖1所示，在參考平面上的投影光的波長P，從CCD相機中心到參考平面的距離，從CCD攝像頭的中心到中心的距離的投影機。根據三角關系，我們可以得到以下方程:

設x=L，y=2πD/P

從式(9)，我們可以看到，如果h和φcd是已知的，x和y可以計算。所以我們給兩個不同的高度:h1和h2。φcd1和φcd2可以計算采集到的圖像由式(5)。我們可以從兩個方程由式(9)。x和y可解。

2 實驗結果

四步相移加編碼方法和三維傳感技術相結合，即投影儀將計算機產生的正弦強度光柵條紋投射于被測物上，本文系統將投射4幅正弦條紋圖和9幅編碼條紋圖。投射條紋將會因被測物表面的深度變化而產生變形，CCD采集被測物體的位圖，實現被測物體的三維重構。如圖4，用于文件樣本的采集過程。示，由于樣本紙張的褶皺等原因，容易引入誤差，我們通過對紙張采集減少由于紙張引入的誤差的印象，(b)圖為處理后的點云效果，可以直觀觀察獲得結果。

圖4 四步相移工作過程圖Fig.4 Four-step phase shifting process diagram

圖5 朱墨時序檢驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of Zhu Mo test

圖6 疊筆檢驗示意圖Fig.6 Schematic diagram of folding pen test

3 結論

本文中，將相移技術引入顯微測量技術應用之中。通過將條紋投影、CCD采集和視場范圍變化相結合，精確地重構被測物體的三維信息，在1～20 mm視場范圍，最高測量誤差低于1 μm。而能夠達到這些指標的系統，對于文檢研究有著十分重要的意義，能夠有效和準確地還原書寫筆記的三維形貌。最后，對本文系統進行應用性實驗，證明其具有較高的實用性和有效性。

本文是對顯微三維測量系統在文檢工作中的嘗試性應用研究，雖然獲得較好的效果，但還需要不斷深入研究和完善。

在文檢工作中，利用本文所設計的顯微三維測量系統，可有效地使用于朱墨時序檢驗、樣本比對檢驗。如圖5所示，(a)圖為二維圖像，(b)圖為三維點云顯示，從印章印記和書寫筆記在紙面上留下痕跡厚度等信息，可以直觀觀察獲得結果。如圖6所示，為兩個“十”字，左側先寫橫后寫豎，右側為先寫豎后寫橫;(a)圖為未處理的三維點云顯

［1］ 賈玉文，鄒明理.中國刑事科學技術大全(文件檢驗)［M］.北京:中國人民公安大學出版社，2002:1—2.

［2］ 楊旭，施少培，凌敬昆，等.論文件鑒定實驗室標準化建設的關鍵要素［J］.刑警與科技，2006，(3):13—17.

［3］ 杜志淳，宋遠升.筆跡鑒定證據的原理采擷與法律判讀［J］.華東政法大學學報，2009，(2):34—40.

［4］ 吳立德.計算機視覺［M］.上海:復旦大學出版社，1993:9—16.

［5］ BOIMAN，O.SHECHTMAN，IRANI.In defense of nearestneighbor based image classification［C］.In IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR)，2008，(1):146—175.

［6］ SUNDER，MANISHA SAM ROSS，ARUN.Iris Image Retrieval Based on Macro features［C］.International Conference on Pattern Recognition(ICPR)，2010，(1):65—88.