林 紅 裴 雷 劉 寧 倪茹涵

（1 中國刑事警察學(xué)院文件檢驗技術(shù)系 遼寧 沈陽 110035；2 南京市公安局物證鑒定中心 江蘇 南京 210012；3 江蘇警官學(xué)院刑事科學(xué)技術(shù)系 江蘇 南京 210031；4 南京市公安局建鄴分局 江蘇 南京 210008）

1 引言

星形輪齒痕特征是噴墨打印文件上特有的機種特征和個體特征，它不受墨水特性、打印模式等諸多因素的影響[1-2]。在噴墨打印機輸紙系統(tǒng)中星形輪位于出紙部位，一般為帶有金屬齒的塑料輪或金屬薄片輪。有些打印機的星形輪有兩組，其中一組為壓紙輪，它們與出紙輥合作將紙張輸送出打印機；另一組為導(dǎo)紙輪，懸空位于導(dǎo)紙板上方，其下部沒有輥輪與其接觸。當打印件傳送出打印機時，星形輪會在紙張上留下正面凹陷（有時可見背面突起）的棘孔狀的成趟痕跡，與輸紙方向平行。目前已有研究對星形輪的特征進行了研究，主要是討論如何利用大面積成趟星形輪痕跡特征[3]，如何顯現(xiàn)和增強成趟星形輪特征。

一般體式顯微鏡下側(cè)光或透光觀察可以發(fā)現(xiàn)這些微小齒孔的位置，但是由于傳統(tǒng)影像受到光源方向的影響，無法清晰呈現(xiàn)針眼大小的齒孔的完整形態(tài)，喪失了利用細節(jié)形態(tài)特征的可能。顯微鏡下也能觀察星形輪齒部的大體特點，但由于景深范圍有限，加上難以克服的金屬反光，使顯微鏡下觀察和記錄齒尖尺寸和形態(tài)的工作難以進行，而齒尖尺寸和形態(tài)正是研究其齒孔痕跡形態(tài)的重要參數(shù)。本文應(yīng)用反射變換成像技術(shù)（Reflectance Transformation Imaging，RTI），嘗試顯現(xiàn)星形輪齒尖及其對應(yīng)齒孔痕跡的細微形態(tài)，試圖發(fā)現(xiàn)其作為噴墨打印機個體特征的可能性。

RTI技術(shù)能夠捕捉被攝物表面三維的細節(jié)形態(tài)，并實現(xiàn)多種光照效果或渲染模式，它的前身是2001年Tom Malzbender發(fā)明的多項式紋理映射（Polynomial Texture Mapping）技術(shù)[4]。RTI技術(shù)是基于攝影的計算機視覺技術(shù)，從二維照片中獲得三維數(shù)據(jù)，首先需要來自于同一被攝物的幾十張數(shù)字攝影照片的數(shù)據(jù)。拍攝時相機和被攝物必須固定，而相同光源從不同角度照射同一個被攝物，每一個光位獲得一張照片。經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)方法，被攝物的表面法向量（三維信息）被提取出來。基于法向量和顏色信息，RTI技術(shù)能夠展現(xiàn)普通攝影所無法記錄和呈現(xiàn)的豐富細節(jié)。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

實驗針對兩種型號三臺噴墨打印機進行：一臺Canon iP2780和兩臺Epson Stylus Photo R330。一般星形輪的金屬齒會造成照片紙光滑細膩涂層的局部破壞，較普通打印紙容易反映出金屬齒尖截面的形態(tài)，因此，實驗選用Epson經(jīng)濟照片紙打印數(shù)張樣本，采集實驗用打印機的星形輪齒痕。隨后打開打印機按順序取出相應(yīng)的星形壓紙輪。

2.2 成像設(shè)備和軟件

對于星形輪形成的齒痕和對應(yīng)的齒尖，拍攝和形成它們的RTI影像的設(shè)備為RTI智能成像系統(tǒng) DT V3.1。該設(shè)備配置了穹頂光源，每個光源的光距為21cm，各個光位射出的光線與被攝物平面的夾角在大約20°～ 64°之間，成像部分配備了Canon EOS 5DSR 相機機身（5060萬像素）和Canon微距鏡頭MP-E（65mm，f/2.8）。實驗設(shè)置自動拍攝56張系列照片，圖片保存格式為JPEG（最高質(zhì)量）。渲染RTI影像的軟件為RTIviewer v1.1，下載于文化遺產(chǎn)成像組織（Cultural Heritage Imaging）網(wǎng)站。

2.3 實驗方法

利用上述設(shè)備形成RTI影像，在RTIviewer軟件的“鏡面反光增強”模式下擬合暗場效果，并通過“法向量可視化”模式獲得表面三維圖像。之后分析比對齒痕和相應(yīng)造痕星形輪的齒尖形態(tài)，考察多個齒孔在尺寸、形態(tài)、空間位置和排列順序上與星形輪齒尖的對應(yīng)關(guān)系。實驗初期對齒痕和齒尖做了量化分析，但考慮到單個齒尖或齒痕的尺寸數(shù)據(jù)沒有價值，以及存在齒痕的變形、尺寸數(shù)據(jù)上的誤差等因素，本研究主要關(guān)注于單個星形輪齒孔形態(tài)特征及相鄰多個齒孔的大小、形狀和排列順序上表現(xiàn)出的個體形態(tài)特征。

3 結(jié)果與討論

3.1 RTI技術(shù)清晰呈現(xiàn)造痕齒尖形態(tài)及其齒痕反映

RTI技術(shù)具有多種影像渲染模式，有助于形態(tài)學(xué)特征的分析。實驗發(fā)現(xiàn)其中兩個模式有利于本研究的開展，分別是法向量可視化和鏡面反光增強模式。

3.1.1 法線圖

RTI技術(shù)運用法線貼圖技術(shù)將法向量可視化。法向量可視化呈現(xiàn)的影像被稱為法線圖，它提供傳統(tǒng)成像方法無法提供的表面三維紋理信息。RTI法線圖影像不僅將金屬齒尖的三維形態(tài)呈現(xiàn)出來，而且可以去除普通影像難以避免的金屬反光，從而克服了普通攝影因反光造成影像細節(jié)損失的問題，如圖1所示。對星形輪上連續(xù)數(shù)個齒尖成像，要反映造痕體截面（齒頂）獨特的尺寸和形狀，拍攝光軸就必須平行于齒端面（垂直于星形輪轉(zhuǎn)軸），這對于顯微鏡來說較為困難。首先是顯微鏡景深的限制，再者顯微鏡下成像同樣無法克服金屬反光。RTI影像的這個優(yōu)勢在拍攝金屬被攝物時非常突出。

圖1 Epson SP R330一對星形輪的普通攝影圖像與其RTI法線圖的比較

RTI法線圖的另一個突出優(yōu)勢是對于深色墨跡中的微細星形輪齒痕的顯現(xiàn)有特效，圖2展示了相同部位齒痕的普通側(cè)光攝影圖像和RTI法線圖影像的對照。普通側(cè)光攝影只能記錄下深色墨跡中齒痕局部的反光點，其他部位反射的光線不足以形成齒痕的清晰形態(tài)。而RTI獲得了不同光照角度下的被攝物信息，其法線圖呈現(xiàn)的是物體表面每個像素的法線信息，沒有顏色信息，因此，黑色或深色墨跡中的齒痕三維形態(tài)在RTI影像中顯露無遺，對于齒痕的分析和比較非常有利。

圖2 Epson SP R330的局部星形輪齒痕的普通攝影圖像與RTI法線圖的比較

3.1.2 暗場光效

鏡面反光增強模式中可以擬合出任意光位的虛擬光源，當虛擬光位設(shè)定在與被攝物平面的夾角為0°或180°時，RTIviewer軟件能夠擬合出低角度環(huán)形光（暗場）光效。這種光效勾勒出齒痕微孔的邊緣形狀，如圖3左圖所示。由于立體物體的普通影像受到光源方向的影響，體式顯微鏡下側(cè)光觀察星形輪齒痕也不易察覺其細致形態(tài)。本研究實驗發(fā)現(xiàn)體式顯微鏡下只有透光影像能夠表現(xiàn)齒孔的形狀，如圖3右圖所示，但是仍不如RTI影像那樣細致、全面。一般體式顯微鏡下的影像往往不足以用于齒痕細微形狀特征分析，因為檢驗分析星形輪齒痕時，齒孔形狀的清晰反映是與造痕體齒尖尺寸和具體形狀等細微個體特征進行比對的前提條件。

圖3 同一星形輪齒痕的RTI影像（左）與顯微鏡透光影像（右）的比較

3.2 RTI技術(shù)有助于發(fā)現(xiàn)星形輪齒尖個體特征及其在壓痕中的反映

本研究的實驗條件下可以發(fā)現(xiàn)星形輪齒尖具有獨特的特征，其壓痕在微觀形態(tài)上能夠一定程度地反映這些個體特征，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

3.2.1 齒尖尺寸差異構(gòu)成的個體特征

星形輪生產(chǎn)過程中的工差會造成齒尖厚度上的差異，同一臺機器內(nèi)不同星形輪齒尖厚度的排列組合可以構(gòu)成打印機的個體特征，例如，本實驗中同種型號的兩臺Epson打印機的星形輪個體特征表現(xiàn)在齒尖尺寸組合上的差異。其中一臺打印機的左起第二對齒輪的齒尖厚度相差兩倍以上，在打印照片紙上留下的齒痕寬度也反映出相同差異，如圖4所示，而同機其他成對星形輪和另一臺Epson打印機內(nèi)的齒輪未見如此特殊組合（見圖2）。

圖4 實驗用Epson打印機左起第二對齒輪齒尖的形態(tài)及其齒痕

3.2.2 齒尖形態(tài)上的個體特征

星形輪齒尖形態(tài)反映特定的規(guī)格和形狀，可以作為機種特征利用，如圖5所示，本實驗用的Canon iP2780打印機配備的星形輪齒尖被加工為左右兩面不對稱的形狀，使星形輪齒具有偏向性。在安裝過程中，同機中數(shù)個星形輪齒尖并非相同偏向，因而形成了星形輪組合上特定的方向性，這就構(gòu)成打印機的個體特征。對反映在打印件中的這種方向性的辨識，需要清晰顯現(xiàn)齒痕的具體形態(tài)，圖5中可見激光共聚焦顯微鏡和RTI法線圖對齒痕形狀的勾勒，反映出齒尖截面的形態(tài)，即一側(cè)平直，另一側(cè)突起。

圖5 Canon iP2780打印機的星形輪齒尖形態(tài)能夠反映在照片紙上

激光共聚焦顯微鏡的激光影像能更加清晰地反映齒痕的細微形態(tài)。但是，由于景深限制和金屬反光，本實驗使用激光共聚焦顯微鏡未獲得成功的星形輪齒尖影像，對于發(fā)現(xiàn)星形輪齒尖上的個體特征還是有賴于RTI技術(shù)。

實驗中發(fā)現(xiàn)的另一個齒尖形態(tài)上的個體特征表現(xiàn)為金屬齒尖的變形。星形輪在安裝和使用過程中可能造成剛性形變，如卷刃式變形。單個齒尖的卷刃式變形在紙張上的痕跡不易確定和利用，但是不同程度變形構(gòu)成的特殊排列組合反映某個特定星形輪的個體特征，從而反映打印機的個體特征。圖6列舉了實驗用Canon打印機的特定位置上的一個星形輪齒，它的連續(xù)數(shù)個齒尖有不同程度的卷刃式變形。它的24個齒有一處出現(xiàn)3個連續(xù)的齒尖卷刃式變形，檢驗中只要能發(fā)現(xiàn)打印件上留有對應(yīng)形態(tài)和排列組合的齒痕，便能作為個體識別的依據(jù)之一。

圖6 星形輪齒不同程度卷刃式變形及其在照片紙上留下的齒痕

4 結(jié)論

研究表明，借助反射變換成像技術(shù)的突出優(yōu)勢：表面三維重建和實現(xiàn)多種光效，文件檢驗人員可以發(fā)現(xiàn)噴墨打印文件上的微小星形輪齒痕，同樣可以發(fā)現(xiàn)其造痕主體金屬齒的個體獨特形態(tài)。在實際案件鑒別過程中，如果檢材與樣本的齒痕形態(tài)和尺寸明顯不同，則可排除嫌疑打印機；如果齒痕特征顯著相同，需進一步對該打印機的星型輪金屬齒特征進行檢驗，以提高鑒定結(jié)論的可靠性。該研究成果使打印機的個體特征比對成為可能，為噴墨打印機具的同一認定提供了科學(xué)依據(jù)，解決了噴墨打印文件檢驗難題。本文限于顯現(xiàn)照片紙上的噴墨打印星形輪壓痕特征，普通紙上的星形輪壓痕特征的反映性有待進一步的實驗研究。

參考文獻：

[1] Akao Y,Kobayashi K,Seki Y.Examination of spur marks found on inkjet-printed documents[J].Journal of Forensic Sciences,2005(4):915-923.

[2] 劉寧.星形輪壓痕作為噴墨打印機個體識別依據(jù)的實驗研究[J].中國司法鑒定,2015(4):52-57.

[3] 劉寧.噴墨打印文件上成趟星形輪壓痕顯現(xiàn)方法的實驗研究[J].中國刑警學(xué)院學(xué)報,2015(3):62-64.

[4] Malzbender T,Gelb D,Wolters H.Polynomial texture maps[C]//SIGGRAPH.Computer Graphics Siggraph Proceedings.New York:ACM,2001:519-528.