写字机器人仿写笔迹的特征量化研究初探

【基金项目】河北省教育厅科学研究项目资助“写字机器人仿写笔迹的特征量化研究”（ZC2024158）。

摘要：机器人写字技术是一种以机器人为载体，综合利用计算机视觉和机器学习等技术，实现机器人在人类示教、训练或学习后，能自主地写出字符的前沿技术。通过分析写字机器人仿写笔迹特征，对其笔迹特征出现情况进行量化，并设计了相应的实验方案。研究采用多种数据分析方法，对实验结果进行量化评估，探讨了特征量化在笔迹识别和机器人性能优化中的应用。结果表明，写字机器人仿写笔迹在多种特征上均与手写签名存在差异，对推动写字机器人技术的发展具有一定意义，为相关领域的进一步研究奠定了一定基础。

关键词：写字机器人；笔迹仿写；特征量化

人工智能技术日新月异，工业机器人执毛笔写书法已不是新鲜事，生活中可执硬笔写字的简易机器人在网络上仅需几百元钱即可买到。机器人“写字”，本质上是对已输入字库的输出，它能以“写”的方式较为完整地重现原字库中的笔迹，不法分子已将其用于模仿他人笔迹伪造合同等违法犯罪行为。这一现象虽已出现在违法犯罪领域，但仍未大面积泛滥，目前的研究显然具有前沿性和预防性，可有效地预防和打击此类违法犯罪行为，提高社会治安管控水平、提升侦查破案效率、增强打击违法犯罪能力，有较强的社会效益。

写字机器人主要由横向和纵向两组垂直的杆状电子金属套件和书写臂组成，形成X轴、Y轴和Z轴。X轴的运动主要是通过控制底盘上的四个直流电机来实现，主要来完成横笔画的书写，Y 轴的运动采用抽屉的滑轨配合齿轮齿条传动机构来实现的，主要用来完成竖画的书写，Z轴的书写方式与Y轴相似，主要实现起笔与收笔。连接电脑通过配备软件进行控制，带动书写臂上的书写工具即可进行书写，书写速度约为40-100个字/分钟。当人们由计算机键盘输入写字指令后，写字机器人可以写出中文、英文以及键盘上所有的文字和符号，如果开发相应的软件，它还可以绘图。写字机器人代替人类进行书写，“代写作业”“冒签收据”等都是科技进步带来的问题，需要相关研究及法律规范。其中，笔迹仿写技术是写字机器人研究的核心内容之一，其目标是使机器人能够模仿特定个体的笔迹特征，实现高度拟真的书写效果。然而，当前写字机器人在笔迹仿写方面仍面临诸多挑战，如笔迹特征提取不准确、仿写效果评估缺乏量化标准等问题。

1 材料与方法

笨狼科技仿生写字机、VSC8000文检仪、0.5mm黑色中性笔1支、2B铅笔1支、钢笔1支和A4打印纸若干。实验对象选定50名在校师生作为实验对象，编为1～50号。50名实验对象中，男性和女性各占有一定的比例。

实验对象分别使用中性笔（z）、铅笔（q）、钢笔（g），采用快速（k）、正常速度（z）、慢速（m）三种速度在A4纸上签名或者书写其他固定内容，得到450份实验对象的手写样本成为样本，分别编号1kz、1zz、1mz；1kq、1zq、1mq；1kg、1zg、1mg；2kz、2zz、2mz；2kq、2zq.....，采用相同的方法将字迹录入机器人字库，令机器人使用相对应的笔进行书写，在相同环境下衬垫物不改变的情况下书写大小等同的签名或者内容相同的实验样本共计450份称为检材。

将检材和样本进行比对，对两者出现的笔迹特征进行统计分析，并使用Excel 或者SPSS数据分析进行量化分析研究。

2 结果与讨论

2.1 特征分析

写字机器人摹仿笔迹主要包括以下特征[1]：首先，由于写字机器人采用机械结构设计，整体布局较为固定，缺乏灵活性。其次，其操作程序固定，字迹库有限，导致单个字的结构和笔顺特征高度一致，与被模仿的字迹几乎相同。第三，由于程序控制，机器模仿的字迹缺乏自然变化，全篇字迹重复性强，显得机械且精准。（见下图）第四，由于技术限制，机器模仿的笔迹在起笔和收笔时多为顿压笔，笔压均匀，同一笔顺下的笔画粗细相近。第五，机器无法像人类一样流畅书写，各笔画的速度基本一致，有时会出现轻微的歪曲或抖动。第六，机器只能通过复制现有字迹来模仿，整体运笔显得生硬，缺乏人类书写时的轻重缓急变化。第七，由于系统设置，机器书写的标点符号往往位置固定，缺乏多样性。最后，目前的写字机器人还无法模仿人类的书写笔感，执笔角度固定，导致笔尖无法随运笔方向调整，可能出现墨迹不均匀、笔画变细或偏向一侧的情况。

2.2讨论

机器人书写的笔迹与字库文字具有高度相似性，基本是字库文字的原样再现，如果不以检验鉴定的视角观察研究，极可能蒙混过关。但从检验鉴定的视角看，写字机器人书写的笔迹，既具有明显的模仿特征，又有一些机械所导致的特殊现象。仿写笔迹的特征主要体现在字形结构、笔画形态、笔压变化和书写节奏等方面。字形结构反映了字的整体形状和比例，是笔迹识别的基础特征。笔画形态包括笔画的粗细、曲直、起笔和收笔方式等，体现了书写者的个人风格。笔压变化则反映了书写过程中力度的动态调整，是笔迹仿真的重要指标。书写节奏涉及笔画之间的时间间隔和连贯性，影响着笔迹的自然度和流畅性。这些特征共同构成了笔迹的独特性，也是写字机器人仿真的关键目标。

3 结论

通过比较同一人的正常签名和机器人仿写签名，总结归纳了机器人签名具有笔力均匀无变化，起收笔处为顿压笔，笔画间存在不正常的抖动弯曲等特点[2]。同时，发现写字机器人伪造的签名字迹与正常手写签名字迹之间存在显著差异。具体而言，写字机器人伪造的签名具有以下几个特征：首先，单字的组合特征与被伪造的签名高度一致；其次，单字的笔顺特征能够完全复制被伪造签名的笔顺；第三，利用同一字库生成的伪造签名字迹能够实现高精度的再现；第四，起笔和收笔均表现为顿压笔；第五，部分笔画可能出现轻微的歪曲或抖动；第六，整体笔画的笔压均匀一致；第七，整体运笔显得生硬，缺乏自然书写的笔势变化。在实际鉴定过程中，鉴定人员应特别关注这些特征，以避免误判。

本研究通过构建笔迹特征量化指标体系，设计科学的实验方案，采用多种数据分析方法，对写字机器人仿写笔迹的特征进行了系统研究和量化评估。研究结果表明，基于特征量化的分析方法能有效评估写字机器人仿写效果，为提升机器人仿写性能提供了理论依据和技术支持。机器人书写笔迹与人类书写笔迹有极大的相似性，均是使用书写工具进行书写，且可以复制某一特定书写人书写过的笔迹，若不系统检验很难区别。但两者还有存在很多细节特征方面的差异，在进行笔迹鉴定过程中充分认识机器人书写笔迹的特征并进行量化研究十分具有实际意义，对可能发生的经济纠纷、民事纠纷等鉴定具有指导意义。

科学技术的发展给我们的生产生活带来了很多便利，但也给不法分子进行违法活动提供了新途径。目前AI技术仍然呈迅猛发展的势态，分析摹仿人工写字风格的技术将越来越成熟；仿生写字机械人技术也在不断提升，精准坐标和灵活移动的功能越来越普及[3]。写字机器人仿写笔迹的特征量化研究目前国内外研究相对较少，可以参考的数据材料更是少之又少，然而，随着技术不断融入生活，机器人仿写笔迹将会层出不穷，带来的经济纠纷、民事纠纷也会逐渐增多，对其仿写笔迹的特征量化研究势在必行，为文检相关工作者带来一定的参考价值，为司法鉴定活动提供一定的数据支撑。

参考文献：

[1]朱明新，李梦婕，许润杰.写字机器人伪造签名字迹的鉴别[J].刑事技术，2021，46（01）：66-69.

[2]陆燕，房毅，李辰睿.写字机器人仿写签名特征的比对研究[J].广东公安科技，2021，29（03）：18-20.

[3]李皓，赵焜，甘露，等.AI技术支持下写字机器人摹仿笔迹特点及检验的研究[J].法制博览，2024，（11）：90-92.

作者简介：班智慧（1990-），女，汉，山东临沂，硕士研究生，讲师，研究方向：公安技术