運用反射變換成像技術顯現黑色簽名字跡書寫筆壓*

劉寧 江蘇警官學院

偽造簽名是目前文件檢驗人員遇到的最具挑戰性的難題之一。運用多種方法進行檢驗，從多種角度利用特征，才能提高簽名筆跡鑒定結論的可靠性。筆跡鑒定人員早已意識到并研究證實筆壓特征的檢驗價值，尤其是針對“高仿真”簽名筆跡。分析筆跡三維形態中的壓痕深淺及其變化節奏是分析筆壓的有效途徑。但是，對于黑色書寫工具形成的簽名筆跡（法律文書最為多見），由于人眼的視覺特性，檢驗人員對黑色墨跡中的明暗變化敏感度低，不易準確辨析和利用筆壓特征。為了去除墨色干擾，抽取筆壓特征，我們曾實驗研究和比較了多種方法，通過側光紅外影像法、靜電壓痕顯現法、顯微圖像三維重建法和激光共聚焦掃描顯微鏡法將筆壓形態突顯出來[1]。這些方法各有局限，不能滿足文件檢驗實踐的需求。激光共聚焦法、顯微圖像三維重建以及類似的方法，利用所獲得的微觀高度數據能夠重建真實三維，但是它們系統內將高度數據可視化的算法有待改善，而且由于視場受限，需要長時間采集和拼接過程才能將完整簽名或單字整合到一張圖片中。

對于彩色油墨的字跡，一般側光觀察較易分析壓痕深淺，或者使用紅外濾鏡可以去除彩色墨跡顯現投影形成的壓痕立體形態。但是，多數黑色墨跡無法用紅外影像和現有文件檢驗手段來實現去色的目的，本研究嘗試采用計算攝影方法（Computational Photographic）中的反射變換成像技術（Reflectance Transformation Imaging，簡稱RTI）來顯現黑色簽名筆跡的筆壓特征。

一、反射變換成像技術

反射變換成像技術由惠普（Hewlett-Packard）實驗室的研究人員Tom Malzbend和Dan Gelb發明，2001年首次發布其研究成果，并將此方法命名為多項式紋理映射（Polynomial Texture Mapping，簡稱PTM）技術[2]。此后，反射變換成像技術在國際研究團隊十幾年來的開發下不斷改善[3]，目前已廣泛應用于文物研究領域，也在國外法庭科學領域有了一定的運用，如提取足跡、輪胎痕跡和顯現潛在書寫壓痕文字等[4-5]。

反射變換成像技術是一種數字圖像技術，它基于數字攝影和表面反射成像模型（Lambertian模型和Phone模型），通過記錄和處理被攝物體的顏色信息和表面紋理信息，獲得的影像比單張攝影圖像信息豐富，適用于非透明、非金屬、表面漫反射的物體。傳統意義上，攝影圖像通過光與投影來反映立體形態，每個像素值記錄顏色（灰度）信息。與傳統攝影不同，反射變換影像（下文簡稱RTI影像）的每一個像素不僅記錄物體顏色信息，還記載物體表面法向量信息。Adobe Photoshop等圖像處理軟件可以運用數學變換來增強圖像中像素和像素間的對比度、銳度、色調等，而RTI技術不僅處理圖像像素的RGB顏色信息，也對表面法向量進行數學變換，兩者可以一同處理，也可以分別進行處理。

通俗地講，運用此技術的基本方法是首先需要固定拍攝相機和被攝物，在多個不同入射角度的光源下拍攝一系列數字圖像，畫面中包含被攝物與一個或兩個反光球；然后，經過相關軟件（RTIbuilder及PTM相關軟件）處理，已知系列圖像中同一個像素在不同光照角度下的不同灰度值等數據，可以計算出該像素作為頂點時的切平面，軟件從光滑反光球表面的高光點獲得每張圖像的光源方向數據，進而計算出垂直于其切平面的法向量；最后，將法向量數據和RGB顏色信息一起存儲在該像素中，創建RTI文件。利用RTIviewer觀看軟件處理RTI文件，可以實現有利于研究被攝物表面性狀的多種功能。通過實驗，筆者認為其中兩個功能在簽名筆壓特征顯現中最為有用，分別是：（1）鏡面反光增強。交互式展示被攝物在光源不同入射角度照射下的反射光形態；（2）法向量可視化。顯示被攝物除去顏色信息的三維立體形態。

二、實驗材料和方法

（一）實驗樣本制作

筆者分別使用黑色中性筆（Gel Pen，膠性墨）、黑色滾珠筆（Roller Pen，水基墨）、藍色圓珠筆（Ballpoint Pen，油性墨）、小楷毛筆和無墨滾珠筆在同一張A4打印紙上正常書寫自己的簽名。書寫紙下襯墊物有兩種情況：手機光滑觸摸屏和一疊打印紙。一共制作了十個簽名作為實驗樣本。

（二）實驗設備

1. 硬件：Canon EOS 700D相機（1800萬像素）、Canon微距鏡頭EF-S（60mm）、文件翻拍架、自制光源定位架（穹頂狀）、直徑3mm黑色陶瓷珠、手機內置LED光源。

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

（三）實驗方法

將相機固定在翻拍架上，鏡頭向下垂直于被攝物平面，相機連接電腦，使用EOS Utility軟件控制相機操作。相機與被攝物之間安置穹頂狀光源定位架。LED光源持續點亮，分別從光源定位架的48個光位照射被攝簽名筆跡。穹頂光位射出的光線與被攝物平面的夾角在大約10°至64°之間。每個光位拍攝一張RAW格式的圖片，共48張圖片為一個數據組，供合成一個簽名的RTI影像所用。使用Adobe Photoshop CS6軟件將RAW格式圖片轉換為DNG格式（保留元數據），再轉為JPEG格式（最高質量），導入RTIbuilder軟件合成RTI影像。在RTIviewer軟件中觀察和處理影像，在“鏡面反光增強”（Specular Enhancement）模式下移動虛擬光源按鈕來觀察最佳立體效果，并通過“法向量可視化”（Normal Visualization）模式合成表面三維圖像。

三、實驗結果與討論

（一）表面法向量的可視化影像對簽名筆跡檢驗的作用

1. 法向量可視化重建簽名筆壓的三維形態

法向量是空間解析幾何的一個概念。一個平面的法向量垂直于該平面的矢量，因此，平面法向量可以表征這個平面的朝向。RTI技術利用一組不同光照角度下獲得的圖像數據計算出每一個像素的表面法向量數據，通過RTIViewer軟件中的法向量可視化模式，將每個像素的法向量進行偽彩色渲染，創建一幅描繪表面三維形態的影像。這種偽彩色渲染是將每個像素上法向量的X、Y和Z軸分量分別用紅、綠、藍色顯示，構成特定的顏色來代表每個像素的表面朝向。它是基于攝影的三維重建，能夠準確再現紙張上壓痕的真實三維形態。圖1并列了單張側光圖片與RTI法向量可視化影像，通過比較可見兩者對筆壓三維形態的展示情況。單張側光拍攝圖像的光源方向單一，不能顯示各個方向筆劃的立體形態，而且投影可能掩蓋重要信息。反射變換成像技術克服了這些局限，并能夠細致、清晰地展現出物體表面結構和細節。

2. 去除黑色墨跡，突出筆痕質地紋理

圖1中可見，RTI技術不僅提取出表面三維形態，還能夠完全排除黑色墨跡的干擾，而現有文件檢驗的方法和設備均難以去除碳素墨跡。去除顏色信息，尤其是人眼不敏感的黑色，能夠使物體表面質地紋理突顯出來。由于不同物理特性的物質對光的反射率不同，RTI影像捕捉到的反射特性可以突出物質表面質地。因此，油基、水基和膠性油墨的筆痕在去除黑色墨跡后，呈現出的不同質地感有助于判斷墨水特性（如圖2）。圖3展示只有墨色沒有壓痕的毛筆筆痕和只有壓痕無油墨的滾珠筆筆痕的法向量影像。RTI技術展示的這種質地感從未被文件檢驗領域的其他方法呈現過。根據拍攝的分辨率高低和放大倍數，RTI影像可以反映和突出被攝物不同程度的微觀細節。

3. 法向量計算誤差

表面法向量是根據攝影捕捉到的數據通過算法計算出來的，因此可能會存在誤差。影響法向量數據準確性的因素有：系列照片是否配準、被攝物是否聚焦清晰、被攝物表面的高光和投影、拍攝系列照片布光的均勻程度、光位計算的準確性和計算法向量所用的算法等等。制作RTI影像時應該盡可能減少上述因素的影響。辨別是否有計算誤差所造成偽彩色影像失真，可以借助RTIViewer的鏡面反射增強模式觀察原始攝影圖片，通過比較來檢查法向量影像是否準確還原表面三維形態。

（二）鏡面反射增強模式突出高光和投影來描繪表面三維結構

RTIViewer軟件中另一個對筆跡檢驗有價值的功能是鏡面反射增強。調節該軟件用戶界面的虛擬光源按鈕時，圖片窗口相應展示出不同入射光下同一簽名的影像，模擬活動影像或實時觀察方式。當選擇鏡面反射增強模式時，調整一定的參數，可以增強鏡面反射光效果。不同物質具有不同程度的鏡面反光，RTI技術運用某算法將來自物體表面的散射RGB彩色數據和鏡面反光數據分割開，可以一并處理，也可以分別處理。當“散射色彩”（Diffuse color）參數調至0，“鏡面反射”（Specularity）參數調至100時，增強的圖像（如圖4下圖）只反映物體的鏡面反光影像。此模式下的不同處理會獲得不同的效果，適合于不同的需要。

四、結論

偽裝簽名筆跡檢驗，尤其是高仿真摹仿簽名的識別，需要充分利用個人的筆壓習慣。然而，比較和把握筆壓特征的前提是有效、準確的筆壓特征顯現。無需高端設備，使用常規的相機和光源，RTI技術能夠細致豐富地描繪物體的真實表面紋理，能夠用于提取簽名筆跡的筆壓特征，尤其是黑色油墨形成字跡的筆壓的顯現效果是其它方法不可替代的，它為解決簽名筆跡檢驗難題提供了一個有利手段。博物館考古學和文物研究領域的運用已證實RTI技術是發現和記錄繪畫作品變化的有效工具。然而，RTI技術在文件檢驗乃至痕跡物證鑒定領域的運用有待進一步實踐與開發。

[1] 劉寧,裴雷,吳亦. 簽名筆跡筆壓特征顯現方法的比較研究[J].中國司法鑒定,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.