CN109387501A - 利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法，包括以下步骤：S1：构建一拉曼光谱数据库；S2：从待鉴定笔迹中选取一待鉴定区域，以该待鉴定区域所在平面为XY平面构建一XYZ坐标系；S3：进行白光重构，获得多张白光照片；S4：在该待鉴定区域对应的XY平面内均匀选择多个坐标点，于白光照片中依次通过比较得出每个坐标点对应的最大灰度值，并分别记录最大灰度值点对应的三维坐标；S5：得到该待鉴定区域的三维拉曼光谱数据集；S6：对三维拉曼光谱数据集进行数据前处理；S7：从上一步骤得到的3D拉曼数据集中选取至少一拉曼指纹峰，进行拉曼重构，得到拉曼重构图像；S8：根据拉曼重构图像中的特征峰鉴别待鉴定笔迹中的墨迹书写顺序。

Description

利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法

技术领域

本发明涉及笔画书写顺序鉴定领域，具体而言，涉及一种利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法。

背景技术

在笔迹鉴定领域，涉及改动文字、添加数字、篡改与变造等问题时，鉴定人通常需要对材料中关键的交叉变化处进行验证，从而确定检材是否为某一人书写。此外，判断书写人的笔迹特征、书写笔画习惯也需要对交叉笔画书写顺序展开研究。

传统笔迹鉴定方法多采用二维平面的成像模式，成像的效果容易受到油墨成分的差异、分布状态、笔画连续性、聚敛现象等因素影响，并且层次化效率低，空间分辨率差。具体而言，传统的笔迹鉴定方法包括观察法、转印提取法、扫描电子显微镜法、荧光法等，分别简述如下：

(1)观察法主要依据后书写笔画的笔痕线性形态呈现连续性，以及依据后书写笔画在笔画交叉处变窄(即“收敛”现象)来判断交叉笔画的顺序。该方法的缺点为受鉴定人的主观影响较大，尤其现象不明显时，判断准确率较低。

(2)转印提取法通过转印的方式获取圆珠笔痕的边缘形态，将对笔痕形态的直接观察转为间接观察，能够有效避免观察者的主观影响，其缺陷在于对笔痕的转印提取能力及操作技术要求较高。

(3)扫描电子显微镜法利用扫描电镜获得交叉笔画微观图像进行判断。该方法对于笔画油墨较厚或具有明显凸起层次或笔痕较深的笔迹具有良好的分辨效果。但该方法受限于仪器视野大小影响，观察范围有限，而且当笔痕深度较浅时，实验效果差。

(4)荧光法利用显微荧光的方法获取交叉笔画的荧光图，借以判断交叉笔画的顺序。该方法要求形成交叉笔画的油墨成分不同且荧光特性具有明显差异，才能得到交叉部位在荧光的连贯性、强度及色料的分布上呈现不同的变化规律，否则无法适用。

除了以上几种方法之外，拉曼光谱技术传统中应用于成分检测，近年来被引入用于文检鉴定，随后，有科研人员尝试用于交叉笔画书写顺序的鉴定。拉曼光谱大体有以下两种检测方式：

(1)通过对同一检测点不同层次的油墨成分检测来研究交叉笔画书写顺序，但是，由于大多数情形下两种油墨互相混合，该方法难以适用。

(2)采用拉曼面扫描成像技术检测交叉笔画，通过赋色拟合成像判断笔画的先后顺序，但是，限于二维模式，对于出现“网状”交叉图像的情形无法得出准确结论。

发明内容

本发明提供一种利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法，用以对待鉴定笔迹中的交叉笔画的顺序进行鉴定。

为达到上述目的，本发明提供了一种利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法，其包括以下步骤：

S1：对多种现有书写笔的油墨进行拉曼光谱检测，分别得到对应的拉曼光谱图，利用多个拉曼光谱图构建一拉曼光谱数据库，每一拉曼光谱图均有至少一个特征指纹峰；

S2：从待鉴定笔迹中选取一待鉴定区域，以该待鉴定区域所在平面为XY平面构建一XYZ坐标系，该XYZ坐标系为笛卡尔坐标系；

S3：基于该XYZ坐标系对该待鉴定区域进行白光重构，获得多张白光照片，多张白光照片为该待鉴定区域于Z轴不同高度处的横截面照片，白光照片中像素点的灰度值即为该待鉴定区域于对应Z轴高度处的灰度值；

S4：在该待鉴定区域对应的XY平面内均匀选择多个坐标点，于白光照片中依次通过比较得出每个坐标点对应的最大灰度值，并分别记录最大灰度值点对应的三维坐标；

S5：根据上一步骤得到的每一坐标点的三维坐标，于聚焦状态下，快速采集对应坐标点的拉曼光谱，得到该待鉴定区域的三维拉曼光谱数据集；

S6：对三维拉曼光谱数据集进行数据前处理，数据前处理包括数据截断、去背景、数据平滑；

S7：从上一步骤得到的3D拉曼数据集中选取至少一拉曼指纹峰，进行拉曼重构，得到拉曼重构图像；

S8：根据拉曼重构图像中的特征峰鉴别待鉴定笔迹中的墨迹书写顺序。

在本发明的一实施例中，多种现有书写笔包含多个品牌的书写笔以及多个型号的书写笔。

在本发明的一实施例中，多种现有书写笔包括国产黑色签字笔以及进口黑色签字笔。

在本发明的一实施例中，根据特征指纹峰将多种现有书写笔划分为多组。

在本发明的一实施例中，于步骤S8中，根据“峰谷异色”现象判断待鉴定笔迹中两种油墨的书写顺序。

本发明提供的利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法突破了传统面扫描技术的空间局限性，通过在三维空间中快速重构交叉笔画，实现了对待鉴定笔迹中笔迹顺序空间上的直观观察，具有快速、准确、直观的优点。本发明于鉴定过程中只采集聚焦状态下的拉曼光谱，有效的节约了笔迹鉴定时间；由于拉曼光谱本身具有指纹谱的特性，能够大大提高笔画顺序鉴别的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例应用的黑色圆珠笔品牌、型号说明图；

图2为本发明一实施例应用的国产黑色签字笔品牌、型号说明图；

图3为本发明一实施例应用的黑色进口签字笔品牌、型号说明图；

图4为本发明一实施例应用的黑色圆珠笔分类说明图；

图5为本发明一实施例应用的国产黑色签字笔分类说明图；

图6为本发明一实施例应用的进口黑色签字笔分类说明图；

图7为三组黑色圆珠笔油墨的拉曼光谱图；

图8为两组国产黑色签字笔油墨的拉曼光谱图；

图9a为九组进口黑色签字笔油墨的拉曼光谱图(1-3组)；

图9b为九组进口黑色签字笔油墨的拉曼光谱图(4-6组)

图9c为九组进口黑色签字笔油墨拉曼光谱图(7-9组)；

图10为一待鉴定笔迹；

图11为其中一张白光照片；

图12为根据每个坐标点对应的最大灰度值得到的色彩拟合成像；

图13a、图13b为待鉴定区域的拉曼面扫描图像；

图14a、图14b为拉曼重构图像的细部示意图；

图15为盲测实验中的待鉴定笔迹；

图16为盲测实验中的一白光照片；

图17为盲测实验中根据每个坐标点对应的最大灰度值得到的色彩拟合成像；

图18a、图18b为盲测实验中待鉴定区域的拉曼面扫描图像；

图19a、图19b为盲测实验中拉曼重构图像的细部示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法，用于对待鉴定笔迹中的交叉笔画的顺序进行鉴定，其包括以下步骤：

S1：对多种现有书写笔的油墨进行拉曼光谱检测，分别得到对应的拉曼光谱图，利用多个拉曼光谱图构建一拉曼光谱数据库，每一拉曼光谱图均有至少一个特征指纹峰；

本实施例中，多种现有书写笔选择了包含多个品牌的书写笔以及多个型号的书写笔，多种现有书写笔包括国产黑色签字笔以及进口黑色签字笔，根据特征指纹峰将多种现有书写笔划分为多组，具体所用的书写笔及其分组如图1-图6所示。

对书写笔进行分组，同一分组内的书写笔呈现出的拉曼光谱几乎无差别，如图7-图9c所示为得到的拉曼光谱图。

本实施例中所用的书写笔的油墨的拉曼信号具有稳定性，特征峰值固定，不随激光波长或强度、扫描时间、累计扫描次数等实验参数的改变而变化。

在同条件下对纸张进行单点检测，其拉曼信号极为微弱，几乎被荧光所覆盖，故增加激光强度及信号采集时间，得到纸张在400到1800cm^-1范围内较为突出的的拉曼位移特征为：1086、1120、1339、1382、1530、1602(单位：cm^-1)。

S2：从待鉴定笔迹中选取一待鉴定区域，以该待鉴定区域所在平面为XY平面构建一XYZ坐标系，该XYZ坐标系为笛卡尔坐标系；

图10为一待鉴定笔迹，取其右上角区域作为待鉴定区域并确定原点位置，以原点为基准构建XYZ坐标系。其中，该待鉴定区域中的第一笔画为油性笔墨(竖向，标记为A2)，第二笔画为水性笔墨(横向，标记为B2)。具体的，第一笔画使用的是图1中编号为“4”的中德牌黑色圆珠笔，型号为029；第二笔画使用的是图2中编号为“36”的携程牌国产黑色签字笔，型号为GP-800。

图13a、图13b为待鉴定区域的拉曼面扫描图像，如图所示，由于第二笔画在书写时受到第一笔画的影响而油墨分布不均且呈现出“网状”分布，如仅凭拉曼面扫描色彩拟合图像，难以判断笔画书写先后顺序。

S3：基于该XYZ坐标系对该待鉴定区域进行白光重构，获得多张白光照片，多张白光照片为该待鉴定区域于Z轴不同高度处的横截面照片，白光照片中像素点的灰度值即为该待鉴定区域于对应Z轴高度处的灰度值；

如图11所示为其中一张白光照片。

S4：在该待鉴定区域对应的XY平面内均匀选择多个坐标点，于白光照片中依次通过比较得出每个坐标点对应的最大灰度值，并分别记录最大灰度值点对应的三维坐标；

图12为根据每个坐标点对应的最大灰度值得到的色彩拟合成像，具体的，是根据每一像素点的灰度值分别对每一像素点赋予不同的颜色，灰度值相同的点赋予的颜色相同，灰度值不同的点赋予的颜色则不同。

S5：根据上一步骤得到的每一坐标点的三维坐标，于聚焦状态下，快速采集对应坐标点的拉曼光谱，得到该待鉴定区域的三维拉曼光谱数据集；

S6：对三维拉曼光谱数据集进行数据前处理，数据前处理包括数据截断、去背景、数据平滑；

S7：从上一步骤得到的3D拉曼数据集中选取至少一拉曼指纹峰，进行拉曼重构，得到拉曼重构图像；

由于不同的笔画于书写时的油墨成分之间有差别，因此其各自对应的拉曼光谱不同，选取的拉曼指纹峰应以该油墨成分能够明显区别于其他油墨成分为佳。

如图14a、图14b所示为拉曼重构图像的细部示意图。

S8：根据拉曼重构图像中的特征峰鉴别待鉴定笔迹中的墨迹书写顺序。

于步骤S8中，根据“峰谷异色”现象判断待鉴定笔迹中两种油墨的书写顺序，也即，从图14a、图14b可以看出，图中的浅色部分呈现为“峰”，深色部分呈现为“谷”，且整体现象一致，通过“峰”和“谷”可以确定“峰”处的笔画为在后书写的笔画，“谷”处的笔画为在先书写的笔画。

以下再介绍使用本发明的方法进行的一盲测实验：

图15为盲测实验中的待鉴定笔迹，图16为盲测实验中的一白光照片，图17为盲测实验中根据每个坐标点对应的最大灰度值得到的色彩拟合成像，图18a、图18b为盲测实验中待鉴定区域的拉曼面扫描图像，图19a、图19b为盲测实验中拉曼重构图像的细部示意图。如图15-图19b所示，仅根据图18a、图18b难以判断笔画书写先后顺序，但是，根据图19a、图19b可以明显看出，图中的浅色部分呈现为“峰”，深色部分呈现为“谷”，且整体现象一致，通过“峰”和“谷”可以确定“峰”处的笔画为在后书写的笔画，“谷”处的笔画为在先书写的笔画。

本发明提供的利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法突破了传统面扫描技术的空间局限性，通过在三维空间中快速重构交叉笔画，实现了对待鉴定笔迹中笔迹顺序空间上的直观观察，具有快速、准确、直观的优点。本发明于鉴定过程中只采集聚焦状态下的拉曼光谱，有效的节约了笔迹鉴定时间；由于拉曼光谱本身具有指纹谱的特性，能够大大提高笔画顺序鉴别的准确性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法，用于对待鉴定笔迹中的交叉笔画的顺序进行鉴定，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对多种现有书写笔的油墨进行拉曼光谱检测，分别得到对应的拉曼光谱图，利用多个拉曼光谱图构建一拉曼光谱数据库，每一拉曼光谱图均有至少一个特征指纹峰；

S2：从待鉴定笔迹中选取一待鉴定区域，以该待鉴定区域所在平面为XY平面构建一XYZ坐标系，该XYZ坐标系为笛卡尔坐标系；

S3：基于该XYZ坐标系对该待鉴定区域进行白光重构，获得多张白光照片，多张白光照片为该待鉴定区域于Z轴不同高度处的横截面照片，白光照片中像素点的灰度值即为该待鉴定区域于对应Z轴高度处的灰度值；

S4：在该待鉴定区域对应的XY平面内均匀选择多个坐标点，于白光照片中依次通过比较得出每个坐标点对应的最大灰度值，并分别记录最大灰度值点对应的三维坐标；

S5：根据上一步骤得到的每一坐标点的三维坐标，于聚焦状态下，快速采集对应坐标点的拉曼光谱，得到该待鉴定区域的三维拉曼光谱数据集；

S6：对三维拉曼光谱数据集进行数据前处理，数据前处理包括数据截断、去背景、数据平滑；

S7：从上一步骤得到的3D拉曼数据集中选取至少一拉曼指纹峰，进行拉曼重构，得到拉曼重构图像；

S8：根据拉曼重构图像中的特征峰鉴别待鉴定笔迹中的墨迹书写顺序。

2.根据权利要求1所述的利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法，其特征在于，多种现有书写笔包含多个品牌的书写笔以及多个型号的书写笔。

3.根据权利要求1所述的利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法，其特征在于，多种现有书写笔包括国产黑色签字笔以及进口黑色签字笔。

4.根据权利要求1所述的利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法，其特征在于，根据特征指纹峰将多种现有书写笔划分为多组。

5.根据权利要求1所述的利用快速三维拉曼光谱重构技术鉴定交叉笔画顺序的方法，其特征在于，于步骤S8中，根据“峰谷异色”现象判断待鉴定笔迹中两种油墨的书写顺序。