Skaner do kryminalistycznej analizy dokumentów
Praca naukowa finansowana za środków na naukę w latach 2008-2010 jako projekt rozwojowy R 00 0027 06 pt. „Polimorficzny skaner do kryminalistycznej analizy dokumentów w zakresie submikronowym”, zrealizowana przez konsorcjum naukowo-przemysłowe w składzie:
Politechnika Wrocławska
Wydział Mechaniczny
Centrum Zaawansowanych Systemów Produkcyjnych,
Uniwersytet Wrocławski
Wydział Prawa, Administracji i Ekonomii
Katedra Kryminalistyki,
Politechnika Wrocławska
Wydział Elektroniki
Instytut Informatyki, Automatyki i Robotyki
KGHM Letia Legnicki Park Technologiczny S.A.
Badania kryminalistyczne dokumentów
Badania dokumentów bazują na pomiarze i porównaniu cech pozostawionych przez narzędzie pisarskie. Zależnie od zastosowanej technologii nanoszenia znaków, obserwujemy różne efekty jej użycia: relief (długopis kulkowy), naddatek wysokości (toner drukarki laserowej), barwnik i pigment (atrament drukarki, markery, stemple) oraz zmiana struktury papieru.
Ilościowa charakterystyka powyższych cech różni się radykalnie np.: relief kulki długopisowej w zależności od podkładu i siły nacisku zmienia się w zakresie od 10μm do 120μm, zaś zmiana koloru podobnych, dla oka ludzkiego, past jest mniejsza niż 1 (ΔE CIELab), co powoduje, że badania takie nie są proste, a ich wyniki często są niejednoznaczne. Dodatkowe trudności sprawia wymóg nienaruszalności badanego dokumentu.
Na podstawie powyższych wymagań zaproponowano cztery główne domeny zastosowań technologii optycznych do kryminalistycznego badania dokumentów: obrazowanie 2D, topografia powierzchni, spektroskopia i rozpraszalność światła. Dla każdej z powyższych technologii opracowano układy skanowania, przetwarzania obrazów oraz wizualizacji i analizy danych.
W wyniku prac badawczo-rozwojowych opracowano również prototyp skanera kryminalistycznego obejmujący platformę programistyczną i sprzętową. Rozwiązanie wspiera badania dokumentów szczególnie w zakresie wykrywania dopisków i fałszerstw oraz ustalania chronologii tworzenia tekstu.
Obrazy 2D
Akwizycja
W opracowanym rozwiązaniu zaimplementowano funkcjonalność importowania zdjęć cyfrowych i skanów oraz fotografowanie dokumentów w skali makro i mikro z powiększeniami do 400 razy.
Dzięki możliwości zastosowania specjalistycznych oświetlaczy, uwypuklane są takie cechy pisma jak połyskliwość, relief, zmiany gęstości past pisarskich, itp.
Przetwarzanie obrazów
Przetwarzanie obrazów 2D, poprzez zastosowanie filtrów liniowych i nieliniowych oraz zastosowanie definiowanych przez użytkownika filtrów konwolucyjnych i morfologicznych, umożliwia uwydatnienie poszukiwanych cech pisma.
Opracowana funkcjonalność, dzięki możliwości rozszerzeń w postaci modułów specjalizowanego przetwarzania, takich jak wyostrzanie dekonwolucyjne, separacja kolorów, szkieletowanie, adaptacyjne metody segmentacji, etc. znacznie przewyższa możliwości oferowane przez najbardziej nawet zaawansowane programy graficzne.
Analiza i wizualizacja
Zaimplementowane moduły analiz specjalistycznych umożliwiają między innymi: badanie naciskowości narzędzia pisarskiego, badania chromatyczności znaków oraz wyznaczenie cech graficznych tekstu.
Duże znaczenie dla prawidłowej interpretacji i prezentacji wyników posiada uniwersalny moduł wizualizacji obrazów w formie fałszywych kolorów, mapy 3D, mapy barw CIE. Wszystkie te opcje dostępne są wraz z funkcjami pomiarowymi.
Topografia powierzchni
Akwizycja
Opracowano metody skanowania topografii powierzchni papieru z wykorzystaniem laserowego czujnika triangulacyjnego i czujnika konfokalnego chromatycznego oraz metodę rozszerzania głębi ostrości obrazów mikroskopowych (ang. infinity focus). Zależnie od zastosowanej techniki, rozdzielczość rejestracji wysokości zmienia się od kilkunastu nm do kilkudziesięciu μm.
Przetwarzanie obrazów
Funkcjonalność modułu przetwarzania obrazów 3D obejmuje filtrowanie artefaktów powierzchni, poziomowanie, wyłuskiwanie składowych wysoko-częstotliwościowych tj. obrazowanie struktury włóknistej papieru, porowatości tonera, etc. oraz nisko-częstotliwościowych np. zagnieceń i nierówności dokumentu. Zaimplementowane algorytmy przygotowują obraz do pomiarów reliefu po narzędziu pisarskim i analiz grubości warstwy materiału pisarskiego.
Analiza i wizualizacja
Moduł wizualizacji modelu 3D bazuje na renderowaniu. Umożliwia on nakładanie tekstury z obrazem rzeczywistym (optycznym 2D) oraz fałszywymi kolorami i warstwicami wysokości. Dobór palet kolorów umownych zależy od użytkownika. Rozwiązano problem sterowania punktem obserwacji i położenia wirtualnego źródła światła względem dokumentu. Dla intuicyjności i ergonomii, manipulacja powierzchnią w przestrzeni 3D odbywa się za pomocą myszki, podobnie jak w programach CAD. Dzięki wprowadzonemu nawigatorowi ułatwiono lokalizację punktu obserwacji.
Metody spektralne
Akwizycja
Opracowano metodę spektralnego skanowania punktowego jak również powierzchni w zakresie VIS/NIR (400 nm - 1000 nm). Dzięki zastosowaniu specjalnej głowicy spektralnej akwizycja sygnału widmowego przebiega równolegle, co radykalnie skraca jej czas.
Przetwarzanie obrazów
Metoda oferuje filtrację obrazów 2D dla zadanej długości fali oraz wyznaczanie widm absorbancji i reflektacji. Dzięki operacjom na maskach i warstwach uzyskano bardzo wydajne narzędzie selekcji poszczególnych znaków i regionów badanych dokumentów.
Analiza i wizualizacja
Opracowano wiele dedykowanych algorytmów do kryminalistycznego badania dokumentów w zakresie spektralnym m.in.:
- automatyczna segmentacja wg. kryterium maksymalnych różnic spektralnych,
- automatyczna i półautomatyczna klasyfi kacja oparta na metodzie korelacyjnej i minimalizacji błędu,
- analiza PCA (Principal Component Analysis) dla redukcji przestrzeni cech,
- rozpoznawanie wzorców i uczenie maszynowe np.: one class clasiffier.
Zaimplementowana wizualizacja umożliwia prezentację w formie widmowej (dla punktu lub wyselekcjonowanego obszaru, znaku) oraz jako obrazy 2D i 3D fi ltrowane wg. kryterium statycznego lub gradientowego długości fali. Powyższe algorytmy pozwalają wykrywać subtelne różnice między krzywymi spektralnymi poszczególnych środków kryjących dla całego obrazu zarejestrowanej próbki, co w konsekwencji stanowi doskonałe narzędzie identyfi kacji przeróbek i dopisków.
Rozpraszalność światła
Akwizycja
Opracowano trzy metody rejestracji obrazów mikroskopowych jako: seria zdjęć przy zmiennym kierunku oświetlenia; z wykorzystaniem specjalizowanego oświetlacza ortogonalnego dla analizy cienia reliefu i połyskliwości materiałów pisarskich; w postaci układu do badania zmian rozpraszalności światła na krawędziach linii pisma, z zastosowaniem monochromatycznego, koherentnego światła w ciemnym polu.
Przetwarzanie obrazów
Zaimplementowano dwa algorytmy przetwarzania obrazów sekwencyjnych w trybie off-line i on-line, które umożliwiają analizę cienia reliefów i połyskliwości pasty pisarskiej. Analiza cienia reliefów zabarwionych została ułatwiona poprzez zastosowanie oryginalnego algorytmu normalizacji chrominancji. Dzięki niemu, na analizowanym obrazie, widoczny jest wyłącznie cień reliefu bez barwnika lub pigmentu. Poprzez przestrzenną segmentację śladów linii pisma oraz gradientowe wzmocnienie dynamiki uzyskano bardziej jednoznaczne obrazy połyskliwości pasty pisarskiej.
Analiza i wizualizacja
Do analizy zebranego materiału pod kątem jednorodności reliefów została zaproponowana wizualizacja sekwencji obrazów krzyżowania linii w zmiennym świetle kierunkowym. Obrazy pozyskane w świetle monochromatycznym w ciemnym polu, pozwalają na obserwację lokalnej zmiany rozpraszalności, dzięki czemu ekspert badający dokument, może wnioskować o zmianach wierzchniej struktury papieru, a przez to identyfi kować kolejność nakładania linii.
Skaner kryminalistyczny
Jako wynik prac zrealizowanych w ramach projektu rozwojowego, opracowano system wspierający kryminalistyczne badania dokumentów (CADE: Computer Aided Document Examination). System ten składa się z urządzenia skanującego oraz oprogramowania, które pomaga w pracy eksperta począwszy od etapu zbierania danych, poprzez ich przetwarzanie, analizę i prezentację, a w konsekwencji przygotowanie dokumentacji prowadzonych badań.
Dla elastyczności rozwiązania zaproponowano otwartą architekturę wykorzystując repozytorium i moduły plug-in. Repozytorium organizuje materiał badawczy i wyniki analiz oraz informacje o parametrach przetwarzania. Interfejs plug-in obsługuje sterowniki specjalizowanych urządzeń skanujących, moduły przetwarzania obrazów optycznych, topografi i powierzchni, obrazów spektralnych i rozpraszalności światła oraz moduły prezentacji danych. Zastosowana architektura zapewnia dalszą rozszerzalność bogatej już palety funkcji również przez użytkownika.
Dodatkową elastyczność opracowanego systemu CADE zapewnia modułowość urządzenia skanującego. Jego konstrukcja bazuje na precyzyjnych napędach w układzie XYZ, odpowiedzialnych za manipulację wymiennymi głowicami optycznymi. W zależności od potrzeb badawczych, stosowane są głowice mikroskopowe, laserowe triangulacyjne, konfokalne chromatyczne, spektralne punktowe i spektralne 2D oraz do badania rozpraszalności światła.