2011年2月电子与信息学报 JournalofElectronicsInformationTechnology Vbl.33No.2 Feb.2011 计算机激光打印文档鉴别与检索 …(武汉大学电子信息学院武汉430079)…(华中师范大学信息技术系武汉430079) 摘要:该文为解决计算机对打印文档的自动鉴别与检索问题,研究激光打印机的工作机理,以器件特性反映到打 印图形中的差异做为打印文档鉴别与检索的依据。设计一种新的双极性Hausdorff距离用于有效的一对一打印字符 匹配,之后综合样本的所有字符,采用字符集匹配计算二次距离进一步提高打印图形鉴别和检索的准确性。实验表 明该方法能够取得较为理想的效果,其中检索正确率为90%,鉴别最小错误率为17.80%。 关键词:图像匹配;文档鉴别与检索;双极性Hausdorff距离 中图分类号:TP391.4 文献标识码:A 文章编号:1009.5896(2011)02—0499-05 DOI:10.3724/SP.J.1146.2010.00230 Computer LaserPrintDocumentIdentificationandRetrieval TuYah.kai。 Chen Qing-huDeng W.ei …(Schoolo,ElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430079,China) …(DepartmentofInformationTechnology,Huazhong Normal University,Wuhan430079,China) Abstract:Inthispaperlinerprintermechanismis researched,andintelligentprintdocumentidentificationand retrievalareachieved bymeasuringprintshape deviationwhichreflectstheintrinsictolerancesofprinterdevice.A novelpolar Hansdorffdistanceis proposedtoobtaineffectiveperformanceoftheprintshapematching.Print charactersetincludingallsamplesis appliedtocompare improvetheidentification andretrievalaccuracy. Experimentalresultsshowtheapproachissuitableforthisapplication inwhichthe accuracy is90%forretrieval andtheminimumerrorrateis 17.80%foridentification. Key170rds:Imagematch;Document identificationandretrieval;PolarHausdorffdistance 引言虽然计算机笔迹鉴别与检索在人工智能、物证、 信息安全等领域中仍具有重要作用,但是在当今数 字社会却遇到了新的问题。电脑与打印机的普及使 手写文档逐渐被打印文档取代,如何利用计算机准 确鉴别两份打印文档是否由同一打印机打印从而判 断文档的真伪,或依据已知打印源的样本检索出可 疑文档的来源,成为现代信息安全领域中的迫切需 虽然目前相关的方法极少报道,但也有一些研究者开始致力解决该问题:水印法11J在纸张中嵌入自 然光下不可见的浅黄色水印,记录下打印机的编号 信息,但水印的安全性还存在缺陷,易于被篡改或 伪造,并且在大多数情况下,人们需要“被动”地 2010-03-11收到。2010-06-10改回 公安部重点科研项目(014227101)和湖北省科技攻关项目 (2006AA301844)资助课题 +通信作者l涂岩恺yanqueeQqq.COrn 提取打印文档中能反映打印机特性的痕迹特征。条 带特征是激光打印机的固有特征【21,由于打印机内部 器件转动速率的变化,会在打印图像上产生细微的 灰度条纹,文献f3】利用灰度投影及频谱变换提取特 征,取得较理想的鉴别效果,然而条带特征只存在 于打印人影区,因此只能对打印的灰度图像进行特 征提取,对于纯黑色的打印文字无法提取特征。为 了对纯文字的激光打印文档实现自动鉴别或检索, 研究了激光打印机工作原理,发现激光打印机内部 器件的参数公差造成打印文字的局部形变,通过放 大图像采集得到清晰的形变图像,设计~种新的双 极性Hausdorff进行有效的图像匹配,实现准确的 鉴别与检索。 2激光打印原理与关键参数 激光打印过程分为6个步骤f4】=充电、感光、显 影、转印、定影和消影。图1为激光打印原理图: 首先充电步骤使晒鼓表面带上均匀电荷,然后数字 信号控制旋转多棱镜反射激光束扫描晒鼓,由于感 万方数据 电f与信息*搬 *33# 光原理,激光束a-晒撤表面l:剿画出不一*电的潜影 区,潜影的产生即是将需引印的数‘}内容转化为扪 印图形。之后通过转印步骤将墨粉附着丁潜影区, 通过…热加压的定影将墨粉崩定在纸张E。最后消 除刚撤f:残留的墨糟和电荷以进入下个打印循 托中旋转多棱镜控制激光束产生满影图像培最戈键步骤.它将电腑传递给打印机的数字信号转化 为纸张r的nr视图形。理想情况r.旋转棱镜均匀 帖齐地反射激光束.产牛与数字信号相同的劓印罔 嘭。然而山1。旋转棱镜在制造巾存a参数公筹H.这 堪关键的参数公簋造成了激光束的非规则反射,从 n】使印图形m现彤变。旋转多棱镜的关键公莘如 蚓2所示.t噩包括反射面公筹0午反射面一筚面 公差d。通世人量尘验观察发现,反射面公差o 造成激光f1描线的不对卉排列(如图3).撼丽.反 射ln】公差H会使激光￡1描线产生1F均匀间距f{c『【圈 {).这些非胤jl!l|门描线造成了村{应的打印圆形局部 然晰单行扫描线所产生的潜膨区域f'分微小.在普通视野下无法被观察到。为此我们开发了放大 图像呆集,F音,由T业CCD组台56倍光学故^镜头采集图像,从mJ能够捕获并利用这蝗扣印形变 特征,囝3与国4中的打印字符图像萨是由该放大 凹像采集平台拍摄。 e、、ie| 3打印图搿匹配 由十每台打印机的旋转棱镜独有的参数公筹在 感光成像时导致打印图形蟛变,田此利用形状匹配 进行文档鉴别与椅索是一种可行方法吼但文献『71 中采用距离娈换进行单个字符匹配的鉴别率偏低. t要原因在于打印过程存存报大的不稳定性。首先 是激光扫描线有随机性,即生成相同字符潜影的第 1条扫描线未必都是山相同反射面反射。凼此I司机 打印相同字符的扫描线排列顺序不一定完全吻台。 第2个不稳定刚桑在丁打印机内部加热朋压的过程 引入电气噪声.造成蟓本光滑的打印图形边缘剧烈 抖动.在}B状匹配时带来噪声距离.影响了鉴别与 捡桊的准确性。为,克服边缘抖动噪声.在单个字 符匹配时我们设计了种新的职极性Hausdorff距 离来中和由噪声产生的噪声距离并憬留代表形变程 度的特征距离。为抵消扫描线的随机影响.采用字 符集旺配代许单个字符匹配.用CemoredHausdorff 原|IlPJi…进行第2次Hausdorff距离计算来确定阿个字 符集的距离。 3.1双极性Ha瑚dorif距离 Hausdorff距离(ItD)L*]及其许多的改进形式是 豳像匹配的肯效方法。假设两个需匹配的图形 ‰'由点集构成,Hau耐orff距离定义为 酬,6)通常为两点欧氏距离。为了提高传统Hausdorff距离的抗下扰能力.出现了许多改进形式 的Hausdorff距离.主要有PartialHaasdorff fPHD)I”j,ModifiedHau耐orfffMHDllllE.Censored HrawforfffCHD)Iq,以及M-HD和L1’S-HD‘” 这些传统的Hausdorff距离改进形式,本质t万方数据 *2J唧 呐匹眦避一离最小以达到有效的旺配和姒别。然mII|j十打印。#符车身十分_}似,由器什公置造成的形变 往往d;是邹l微fn局j;|I带状形变.传统A浊样易把特 祉距离连同卜执距离等川对待.不能商效地保留特 什参数公差造成的特征趴离.排除封l糙边缘的下扰距离咀进}亍有效的豁别与幢索。为此我们设计r 种新的积极性Hmlsdorff距离fP.HD):可咀111ll察到. 边缘竹粗,选抖动往往使棚H匹配的边缘u现波浪空 予双极性,通过般极性距离求和柬抵消扣瓦交错的边缘抖动距离。P—HD原理如图5所小。 %与妇代表两个打印图彤的边缘.在采用 Hausdroff距离匹配时先对耐4,6)赋予双极性: 州)=E-d(a”.b-d(’)篇 噪声距离与小址著形蹙特钲:距离。式幅)中,^’,什^表示边缘点凸|j右并^个连续相邻边缘点,通 过*1甫;区域求和使止中的嵘小距离由r波动的双撒 性fm抵潲:小碰著特祉雠一离虽然与噪声距离神绝对 值J.棚近.fL}由r通常是带状形盘.1划此在肺部邻 城内没有波动件.除边界部分被中和之外.大部分 被保留F束。依据生产旋转棱镜的允许公差范围, 艘^适宜墩3到52问的常数。参数k用十调节 中和il算的程度.当-0时役钶距1耋i参与中和计 算.吲此敢撒性HamcclorffjJ|}化为传统MHD:随着 女增大越多噪声距离被中和,但k值垃大时.极性丰日 反且相邻的显著彤变特祉距离会发生中和.丢失较 多的匹配距离值;因此需通过实验选取台理的^值 3.2字符集匹配对于每份澈光打印文档,我们抽取多个相同字 符构成设立档的字符集。一般来说,为了均匀地抽 戢分布在打印页1.的相同字符,对英文文档抽取出 现频率最高的字母…e.一p立文档抽取句号或逗号 构成字符巢。进m剐鲁棒性较好魄Censored Hausdoff距离进行二次距离刊算,通过字符集匹配 抵消随机扫描线的影响。假设从文档x均匀抽取了 取n个:t2{K-.k,,k。),南表示字符五.与字符一.的P.ttD距离.则字符置.与字符集y的距离 股柬说,0取粜台总数的5%,P舣95%,同理求字符集Y到x的距离Drx,最后得到综合距离: (10)距离越小意味着岍份文档的打印图形存总体l越相 似,则鉴定两份文档源11删寸r印机的可能性越高。 在扣印文档检索时.汁算nr疑文档与数据库内已知 采源的样奉的匹配*n离.找冉距离最小的样本即可 得到ur疑殳档的柬源, 4实验结果与分析 为丁检验所掘小的A、埘打印文档鉴别/检索 准鼬性,赏验建宜丁乜禽60台激光扣印机文档的数 据m."-}|锥台印机采川T…NewR【)ma五号 ‘,印仃曲a’英文史措。山J P-tlD+Ij‘0改进懵 』fn Hasdorff*-离的m川f1标币川.MHD为 nlID的特昧形式,|J{此蠕验选择rHD、MIID以 万方数据 电子与信息学报 第33卷 及距离变换(DT)与P.HD进行比较。 字符集匹配包含字符越多,鉴别和检索效果越 好,但数量大于某一值后效果逐渐稳定。对每份文 档抽取60个英文母e做为字符集。在检索实验中, 用每台打印机的一份文档做为样本库,另一份文档 做为测试。将测试文档与样本库内的样本逐一进行 匹配,找出匹配距离最小的样本为检索结果。采用 P—HD检索正确率曲线如图6所示。 三角曲线采用字符集匹配,圆点曲线为单个字 符匹配的检索正确率曲线。总体来看字符集匹配的 检索正确率要好于字符匹配。检索率随参数七值变 化,当k值取0.3~0.4时取得最好的实验结果,字符 集匹配的检索正确率达到了90%。这也高于采用其 它方法进行相同实验的检索正确率:DT的检索率 为78.3%,HD的检索率为80%,采用MHD的检索 率为81.7%。 在鉴别实验中将打印文档两两匹配,采用阈值 判断打印文档是否为同一打印机打印,如果匹配距 离小于阈值则认定为同机打印,反之拒绝认定,对 鉴别错误率进行统计。图7为采用4种距离的鉴别 错误率曲线,每条曲线反映了错误拒绝率(FRR)和 错误接受率(FAR)随阈值变化的情况。依据P—HD 的七值在检索实验中的效果,鉴别实验中取后值为 O.35。图7中P—HD(C)表示P.HD字符集匹配, P.HD(S)为字符匹配,其它距离均采用字符集匹配。 图6P-HD检索率随参数七变化曲线 参考文献 李江春.利用暗记特征鉴别彩色激光打印、复制文件闻.刑事技术。,(1):26—28. LiJiang-chua.P州捌吐ialofidentfficationdeofIorbaser pri圳珂indocument examination[J].Forens/c Scienceand Technoto鲫2009,(1):26-28. [21 LinG,Gr/ceJ,andAUebach J.B柚ding artifactreductionin electrophotographic printers by面ng pulse width modulation[J].,,“en嘻口“onal Jounudo/ImagingsbierM慧and 死cJl肿蛔寥,2002,硒(4):326—337. 通过实验比较,P—HD(C)的鉴别错误率相对最小, 当阈值取2282时最小错误率为17.80%,其中FAR 为10.47%,FRR为7.33%。由于检索是一对多的比 较,具有相对性,因此检索正确率较高,优于采用 固定阈值的一对一鉴别。 5结束语 本文研究了激光打印文本文档的鉴别与检索问 题,首先分析了激光打印的原理,通过实验观察发 现激光打印机内部关键器(旋转多棱镜)的参数公差 造成打印图形形变。设计了新的双极性Hausdorff 距离用于衡量打印字符的形状匹配程度,并采用字 符集匹配的方法进行二次距离计算。实验表明本文 方法更适合打印图形匹配,取得了更理想的检索和 鉴别结果,其中检索正确率为90%,鉴别最小错误 率为17.80%。 然而打印文档的检索与鉴别还存在许多问题: 另一大类型的喷墨打印机由于打印不稳定因素更为 复杂(温度、电压、气压、墨水成份)因而如何提取 稳定特征进行鉴别与检索存在更大难度。本文的研 究进行匹配的打印字体与字号必须相同,因此更适 用于连续打印文档(如伪造合同中的某页)的鉴 别,要使计算机打印文档鉴别与检索能广泛应用于 各种场合,还需要长时间更加深入的研究与探索。 图7鉴别错误率曲线 13] AliGN,ChmgPJ,andMikkilineaiAK,et口￡.Intfinmc andactrinsicmgnaturforinI;ormation hidingand氍霸峨 pfintingwithelectropho婶aphlcdevic档【c】.Proedinp theIS&T’8N口19:It唧ati伽IaI Co础er蛐OnDigital PriIlti鸭nchIogi鹤,New Orleans,Septemb日,2003: 5ll—515. 【41 chiagPei-ju,Kha珊N,andMil‘l‘ilinl嘶A,doL.P妇 and敏ann盯fore.ca{J].IEEE蜀i矿lnfPh旧明城,姆劓ra鲋嘲岛 2009,26(2):72一船. 15】 张树仁,陆博良.飞切多棱镜分度装置及其误差分析IJ】.长春 光学精密机械学院学报,1992,15(4):8-12. 万方数据 涂岩恺等:计算机激光打印文档鉴别与检索503 Zhang Shu renandLuBo-liang.Indexunitfor ultraprecision machiningpolygon mirrorsanditserror analy.is[J].乃伽m耐 olChangchunInstitute01 Optics andFineMechanics.1992. 15(4):8-12. TuYah kai,ChenQing.hu,andLiaoLi-juan,et口己.Research onPrintQuaHtyAssessmentandIdentification:Evaluation ofPrint EdgeRoughness[C].International Conference Computational Intelligence SoftwareEugineering, Wuhan.December2009:1—4. DengWei,ChenQing-hu,and YuanFeng,etd工.Printer identification based distancetransform[C].IEEE International Conference IntelligentNetworks IntelligentSystems,Wuhan,January2008:565—568.PaumardJandAubourgE.Adjustingastronomicalimages using acensored Hansdorff di8tance[C]. International ConferenceOn ImageProcessing,SantaB时b盯a,October 1997:232—235. HuttenlocherDP’KlandermanGA,andRucklidgeWJ. Comparingimagusing theHausdonff distance[J].IEEE TransactioonPatternAnalysisandMacMneInteUigetI舷 flo】 【111 【12】 1993,15(9):850—863. HuttenlocherD P,Rucklidge WJ,andKlandermanGA. Comparing images using Hausdorffdistance under translation[C].IEEE Conf.on Compnt.Vision Pattern Recugn,Champaign,June1992:654—656. DubuissonMPandJainAK.AmodifiedHausdorffdistance objectmatching[C].12thIAPRIntemationalConf.on PatternRecogn.Jerusalem,October 1994:568—568. SireDonpgyu,KwonOh-kyu,andParkRae-hong.Object matching algorithms using robust Hausdorff distance measures[J].IEEE TransactionsOft ImageProcessing,1999, 8(3):425—429. 男,1957年生,教授,博士生导师,研究方向为信号检测、机器视觉、智能控制. 男,1982年生,博士,讲师,研究方向为图像处理、模 式识别. 万方数据