写字机器人笔迹检验技术现状与发展_汪凯.pdf

SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.2 Feb.2023，Total No.349收稿日期：20220617；修回日期：20220801作者简介：汪凯（1997），男，安徽亳州人，在读硕士，主要从事刑事科学技术文件检验研究，E-mail：。写字机器人笔迹检验技术现状与发展汪凯摘要：针对写字机器人摹仿人的书写笔迹与人书写笔迹的相似度较高而难以鉴别的问题，本文详细介绍了写字机器人的运行原理和发展技术前沿，通过对比分析写字机器人与人书写的相同文本的笔迹，判断写字机器人书写笔迹和人书写笔迹之间的特征差异，同时也展望了写字机器人笔迹鉴定技术未来的发展前景，为笔迹鉴定的发展提供了新的思路。关键词：写字机器人；笔迹检验；特征分析；量化研究中图分类号：TP242；D918.92文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2023.02.032（中国刑事警察学院刑事科学技术学院，辽宁沈阳110035）文章编号：1674-9146（2023）0203204随着科技的不断发展，写字机器人越来越智能化。研发人员在写字机器人中加入传感器，并对写字机器人硬件进行编程，使写字机器人可以熟练地摹仿人的书写笔迹。写字机器人摹仿人的书写笔迹是一种新型摹仿手段。但是，写字机器人书写笔迹与人书写笔迹的相似度较高，导致难以鉴别，随之出现的是犯罪人员利用写字机器人进行违法犯罪活动的现象。针对这种现象的出现，鉴定人员开始研究写字机器人的笔迹特征，从而区分写字机器人书写笔迹与人书写笔迹之间的差异。1写字机器人书写笔迹概述1.1写字机器人的发展背景1959 年，美国的科研人员研发出第一台写字机器人。在 20 世纪 80 年代，中国的写字机器人相关技术刚刚起步；而目前在国际市场上已经稍有起色。随着第一台写字机器人的问世，写字机器人开始被应用于很多领域。在欧美国家，写字机器人主要是在工程教学、科普和绘图等领域被广泛应用。1.2写字机器人的书写原理写字机器人一般分为 3 种：框架型写字机器人、曲关节型写字机器人和平面关节型写字机器人。框架型写字机器人是一种结构较为简单的写字机器人。该写字机器人的主要部件由横向光杆、纵向光杆和电机组成。横向光杆可以在左侧底座和右侧底座之间自由移动，驱动书写工具在一个方向书写。在横向光杆上安装有运动中枢，这个运动中枢上负责连接横向光杆和纵向光杆。电机负责驱动这些部件在平面上运动。这种写字机器人结构简单，写出来的字迹在特征上不会灵活多变，但是也正因为如此，一般用于书写方面最多的就是框架型写字机器人。曲关节型写字机器人也称为关节手臂机器人或关节机械手臂，这个名称的由来也是因为机械臂可以像手臂一样灵活自由移动，根据机械臂的不同自由度，其应用范围也大不相同，是现在应用最为广泛的机器人。曲关节型写字机器人和人的手臂关节十分相似，在实际工作过程中能更为出色地完成各种工作。曲关节型写字机器人的硬件部分主要是由控制器和机械臂组成，在空间上形成 x 轴、y 轴、z轴。x 轴完成横笔画的书写，y 轴完成竖笔画的书写，z 轴完成书写动作的起收笔。写字机器人通过上位机软件绘制图形的矢量图，根据矢量图提供的坐标信息控制机械臂在纸上书写文字1。平面关节型写字机器人模仿了人类的手臂，由大臂、小臂和立柱共同组成，可以在多个方向上转动。这种机器人的形态结构比较特殊，由于可以在多个方向转动，因此在水平方向具有顺应性，在垂直方向上具有刚性。以平面关节型写字机器人为平台的书法机器人相对较少，如景兴碧等2采用一种工业型平面关节装配型机器人来进行软笔书写；曲波3提出了一种可以模仿人书写笔迹的毛笔机器人，这种毛笔机器人是在平面机械手臂的基础上改进的，通过接收上位机发出汉字信息的控制指令，在机械臂的末端安装上书写工具，模仿人的手臂书写时的动作以完成书写。创新 思 维Innovative Thinking-032-2023 年 2 月总第 349 期1.3写字机器人的笔迹特征因为写字机器人是由机械臂持笔进行书写，导致书写笔迹与人书写笔迹看起来外形一致，但是从运笔、起收笔、书写压力等细节方面来看，与人的书写笔迹有所不同4。Aurora Dumitra 等5以“bond”写字机器人为例，对比写字机器人和人书写文字的不同特征。写字机器人所书写的文字笔迹均匀、平实，无轻重疾徐的变化，而人正常情况所书写的文字笔迹浓厚不一。因为写字机器人书写文字时笔的高度不变，笔和纸面的接触角度也是不变的，所以导致书写文字时在纸面上的压力一致，文字所含的油墨量也基本一致。写字机器人是将水平面坐标化，每个文字在坐标内都具有不同的坐标信息。写字机器人将文字的二维坐标信息进行复制，在纸面上写出对应的字。因为机器人在书写时笔速是一定的，所以文字笔画均匀、平实，无轻重疾徐的变化；又因为机械臂持笔书写不能像人一样灵活控制手关节、腕关节等，所以机器人在书写笔画的起收笔部位会出现点状触压痕迹。写字机器人书写动作单元比较简单，执笔角度不会改变，导致书写单字较长的笔画时会出现抖动弯曲，尤其是在斜笔画时表现更为明显；由于写字机器人书写是将文字的坐标信息在纸面上重现的行为，因此在书写相同字时会出现完全一致的笔迹。图 1 为“Robot”写字机器人的书写样本。2写字机器人笔迹检验技术的现状2.1直接观察法对于传统的笔迹检验，检验人员经常先直接观察检材，分析检材笔迹表面的特征，总结检材所呈现出的规律。鉴定人员检验写字机器人书写笔迹时，可以借鉴传统笔迹检验的经验，把写字机器人当成一种特殊书写工具，对其书写的检材进行检验。直接观察检材时，要全面细致地观察检材上书写笔迹所呈现出的规律。马现兵6在研究硬笔机器人摹仿笔迹时，将写字机器人书写笔迹和人的书写笔迹制作成比对表，分析写字机器人和人之间的笔迹特征，包括书写水平特征、整体布局特征、局部安排特征、搭配比例特征、笔顺特征、运笔特征等概貌特征。2.2显微镜观察法传统的文件检验方法离不开显微镜观察法，因为在观察检材和样本笔迹时，微观细节特征用肉眼不易观察，所以必须借助光学仪器进行观察比较。现阶段，应用于文件检验领域最多的、最先进的显微镜就是三维立体显微镜7。三维立体显微镜使用三维处理控制器，利用液晶镜片将获得的光学影像传达至左右眼睛，从而在眼睛中形成双目视差，这样在人类眼睛形成的图像就是立体空间图像。三维立体显微镜在文件检验领域可以有效地检验印章与文字顺序、交叉笔画等方面，也能在检验笔迹的涂改、添加等方面起到很好的效果。图 2 为三维立体显微镜下的笔迹特征。2.3利用文件检验仪检测文件检验仪是现阶段文件检验领域应用最多的仪器。在不同的条件下，可以显现出书写笔迹的各种特点。文件检验仪是一种应用于物理学、法学等领域的特殊检验仪器。文件检验仪主要利用红外线、紫外线、荧光等各种光学手段进行朱墨时序判定、文件材料理化性质变化检测等。刘畅等8利用文件检验仪在不同的光照条件下观察写字机器人书写的笔迹。在侧光条件下，观察写字机器人书写笔迹的压痕；在白光条件下，能够清晰地显示出写字机器人书写笔画的浓淡和笔画的粗细。图 3 为文件检验仪在白光条件下检测的写字机器人书写样本。2.4反射变换成像技术反射变换成像技术基于数字摄影和表面反射成像模型。鉴定人员用数码相机记录物体表面的形状与颜色，通过获得被摄物体的颜色和纹理信息，建立相关模型处理数据。使用反射变换成像技术分析图像信息，获得的图像信息比单张图像信息更丰富。朱明新等9在检验写字机器人伪造签名字迹时，利用反射变换成像技术可以将笔迹的整体笔画笔力分布直观反映出来，从而获得笔迹的压力信息（笔压）。写字机器人伪造的签名字迹，各笔画呈现的笔压大小很均匀，而人正常手写签名笔迹笔压大小变图 2三维立体显微镜下的笔迹特征图3文件检验仪在白光条件下检测的写字机器人书写样本图 1“Robot”写字机器人的书写样本-033-SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITYNo.2 Feb.2023，Total No.349化得很自然。这是因人手腕控制书写时压力不可能一直保持不变，会随着签名笔迹笔画的变化而变化，故这些数据的变化可以反映出书写的轻重疾徐的变化。图 4 为由反射变换成像技术获得的笔压特征。3写字机器人笔迹检验技术的发展3.1量化检验鉴定人员在检验写字机器人书写笔迹时，可以借鉴检验人书写笔迹检验的经验，运用量化检验的方法对笔迹特征分析，得出结论。现如今，法庭科学越来越严格地规范各类证据的证明力度，在笔迹鉴定过程中如何运用科技手段将定性分析和定量分析相结合，使鉴定意见更具有科学性和客观性，是笔迹鉴定领域亟待解决的问题。于彬10使用层次分析法（Analytic HierarchyProcess，AHP）构建模型，对签名笔迹特征进行量化检验。于彬构建理论模型后，开发了相应的计算机软件模型，实现利用计算机对签名笔迹特征进行定量分析与评测。使用 AHP 构建量化检验模型对签名笔迹进行定量分析，使签名笔迹的鉴定从以评判经验为主的定性分析转变为定性分析和定量分析相结合。李思绮11通过几何测量法，对静态笔迹特征进行量化研究。几何测量法主要通过分析不同人的签名笔迹的外形差异来进行同一认定。先将收集到的离线签名使用扫描、拍照等方式导入计算机得到静态图像，再运用几何测量法对单字的重心、宽高比、倾斜度等数据测量并进行统计分析。对笔迹进行定量分析需要从理论出发，通过实验的方式进行深入量化研究。虽然在鉴定人员的努力下，笔迹鉴定在量化检验方面有所突破，但是笔迹鉴定要从传统检验手段转变为真正意义上的客观性量化检验，还任重而道远。3.2利用计算机技术检验20 世纪 80 年代，人工神经网络在自然科学领域中逐步得到了发展。人工神经网络按照各种不同的联结方式组成不同的网络，不仅可以模拟人的大脑的联想、信息存储和思维方式等部分功能，还具有很强的学习能力、记忆能力和识别能力。因此，在笔迹检验中，人工神经网络适用于关于笔迹的非线性推测。文件检验人员对人工神经网络的开发运用，开启了计算机技术应用于文件检验的篇章。随着互联网技术不断发展，鉴定人员正在不断尝试使用不同的计算机技术解决笔迹检验中遇到的问题。写字机器人笔迹具有机械性，相同文字和标点符号具有相同性。根据写字机器人书写笔迹特征的差异，鉴定人员使用图像处理软件，对比两个相同部分的文字的相似度。鉴定人员根据对比结果，判断是否为写字机器人所书写，为侦查提供线索。但是通过计算机识别笔迹的异同也存在许多亟须解决的问题，例如，计算机识别图像特征时出现识别特征点少或者出错；识别文件时文件的像素点丢失等。尽管有研究人员宣称已将计算机用于实际办案中的笔迹检验，但迄今为止还未有成熟的技术，这说明利用计算机技术检验笔迹还处在研究探索阶段，但不可否认的是它有着光明的前景。3.3利用数学方法检验数学存在于自然界的任何地方，与生活息息相关。使用数学方法分析处理问题，可以很好地发现客观事物的规律，找到对应的解决方法。使用数学方法解决问题，具有数量精确化、方法公式化等优点。数学方法使得鉴定从经验化逐渐转变为客观化，用数据化的理论支撑加深鉴定意见的科学性。在笔迹检验中，可以根据分析检材获得的数据，运用数学方法分析数据、总结规律，从而解决笔迹鉴定中出现的问题。鉴定人员使用数学方法解决问题，使笔迹检验的权威性得到了提高，也为完善笔迹检验理论奠定了基础。回归分析12方法是数理统计中经常使用的数学方法。回归分析方法通过大量的实验对客观事物进行观察和测量，进而寻找不同变量之间存在的统计相关的规律性。研究人员利用两个或两个以上变量之间的关系，建立回归模型，利用一个或多个变量去预测另一个变量。被预测的变量为因变量，用来预测的一个或多个变量为自变量。回归分析方法可以应用于推断人在书写过程中表现出的个性特征。写字机器人不具有人的一些生理特征，在个性化方面比较单一。研究人员可以根据这些特征，分析出写字机器人和人在书写方面的个性差异，开辟出一条新的研究写字机器人书写笔迹特征的道路。4结束语随着科学技术的日益发展，写字机器人书写笔迹的出现使文件检验鉴定变得更为复杂。文章详细介绍了写字机器人技术的原理和发展情况。通过比较写字机器人和人的相同书写笔迹，从宏观、中观和微观 3 个方面分析笔迹特征，总结书写特征规律。通过借鉴对人书写笔迹鉴定的经验，提出了若干种写字机器人笔迹检验的方法。未来机器人智能图 4由反射变换成像技术获得的笔压特征创新 思 维Innovative Thinking-034-2023 年 2 月总第 349 期（上接第 31 页）Research on the Micro-location Suitability of Five-star Hotels in ChangshaUnder the Strategy of Strengthening the Provincial CapitalBased on Analytic Hierarchy ProcessLIU Si-meng,ZHOU Bing(School of Economics and Management,Changsha Normal University,Changsha 410148,China)Abstract：Based on the background of the rapid development of star-rated hotels,through the study of relevant literature,from the four major factors of social economy,traffic conditions,commercial factors and environmental factors and 12evaluation indicators,this paper uses analytic hierarchy process to score the importance of factors affecting the location offive-star hotels in Changsha through experts in the hotel field,and uses weighted summation method to obtain the ranking ofelements at each level.The results show that the factors that have the greatest influence on the micro-location suitability offive-star hotels include CBD business district,tourist attractions,urban trunk lines,and government districts.Finally,based onthe experimental conclusions and relevant policies,some suggestions are put forward for Changsha government departmentsand future investors of five-star hotels.Key words：hotel location;analytic hierarchy process;influencing factors;Changsha city化的发展势不可挡，而写字机器人的功能也会随之更加多样化，在笔迹特征方面与人写出的笔迹相似度会更高。这就要求鉴定人员掌握写字机器人书写原理以及其构造，从根本上了解其运作，才能正确判断检材是否为写字机器人摹仿笔迹。参考文献：1袁莉,蔡文霞,张利钦,等.硬笔书写机器人设计J.科技创新与应用,2019(32):89-90.2景兴碧,万仁明,张以都,等.软笔书法机器人J.机器人技术与应用,2000(6):21-23.3曲波.一种具有环境自适应能力的毛笔机器人J.微型电脑应用,2004(10):42-44+2-3.4付海花.写字机器人书写笔迹的鉴别J.科技风,2019(19):4.5DUMITRA A,GUZOWSKI A,JEAN A,et al.Distingui-shing characteristics of robotic writingJ.Journal of ForensicSciences,2019,64(2):468-474.6马现兵.硬笔机器人摹仿笔迹实验初探J.广东公安科技,2019,27(4):16-19.7宋朝阳,白晓峰.利用三维立体显微镜判断笔画交叉时序探究J.中国司法鉴定,2018(3):56-60.8刘畅,黄钰,胡爱华.写字机器人书写特征的识别与研究J.广东公安科技,2020,28(2):30-32.9朱明新,李梦婕,许润杰.写字机器人伪造签名字迹的鉴别J.刑事技术,2021,46(1):66-69.10于彬.签名笔迹特征量化检验方法J.中国人民公安大学学报(自然科学版),2014(2):6-9.11李思绮.对不同条件下签名笔迹动态特征变化的量化分析D.上海:华东政法大学,2020.12相淑珍.基于数学方法的笔迹检验量化J.天津法学,2016,32(4):99-103.（责任编辑邸开宇）Current Situation and Development of Handwriting Inspection Technologyfor Writing RobotsWANG kai(College of Criminal Science and Technology,China Criminal Police University,Shenyang 110035,China)Abstract：In view of the problem that the writing-robot-imitate-human-handwriting and human-handwriting with high similarityand are difficult to identify,this paper introduces in detail the operating principle and development technology frontier of thewriting robots,and judges the characteristic difference between the writing robots and human-handwriting by comparing andanalyzing the handwritings of the same text of the writing robots and human,At the same time,it also looks forward to thefuture development of handwriting identification technology of writing robots,which provides a new idea for the developmentof handwriting identification.Key words：writing robot;handwriting inspection;characteristic analysis;quantitative research-035-