2012.5.28-刘亚丽-计算机与应用化学-相似度算法在手写签名质谱成像鉴定中的应用研究.pdf
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第 29 卷 第 5 期 2012 年 5 月 28 日 计算机与应用化学 Computers and Applied Chemistry Vol.29, No.5 May 28, 2012 相似度算法在手写签名质谱成像鉴定中的应用研究 刘亚丽 1,2， 贾滨 2，丁丽英 2，吴佳 2，陈焕文 2，章文军 1* （1. 河北工业大学化工学院，天津，300130； 2. 东华理工大学/江西省质谱科学与仪器重点实验室，江西，南昌，330013） 摘要：质谱成像技术无需任何样品预处理，即可获取待测样品的分子信息和分布情况。本文采用表面解吸常压化学电离质谱 (SDAPCI-MS)技术对手写签名样品进行检测，通过对所得的质谱特征峰信号进行成像处理,获取书写油墨分布的强度信息。实验 结果表明真实签名和伪造签名因为笔压轻重不同而油墨分布位置不同，据此能够区分签名的真伪。应用相似度算法对手写签名 的特征成像数据进行分析，在样品量较少的情况下，能够客观的比较真迹之间以及真迹和伪迹之间的相似程度，进而实现对真 伪签名的准确鉴定。本方法操作简便，耗时较短，对手写笔迹的鉴定具有重要的借鉴意义。 关键词：质谱成像；相似度算法；手写签名 中图分类号：TQ015.9; TP391.9; O6-39 1 文献标识码：A 引言 手写签名的鉴定一般分为在线(on-line)签名鉴定和 脱线(off-line)签名鉴定，手写签名在金融、商务、司法、 合同、保险、社会生活的各个方面都有广泛应用，如签 订合同、银行存取款等。一般而言，签名与个人的体质， 幼时训练以及个人性格有关，而且每个人的签名还会随 着心理和生理状态以及书写者所用的工具和所处的环境 而变化。脱线签名一般仅仅依靠签名图像得到的静态信 息，从图像外形上看伪造签名与真实签名极为相似，所 以对签名真伪的鉴定难点就是人们签名的可变性、不稳 定性以及模仿签名的相似性。对离线手写签名鉴定的研 究方法主要有从签名图像中提取静态信息[1]、BP 神经网 络、SVM 支持向量机方法、小波变换[2]、遗传算法、隐 马尔可夫模型、还有一些对伪动态信息[3]来进行鉴别、局 部动态特征[4]等等。大多数研究基于提取签名图像的静态 特征，针对手写签名的动态特征和同一个人其本身签名 差别的研究很少。 质谱技术在许多领域都有很重要的应用，例如食品 安全检测，食品中残留农药、苏丹红染料的检测[5]，药品 质量检测，环境安全的检测、原位活体的分析，以及代 谢组学分析和蛋白质组学分析等[6]。质谱成像技术(Mass Spectrometry Imaging，简称 MSI)能够在在无损样品的情 况下在样品的表面进行取样，获取样品表面的分子信息 和分子空间分布情况，最终获得样品中待测物的质谱成 像图。近年来，直接质谱成像技术在生物组织成像的应 用领域有较大发展，并且在日常生活中也得到了广泛应 用，例如丁丽英等对衣服上的致癌性物质芳香胺进行质 谱成像得到芳香胺在与身体接触与不接触的位置的分布 图[7]，从图像上可以明显看出芳香胺的分布情况。 文章编号：1001-4160(2012)05-541-544 相似方法一般是用待检测物与已知标准物进行比较 得出两者的相似结果，相似度算法在许多方面有着很重 要的应用，例如在人脸识别[8]中，先从人脸图像中提取出 识别特征，利用相似匹配的方法识别。相似度匹配的方 法 有 欧 式 距 离 (Euclidean Distance) ， 余 弦 距 离 (Cosine Distance)，马氏距离(Mahalanobis Distance)，文本文档相 似度的计算[9]，DNA 编码序列及相似度的计算[10]，用计 算机对 C_13NMR(核磁共振)质谱等波谱图进行相似化合 物检索[11]。 本实验通过观察签名的质谱成像图看出，一个人临 摹别人的签名从外观轮廓上看十分相似，但人的书写习 惯不同写字时笔压轻重不同导致油墨分布多少位置不 同。本文通过对手写签名的质谱成像数据预处理，依据 笔压轻重位置应用设定阈值的方法提取峰强度得到特征 值，构造合适的相似度算法对不同的笔迹进行相似度计 算，进而根据相似程度大小鉴别签名的真伪。 2 实验部分 2.1 仪器与试剂 SDAPCI 离子源(东华理工大学研制)；LTQ-XL 增强 型线性离子阱质谱仪(美国 Finnigan 公司产品)，配有 Xcalibur 数据处理系统；二次蒸馏水。 样品 真迹样品：由胡斌本人在不同时间、地点及情绪下 写的 5 个签名“binhu”； 伪迹样品：找其他人模仿胡斌的五个签名 “binhu”。 2.2 2.3 质谱成像实验 实验设置 SDAPCA 离子源为正离子检测模式，质量 收稿日期：2012-01-15; 修回日期：2012-04-16 基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ170067)和国家自然科学基金资助项目(21175019) 作者简介：刘亚丽(1985—)，女，山东人，硕士研究生，E-mail: helloliuyali@163.com. 联系人：章文军，E-mail: wjzhang@hebut.edu.cn 542 计算机与应用化学 范围(50~600) u，电离电压 3.5 KV，离子传输管温度 200 ℃，解析气(N2)气压 0.15 MPa，以 α 为 30 ℃从装有 解析液的锥形瓶喷出，N2 出口到测定点距离是 1 mm， 二级质谱选定碰撞能量为 31%，离子的隔离宽度 1.5 u， 其他实验参数由系统自动优化。实验前先将写好签名纸 张的图片样品引入 AutoCAD2007 软件中，定义好原点坐 标，用 Excel 表格记录下来质谱扫描区域内的各个点的 坐标值(X,Y)，将纸张放入具有三位调节功能的样品台 上，采用表面解析常压化学电离质谱仪(SDAPCI)，按照 事先设定好的点顺次扫描 X、Y 两个方向。测定时线性 改变样品台的位置，每间隔 0.45 mm 采集一次数据。每 个坐标点采集一次数据，并且记录每次扫描的时间和相 对应点的坐标，然后在谱图上找到这个点对应的峰度值 (Z 值)，将每一个点对应的 X、Y、Z 值分别对应输入到 Excel 表格中，把 Excel 数据表格导入到 Surfer 8 软件中 成像，得到手写签名的质谱成像图。从图 1(b)图像上可 以看出油墨强弱分布位置的不同。 2012, 29(5) 值，特征向量的维数为网格数 num×num。 2.5 相似度的算法 C_13NMR 谱检索算法主要有两类：特征峰(即单峰) 检索和全谱图匹配(相似度)检索。为了比较两张谱图的接 近程度可用数学模型计算相似度，将这种相似度的计算 应用于手写签名的真伪笔迹鉴定，因为每个人的每一次 手写签名不可能完全相同，会随着心情变化而签名的笔 压、连笔和省略的部分有所不同，所以对签名的真伪鉴 定算法需要局部相似并具有一定的包容性，这和 C_13NMR 谱检索算法的要求是一致的。在实验中，将手 写签名较强的笔压油墨所在位置的峰强度值提取出来作 为特征值，这个特征值相当于谱图检索中的化学位移值。 所谓的相同化学位移是指在一定的允许偏差范围内的相 同，对于偏差的允许数值需要在实验过程中进行验证， 对一维的核磁共振 C_13NMR 技术相似检索[11]进行了改 造，使其适应于二维平面的笔迹特征的相似比较。其算 法如下: S = S1 / S 2 S1 = M 3 ⋅ M 1 ⋅ M 2 S 2 = (1 + 1.2 F )(1 + 0.8 D ) ⋅ M 1 ⋅ M 2 F = (M1 ⋅ M 2 − M1 ⋅ M 3 − M 2 ⋅ M 3 + M32 ) /(M1 ⋅ M 3) M3 D = ∑ Di2 /( M 3 ⋅ M 3 ⋅ T 2 ) i =1 M1=要比对的笔迹的特征值个数， M2=被比对的笔迹的特征值个数， M3=要比对与被比对的笔迹的相同的特征值个数， Fig.1 The original figure of the authentic signature and the imitated signature and the corresponding mass spectrometry imaging (MSI). 图 1 由胡斌本人签名和由其他人模仿胡斌的签名图以及签名对应 的质谱成像图 质谱成像数据预处理 通过质谱成像实验得到的三维数据比较复杂，不能 直接用来做相似度的计算，需要对数据预处理将三维的 数据降为二维。通过将 x 轴和 y 轴所在平面的这些点阵 均匀划分成 num×num 个网格进行数据降维，分别找到 x 和 y 的最大和最小值，记为 xmax、xmin、ymax、ymin， x 轴网格边长为：dx=(xmax-xnin)/num，y 轴网格对应边 长为：dy=(ymax-ymin)/num， 从坐标原点开始先固定 x 所在的网格坐标，对 y 轴顺次进行数据的处理，如果原 来 坐 标 的 x 坐 标 值 大 于 等 于 xmin 并 且 小 于 等 于 xmin+dx，对应的 y 坐标如果大于等于 ymin 小于等于 ymin+dy，z 的值等于此时强度值和上一个强度值的累加 和除于 num，如果 x 和 y 坐标值不满足上述条件，z 值就 等于 0，在实验中我们先固定 x 的值取 1，y 的值依次取： 1 、 2 、 3······num ， x 值 再 依 次 取 1 、 2 、 3······num，提取网格对应的强度值作为特征 2.4 T=给定的最大允许偏差， Di=要比对的笔迹的特征值与第 i 个被比对的笔迹的 特征值的距离之差， 在实验中，对 num 赋值进行相似度比较就可以得到 相似度数值。 3 结果与讨论 相似检索的相似度算法得到的相似度值如下表 1 所 示，其中比较了真迹和真迹的相似度以及真迹和伪迹的 相似度。 在本次实验中，设定 num=30，T 为 85%，由实验结 果可以看出真迹和真迹的签名相似程度都在 90%以上， 而真迹和伪迹的相似程度都在 70%以下。 在实验中，对笔迹特征值的选取非常关键，如果对 阈值数据设定过大，可能不是签名笔压较重的位置被认 为是特征值所在的位置，如果设定值过小，对于签名的 整体数据会有所遗漏，使得签名笔压较重的位置被忽略。 数据的预处理对相似度结果有一定的影响，网格数目的 刘亚丽, 等：相似度算法在手写签名质谱成像鉴定中的应用研究 2012, 29(5) 表 1 真迹和真迹以及真迹和伪迹的相似度数值 Table 1 The similarity of the authentic signatures and the authentic signatures along with the authentic signatures and the imitated signatures. 标准 真迹 1 真迹 2 真迹 3 真迹 4 真迹 5 真迹 1 100 95.76 97.45 96.45 95.61 真迹 2 95.77 100 95.49 94.36 95.10 真迹 3 97.45 95.42 100 96.59 96.92 真迹 4 96.45 94.35 96.59 100 96.92 真迹 5 95.62 95.04 96.92 96.26 100 伪迹 1 66.62 65.31 67.41 66.70 66.11 伪迹 2 66.88 65.56 67.67 66.95 66.37 伪迹 3 67.26 66.07 67.41 66.72 66.27 伪迹 4 66.00 64.20 66.24 66.06 65.54 伪迹 5 67.24 65.40 67.47 66.77 66.19 4 5 多少会决定特征值的数目，在实验中分别对 10×10， 15×15，20×20，25×25，30×30，35×35 个网格的数 据进行相似度的比较，发现随着网格数目的增加真迹与 真迹的相似程度随之提高而真迹与伪迹的相似程度随之 降低，考虑到划分太多的网格数目有可能使得原来非笔 压重的地方被划分成特征值所在的地方，就会明显使真 迹和伪迹签名相似程度下降，在本实验中取 num=30 就 已经取得很好的鉴定效果。 实验结果表明改进的相似度算法能够对手写签名的 真伪进行有效鉴定，这个算法对于同一个人的笔迹鉴定 具有较好的识别作用和包容性，对样本数的要求不高， 可以快速准确的鉴别签名真伪，但是在具体鉴定过程中 对参数的设置对鉴定结果会有一定的影响。 6 7 8 9 10 11 543 for off-line verification of signatures by using pressure features. 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East China Institute of Technology, Jiangxi Key Laboratory for Mass Spectrometry and Instrumentation, Jiangxi, 330013, Nanchang, China) Abstract: Without any sample pretreatment, mass spectrometry imaging (MSI) can provide molecular information and the molecular distribution information on the sample. Handwritten signature samples were directly detected by surface desorption atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometry (SDAPCI-MS). The mass spectra recorded by SDAPCI-MS were subjected to data processing. It is easy to distinguish the authentic signature and the forged signature by observing the strength of the corresponding mass spectrometry imaging of the handwritten signature. Considering the relative ink concentration feature, which is extracted from the data of the handwritten signature, as a feature of the signature, we 计算机与应用化学 544 2012, 29(5) provide useful data by processing the data gained from mass spectrometry imaging. The Similarity Algorithm is applied to the handwritten signature verification, and this method gives excellent results. The results demonstrate that this method is both simple and fast, and the method is a promising technique for the verification of handwritten signatures with few samples. Keywords: mass spectrometry imaging, similarity algorithm, handwritten signature verification (Received: 2012-01-15; Revised: 2012-04-16) $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$ 《计算机与应用化学》征稿简则 《计算机与应用化学》是化学、化工类中文核心期刊,。该刊重点刊登应用化学，以及应用计算机技术在化学、化工、 材料、生物、生命科学、能源、冶金、石油化工、农药、医药、资源与环境、系统工程、安全技术等领域中应用的原创性研 究论文、研究快报、学术论坛、应用技术、软件介绍、信息交流、书讯、讲座、广告，以及评述性综述文章。 来稿要求:作者须遵守《中华人民共和国著作权法》，不得一稿多投,引用他人作品时,务必在参考文献中著录,严禁抄袭,文责自负。来稿应论点明 确、文字精炼、数据可靠、符号正确、治学严谨、文风勿虚。作者投稿必须使用正版软件，如使用非正版软件, 其发生的相关法律责任由作者自负。 属于研究生的稿件要求由导师审查后在稿件上签署姓名和日期，同意在本刊发表。属于课题研究项目和涉及密级内容的文章，须由作者单位出据证 明。 投稿注意事项: 1. 研究论文：要求具有创新性的研究内容，文字约 6000∼8000 字，A4 纸 2∼6 页； 2. 研究简报：要求对于研究内容具有重要发现、重大改进和阶段性的报道，A4 纸 2∼4 页； 3. 评述、论坛：要求具有国内外相关学科发展前沿、进展状况的内容，A4 纸 2∼4 页； 4. 新技术介绍：要求具有使用价值，A4 纸 2∼4 页。 写作注意事项: (1) 中、英文标题：要具有描述性, 能够准确地精炼表达文章内容，约 15 个字； (2) 中、英文作者：作者 1∼5 人; 作者单位全称, 省,市, 邮政编码; (3) 中、英文摘要：以第三人称写明本文的创新内容, 写明研究目的、具体方法、结果和结论, 中文约 10 行, 英文约 15 行; (4) 中、英文关键词：3∼5 个主题词; (5) 中、英文图表：具有图表标题和文字说明, 图中坐标、线条、单位、符号、图注等应标注准确、完整，图中文字中文宋体 6 号字，英文字 体 Times New Roman,字号 8 磅，双栏图 5 cm(高)×7.5 cm(宽)，单栏图 7 cm(高)×12 cm(宽); (6) 中、英文参考文献：英文文献在前, 中文文献译成英文与英文文献顺序排列,将中文列于在全文之后，内部资料、私人通讯等未公开发表的 文献一律不引用; 刊：作者(姓前名后）. 文章名（第 1 个字母大写其余小写). 刊名(主词首字母大写），年，卷(期):页-页. 书：作者(姓前名后). 书名(主词首字母大写). 出版地:出版社，年. 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