打印文稿識別技術(shù)研究與設(shè)計

1、 畢業(yè)設(shè)計 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 學(xué) 院、系：電子與計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系專 業(yè)：軟件工程設(shè) 計 題 目：打印文稿識別技術(shù)研究與設(shè)計指導(dǎo)教師: 2012年2月24日1緒論11研究背景和意義目前，打印文檔的使用越來越廣泛，而與此同時與偽造文檔相關(guān)的案件也越來越多，例如偽造合同、偽造文檔證據(jù)、非法傳單。在法庭的審判中，需要驗證這些作為證據(jù)的文檔的真實性；在刑事偵查過程中，需要追蹤文檔的來源。因此，司法和公安部門迫切需要打印文檔的取證技術(shù)，檢驗文檔是否經(jīng)過偽造，以及判斷文檔來自于哪一臺打印機。目前我國司法部門進行文件檢驗時主要采用人工借助儀器的手段，針對噴墨打印機主要從墨水驅(qū)動方

2、式、墨水種類、打印字符質(zhì)量、打印介質(zhì)、用紙、油墨的理化性質(zhì)l-3等進行種類鑒別；針對激光打印機主要利用拉曼光譜4分析打印文件字跡確定墨粉種類，從而推斷打印機品牌和大致型號。這些方法存在分析儀器價格高，操作專業(yè)性強，人工操作憑經(jīng)驗，分析成本高，有一定的主觀性等特點。實際的檢驗過程中，還很難做到判斷文檔來自于哪一臺打印機。如何確定文檔的打印機品牌，以及來自于哪臺具體的打印機，一直是文件檢驗中的一個亟待解決的問題5。隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，人們逐步嘗試使用圖像處理和模式識別技術(shù)來解決文檔檢驗問題。這種技術(shù)通過掃描儀將文檔掃描成文檔圖像，然后利用圖像處理技術(shù)從文檔圖像中提取一些能夠代表打印機固有特征的特

3、征，最后使用模式識別技術(shù)判斷文檔的打印機來源。近年來，這種基于圖像的無損被動打印取證技術(shù)16-27逐步發(fā)展起來，學(xué)者們提出了很多種方法。但是實際中情況非常復(fù)雜，對提取特征的影響因素主要包括：紙張類型的變換、打印機的老化、硒鼓中墨量變化和更換、掃描儀的不同。目前所提出的各種方法中的特征針對上述情況還并不是很穩(wěn)定，檢驗準確率還有待進一步提高。12本文貢獻在上述基于圖像的無損被動打印機取證技術(shù)中，學(xué)者們提出的方法主要集中在如何從含有墨跡的連通區(qū)域中提取打印機固有特征。本文從整體頁面上提取頁面幾何失真特征，實驗表明，該特征可用于打印機來源認證。本文分別用投影變換模型和彈性變換模型來對頁面幾何失真進行建

4、模，提取模型的參數(shù)作為打印機固有特征。本文的主要貢獻如下：(1)綜述打印文件取證技術(shù)本文總結(jié)歸納了2002年以來的打印取證技術(shù)，介紹各種取證技術(shù)主要思路。目前在打印機取證技術(shù)領(lǐng)域，主要包含兩大類技術(shù)：主動取證技術(shù)和被動取證技術(shù)。本文所研究的內(nèi)容屬于被動取證技術(shù)。(2)提出了利用矩和矩陣函數(shù)進行判別本文最大的貢獻就是利用矩陣相關(guān)知識來取證研究。文中具體介紹通過行斜率變化規(guī)律實驗發(fā)現(xiàn)頁面幾何失真現(xiàn)象的過程。文中分別采用了投影變換模型和彈性變換模型來模擬頁面幾何失真現(xiàn)象，并實驗了兩個模型在文檔來源認證中的具體性能，比較了兩種模型在各方面的相似和不同之處，并比較了它們各自的優(yōu)缺點。13論文結(jié)構(gòu)本論文各

5、章的結(jié)構(gòu)組織如下：第一章為緒論，主要介紹了研究背景和意義，同時介紹了本文主要貢獻。第二章為打印文檔取證技術(shù)概述，主要從主動和被動兩個方面進行介紹。第三章介紹如何通過矩陣知識進行相關(guān)取證研究。第四章在對全文進行總結(jié)歸納的基礎(chǔ)上，展望了本文工作的可能發(fā)展。2打印機取證技術(shù)綜述本章將打印取證技術(shù)分為主動打印取證技術(shù)和被動打印取證技術(shù)兩類。主動取證技術(shù)通過嵌入外部特征實現(xiàn)取證；被動取證技術(shù)則利用了文檔打印過程引入的固有特征。21主動打印取證技術(shù)主動取證技術(shù)向打印文檔中嵌入水印信息，使文檔具有視覺不可見又可供算法識別的外部特征(extrinsic siemature)，從而實現(xiàn)打印文檔的主動取證。目前主

6、要包括以下典型技術(shù)：打印機廠商在部分品牌彩色激光打印機的打印品中嵌入視覺不可見的黃色斑點陣列信息：有很多學(xué)者研究了在打印機半色調(diào)算法中嵌入視覺不可見的水印信息；而purdue大學(xué)的edward j dclp團隊通過改變打印機機械級參數(shù)10-15控制墨點大小和位置來嵌入視覺不可見的外部特征。以上方法和思想分述如下：(1)彩色激光打印機的黃色斑點信息激光打印機的制造商很早就考慮到其高性能的辦公設(shè)備可能會給偽造文件者提供方便。于是在打印機輸出文件中嵌入了可供追查文件來源的水印信息。在電子先鋒(eff，eiecli_omc frontier foundation)的網(wǎng)站6上，報道了施樂彩色撇光打印機在

7、輸出文檔中嵌入規(guī)則的黃色斑點陣列，如圖21所示，以此記錄文檔的打印機型、打印時問等信息。在文獻中針對彩色激光打印機的黃點嵌入機制給予了一些實驗性研究工作的報道7-9。在圖2. 1中，左圖為實際掃描的黃色斑點圖，其尺寸要大于實際；右圖為人工繪制的藍底黃點圖，用以說明斑點陣列的編碼格式。 圖 2.1 施樂彩色激光打印機的黃色斑點陣列及其編碼格式eff統(tǒng)計了18個廠商的209種型號的彩色打印機，具體如表21所示。其中141種型號含有可追蹤來源的黃色斑點，57種型號不含有，剩余的11種型號未知。從中可以看出，有67的彩色激光打印機嵌入了黃色斑點陣列信息，其它沒有嵌入黃色斑點陣列的打印機可能采用了其它未

8、知的技術(shù)嵌入了水印。對于含有黃色斑點的彩色打印文檔，可以通過提取黃點陣列信息準確的找到其來源打印機。但是，占據(jù)市場上份額非常大的黑白激光和噴墨打印機是不可能嵌入“黃色的墨點水印的。所以這種可靠且簡易的方法存在很大的局限性。 表2.1各品牌彩色激光打印機是否嵌入黃色斑點型號統(tǒng)計表 (2)半色調(diào)算法級水印嵌入半色調(diào)算法級水印嵌入通過調(diào)整基n)異(screening)、差錯分散(error diffusion)和搜索(searching)等算法的半色調(diào)處理過程實現(xiàn)水印嵌入。它們的計算復(fù)雜度很高，不適合于實時打印應(yīng)用10。該類方法的討論超出了本論文的研究內(nèi)容，不詳細介紹。(3)打印機機械結(jié)構(gòu)級水印嵌入

9、該類方法通過調(diào)整打印機機械結(jié)構(gòu)的處理參數(shù)來實現(xiàn)水印嵌入。在研究了打印文檔中可用于判斷打印機來源的條帶特征11的基礎(chǔ)上,可以事先通過調(diào)整激光強度產(chǎn)生這種條帶信號12，但是它的數(shù)據(jù)嵌入容量非常有限。為了增大數(shù)據(jù)嵌入容量，edward jdelp團隊又提出了基于邊緣粗糙程度131和激光曝光調(diào)制14的改進方法，它們本質(zhì)上仍然是調(diào)節(jié)激光強度嵌入條帶特征。最新的研究成果是通過調(diào)節(jié)半色調(diào)圖像中墨點的位置來嵌入信息10,15，它具有更好的魯棒性和嵌入容量。22被動打印取證技術(shù)被動打印取證技術(shù)從文檔中提取了能夠代表打印機個體的固有特征，使用模式識別的分類技術(shù)進行訓(xùn)練和分類，實現(xiàn)追蹤文檔的打印機來源。221現(xiàn)有被

10、動打印取證技術(shù)框架為了能夠深入理解打印機的固有特征，了解激光打印機的工作過程是非常必要的。激光打印過程如圖22所示，共有6步：(1)感光鼓均勻充電；(2)激光掃描感光鼓，對特殊區(qū)域放電；(3)放電區(qū)域吸附墨粉；(4)感光鼓上的墨粉轉(zhuǎn)印到紙張上；(5)墨粉與紙張相融合；(6)清潔感光鼓。打印機結(jié)構(gòu)中的電子機械設(shè)備的不理想會導(dǎo)致打印輸出中存在缺陷11。由于這些“缺陷”直接和打印機結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以認為是打印機的固有特征。圖2.2激光打印過程框圖:(a)充電(b)曝光(c)附墨(d)轉(zhuǎn)印(e)融合(f)清墨為了便于大家理解，我們將通過和攝影過程做對比來解釋這個六個步驟的作用。步驟作用對比攝影過程充電將感

11、光鼓表面充滿電荷制造膠片感光通過激光束的掃描，在感光鼓上形成靜電潛像拍照顯影將帶電墨粉顆粒吸附到靜電潛像區(qū)，形成可見的墨粉圖像沖洗底片轉(zhuǎn)印將感光鼓上的墨粉圖像轉(zhuǎn)移到紙張上在相紙上放像定影通過加熱加壓將墨粉融化固定在紙張上沖洗相紙消影清除感光鼓表面的殘余墨粉和電荷制造膠片的片基 表2.2打印過程和攝影過程的對比激光打印機工作原理:(1) 激光打印機的核心技術(shù)就是所謂的電子成像技術(shù)，這種技術(shù)融合了影像學(xué)與電子學(xué)的原理和技術(shù)以生成圖像，核心部件是一個可以感光的感光鼓。(2) 打印機接收到計算機傳來的打印內(nèi)容后，將其轉(zhuǎn)換為激光驅(qū)動信號，激光頭發(fā)出的激光束通過一個轉(zhuǎn)動的棱鏡反射到充滿電荷的感光鼓上，隨著

12、棱鏡的轉(zhuǎn)動，激光束從感光鼓的一端掃描到另一端，感光鼓被掃描到的部分電荷消失，形成靜電潛像，將帶電的墨粉顆粒吸附到感光區(qū)域（靜電潛像區(qū)域），形成可見的墨粉圖像，再將墨粉轉(zhuǎn)印到打印介質(zhì)上，最后通過加熱裝置將墨粉熔化固定到打印介質(zhì)上。對目前所掌握的文獻進行總結(jié)歸納，對文檔進行取證的過程框架如圖2.3所示： 圖2.3目前打印機被動取證技術(shù)的實現(xiàn)過程框架針對掃描得到的待取證的文檔圖像，主要經(jīng)過預(yù)處理、對字符圖像提取特征、分類/分割三個步驟實現(xiàn)文檔的取證工作。預(yù)處理過程用于完成前期處理工作，包括圖像二值化,斑點墨跡噪聲的消除,字符圖像分割和字符識別工作.在文獻26中還使用了直方圖匹配和空間校正的預(yù)處理步驟

13、來分別統(tǒng)一字符的灰度直方圖變化范圍和尺寸。對字符圖像提取特征主要分為9類，如表2.2所示： 表2.3被動取證技術(shù)提取特征的分類分類/分割則針對上述提取的特征，使用svm分類器進行分類實現(xiàn)文檔的來源取證，或者使用區(qū)域分割的技術(shù)判斷文檔是否經(jīng)過偽造篡改。同樣可以采用其它的分類和分割方法實現(xiàn)類似的功能。222現(xiàn)有被動打印取證技術(shù)詳述下面分別將這9類方法簡單描述如下：(1)打印質(zhì)量分析02年john oliver16等借助于imagexpert專業(yè)打印質(zhì)量分析軟硬件，將提取的打印質(zhì)量特征用于打印機來源取證，具體包括：線寬度、粗糙度、拖墨度、點圓滿度、周長、周圍散落墨點數(shù)等特征。imagexpert公司

14、是專門為hp等打印機公司提供打印質(zhì)量分析工具的公司，它們可以幫助打印機廠商更好的完成新型打印機的質(zhì)量性能檢測評價。該方法需要借助專業(yè)軟硬件，掃描分辨率要求較高。(2)共生矩陣特征之前有很多學(xué)者在研究如何改進打印機的控制程序以更好的消除打印文檔中包含條帶現(xiàn)象，而05年edward jdelp團隊則利用了這種條帶特征進行打印機取證。由于文本文檔由較小的字符連通區(qū)域組成，提取條帶存在困難，他們在05年從打印的“e”字符圖像中提取了描述紋理的共生矩陣特征17。該方法實驗中要求的掃描分辨率為1200dpi。edward jdelp團隊在該領(lǐng)域的研究最活躍，03年至今發(fā)表文獻有22篇左右，其中5篇綜述，7

15、篇關(guān)于提取固有特征的被動取證技術(shù)，10篇關(guān)于嵌入外部特征的主動取證技術(shù)。最近幾年，該團隊在嵌入外部特征的主動取證技術(shù)方面做的工作更多一些，他們與機械電子專業(yè)的團隊進行合作，完成打印機內(nèi)部的硬件改造。(3)灰度級特征04年jack tchanl8提出的特征包括：邊緣銳利程度、表面粗糙度、圖像對比度，要求的掃描分辨率較低，但僅實驗圓點和方塊圖像內(nèi)容的文檔，并沒有實驗文本字符。06和08年，thomas breuel等提出了一些基于普通紋理和邊緣描述的灰度級特征19-20，這些特征與04年jack tchan提出的特征有些類似，所以將其統(tǒng)稱為“灰度級特征”。文中給出了特征具體計算公式，便于實現(xiàn)，而且

16、實驗結(jié)果很詳細。該方法所需的掃描分辨率較低，適合應(yīng)用在銀行的高吞吐量文檔管理系統(tǒng)中。(4)不變矩特征06年cyril murie等提出不變矩特征21用于打印機來源取證。不變矩最早由mhu于1962年提出，針對圖像的旋轉(zhuǎn)、縮放、平移操作，這些不變矩特征值基本不發(fā)生變化。目前已有其它的矩提出，例如legendre矩或complex zemike矩。作者僅觀察了實驗樣本的hu矩特征分布，發(fā)現(xiàn)它們在不同打印機之間存在可分性，而沒有具體分類準確率。(5)字符圖像質(zhì)量評價07年孔祥維等和08年haeye01m1 lee等均提出了字符圖像質(zhì)量評價特型22-23。從文檔圖像中分割得到字符圖像，然后獲得其高斯濾

17、波圖像以及噪聲圖像，并在這三幅圖像中或相互之間提取了字符圖像質(zhì)量評價特征。使用svm分類器對每個字符圖像提取的特征進行分類，然后每頁文檔的所有字符圖像進行投票得到該頁文檔的分類結(jié)果。(6)字筆畫周長面積等07年韓國強等在漢字識另j(ocr)-i-具包的基礎(chǔ)上，提取識別后的字符筆畫周長面積等特征24，并將其應(yīng)用于打印機的來源取證。文中采用模糊分類器進行分類，并給出了10臺打印機的實驗結(jié)果。(7)字符間距離變換08年陳慶虎等對訓(xùn)練和測試文檔圖像進行預(yù)處理，以獲得歸一化的打印字符圖像，并使用ocr算法對其進行識別。對訓(xùn)練和測試文檔圖像中的字符圖像應(yīng)用距離變換1251，計算測試文檔字符圖像與每類訓(xùn)練文

18、檔字符圖像的距離，與其距離最小的類將確定為該文檔的打印機來源。(8)打印機失真模型08年hany farid等利用主成分分析算法(pca，principal component analysis)構(gòu)建近似打印機失真模型26，并根據(jù)字符圖像與各打印機失真模型的匹配程度來判斷打印機來源。針對從文檔中分割出的含相同字符的字符圖像,.進行圖23中預(yù)處理階段虛線框中的直方圖匹配、空間校正步驟,使得每個字符圖像大小相同，然后對此字符圖像集合應(yīng)用pca方法,提取字符圖像均值和最大特征值對應(yīng)的特征向量構(gòu)成打印機失真模型。實際的打印機失真模型非常復(fù)雜,文中只是以pca方法進行了近似。另外，文章針對一頁文檔是否經(jīng)

19、過偽造(如二次打印)提出了一種解決思路。作者利用了圖像分割中成熟的normalized cut分割思想，以任意兩個字符的打印機模型匹配度和空間距離作為依據(jù)，將圖像分割成兩部分。如果分割的代價較小，則認為分割正確，分割得到的兩部分分別由不同的打印機打印得到；如果分割代價較大，則認為該文檔中所提取的這些字符均由同一臺打印機打印得到。(9)尖齒輪痕跡特征02年yoko seki等發(fā)現(xiàn)了噴墨打印機中傳動紙張的尖齒輪會在紙張上留下痕跡，稱為尖齒輪痕跡27(spurmarks)。通過對尖齒輪痕跡特征的提取，來區(qū)分不同的噴墨打印機。使用紅外光傾斜一定角度照射打印紙張，可以從紅外照相圖像中提取出尖齒輪痕跡，使

20、用radon變換和傅立葉變換估計尖齒輪間距等參數(shù)，判斷文檔的噴墨打印機來源。特征提取過程中使用的紅外照，相設(shè)備并不常用，實驗表明，從普通的文檔掃描儀掃描的文檔中觀察不到尖齒輪痕跡。2.2.3現(xiàn)有被動打印取證技術(shù)分析上述方法均從文檔圖像含有墨跡的連通區(qū)域或字符區(qū)域中提取特征，所以這些特征不同程度的受到打印文檔墨跡濃淡變化的影響，這將降低文檔來源的判決準確性。farid實驗了墨跡濃淡對判決結(jié)果的影響,實驗表明,其方法的判決結(jié)果更多地取決于墨跡濃淡程度而不是打印機個體。本文首先通過預(yù)處理獲得特征點對集合,然后利用形態(tài)學(xué)的相關(guān)知識從中提取字符的相關(guān)特征。而這些特征點是經(jīng)過圖像處理過的，所以與上述方法相

21、比較,本文方法對墨跡濃淡變化具有更好的穩(wěn)定性。23小結(jié)綜上所述,基于機械結(jié)構(gòu)級的主動打印取證技術(shù)需要機械方面的專業(yè)技術(shù)來控制打印過程,并且該方法要得到打印機生產(chǎn)廠商的支持；被動打印取證技術(shù)雖然取得了一定的成果,但所提取的特征對墨跡濃淡變化還不夠穩(wěn)定，需要進一步提出新的特征以及對打印過程進行更完善的建模。4結(jié)論和展望41本文研究內(nèi)容和貢獻本文將打印掃描過程理解為圖像退化過程,即由理想圖像退化為文檔圖像的過程。本文主要挖掘了幾何失真退化部分,具體地本文所研究的內(nèi)容和貢獻如下：(1)綜述打印文件取證技術(shù)本文總結(jié)歸納了2002年以來的打印取證技術(shù),詳細介紹各種取證技術(shù)的細節(jié)。在目前的打印機取證技術(shù)領(lǐng)域

22、，主要包含兩大類技術(shù):主動取證技術(shù)和被動取證技術(shù)。本文所研究的內(nèi)容屬于被動取證技術(shù),但是兩者在打印機取證中相互補充。所以,本文也簡要敘述了主動取證技術(shù)。(2)發(fā)現(xiàn)了文檔頁面幾何失真特征本文最大的貢獻就是發(fā)現(xiàn)了頁面幾何失真特征。文中具體介紹了頁面幾何失真的發(fā)現(xiàn)過程,并分別采用了投影變換模型和彈性變換模型來模擬頁面幾何失真現(xiàn)象,并實驗了兩個模型在文檔來源認證中的具體性能。比較了兩種模型在各方面的相似和不同之處,并比較了它們各自的優(yōu)缺點。6.2后續(xù)工作展望打印文檔取證工作中的難點是如何提取出能夠代表打印機個體的固有特征。學(xué)者們從不同角度提出了很多特征,但是它們的有效性都并不是很理想。打印和掃描的過程

23、中所包含的因素太多,導(dǎo)致在系統(tǒng)的建模和理解過程中,因為太過復(fù)雜而無法準確的建模。有學(xué)者對打印過程和打印掃描過程進行建模,但他們的模型都相對比較簡單。本文對未來工作的展望主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)針對本文所提出的幾何失真特征,其產(chǎn)生的原因還只是一種推測,如果要找到真正的原因,需要與機械電子專業(yè)的相關(guān)人員進行合作，通過調(diào)整打印機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)驗證其對頁面中的幾何失真現(xiàn)象的影響。對打印設(shè)備內(nèi)部硬件的工作過程，尤其是機械傳動設(shè)備的工作過程的深入理解有助于我們理解和發(fā)現(xiàn)打印機的固有特征。(2)特征的穩(wěn)定性是一個需要長期實驗解決的問題。由于打印機的壽命通常比較長,正常一臺打印機的生命周期在幾年左右,在一臺

24、打印機從新到舊的過程中，學(xué)者們所提取的特征是否發(fā)生明顯的變化?有哪些特征是不隨改變的?改變的趨勢或者周期具體如何?以及在不可避免的更換硒鼓的過程中,這些特征是否受到影響?這些都是需要通,過長期的實驗才能夠解決的問題。 參考文獻1支鉞談理化分析方法在文件檢驗中的應(yīng)用遼寧警專學(xué)報,2004,(2):51-52.2王迪,黃敏靜.噴墨打印文件檢驗研究.廣東公安科技,2006,(1):23-25.3劉寧.噴墨打印機種鑒別方法及流程.江蘇警官學(xué)院學(xué)報,2005,20(6):147-1514陳寧，張曉霞，張建華等拉曼光譜技術(shù)及其在物證鑒定中的應(yīng)用中國人民公安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,(2):1-45

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29、nd secure printing in electrophotography.proceedings of the is&ts nip21:international conference on digital printing technologies,baltimore,md,2005:231-23414mikkilineni a k,chiang p j,suh s et a1.information embedding and extraction for electrophotographic printing processesproceedings of the spie i

30、nternational conference on security，steganography，and watermarking of multimedia contents viii,san jose,ca，200615suh s,a1lebach j p,chiu gt c et a1.printer mechanism-level data hiding for halftone documents.proceedings of the is&ts nip22:international conference on digital printing techn0109ies,denv

31、er,co,2006:436-440163 john oliver，joyce chenuse of signature analysis to discriminate digital printing technologies.proceedings of the ists nipl8:international conference on digital printing technologies,san diego,ca,2002:218-22217 mikkilineni a k,chiang p j,a1i g n et a1.printer identification base

32、d on graylevel co-occurrence features for security and forensic applicationsproceedings of the spie international conference on security，steganography，and watermarking of multimedia contents vii,san jose,ca,2005:430-440.183 jack tchan.the development of an image analysis system that can detect fraud

33、ulent alterations made to printed images.proc.of the spie international conference on optical security and counterfeit techniques v,san jose,ca2004:151-15919christoph h.lampert,lin mei,thomas m.breuel.printing technique classification for document counterfeit detection.ieee international conference

34、on computational intel l i gence and securi ty,guangzhou,china,2006:639-64420chri stian schulze,marco schreyer,armin stahl et a1.evaluation of graylevel-features for printing technique classification in highthroughput document management systems.international workshop on computational forensics,washington,de,2008:35-46213 v.talbot,p.perrot,c.murie.inkjet printing discrimination based on invariant moments.proceedings of the is&ts nip22:international confer