Спектрально-оптический и газоразрядный анализ слабовидимых текстов на бумажных носителях

Размещено на http://allbest.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный университет»

Физико-технический факультет

Кафедра оптоэлектроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

СПЕКТРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ И ГАЗОРАЗРЯДНИЙ АНАЛИЗ СЛАБОВИДИМЫХ ТЕКСТОВ НА БУМАЖНЫХ НОСИТЕЛЯХ

Работу выполнила

Казимирова Валентина Юрьевна

Научный руководитель

канд. физ.-мат. наук, доцент А.П. Бойченко

Краснодар 2013



Введение

Представленный проект посвящен методам технической экспертизы документов.

Актуальность выбранной темы определена низкой экспресностью спектрально-оптического метода и наличием дополнительных трудозатрат при подготовке к выполнению исследования.

В настоящей работе была поставлена цель: провести сравнительный анализ существующего спектрально-оптического метода и пока мало разработанного для данной области - газоразрядного.

И для ее достижения поставлены задачи:

1. Провести библиографический анализ работ по существующим спектрально-оптическим методам диагностики бумажных документов.

2. Рассмотреть альтернативный им метод исследования, основанный на ионизованном газе.

В процессе работы применялись методы теоретического исследования:

- теоретический анализ литературы для обоснования теоретических и практических направлений исследования;

- систематизация, обобщение.

спектральный оптический газоразрядный чернила

1. Обзор основных свойств бумаги и чернил, используемых для рукописных документов, и их изменений под действием внешних факторов

1.1 Основные типы бумаги

Современная бумажная промышленность выпускает [1] сотни видов бумаги. Основным сырьем для производства являются различные растительные волокна: однородные, достаточно крепкие, обладающие способностью легко свойлачиваться и переплетаться. Таким требованиям отвечают лубяные волокна (лен, пенька, джут), волокна хвойной и лиственной древесины, а также хлопок.

По виду используемого сырья бумагу можно разделить на высококачественную и низкокачественную.

Высококачественную бумагу изготавливают из наиболее ценного материала - растительных волокон текстильной полумассы, в которых содержится более 90 % чистой клетчатки. Такая бумага наиболее прочна, эластична и достаточно долговечна.

Для производства низкокачественной бумаги используют древесную массу и небеленую целлюлозу. В ее состав кроме клетчатки входят также 45% различных веществ, в том [2] числе до 30% лигнина - легко окисляющегося вещества, дающего соединения бурого цвета, что вызывает пожелтение бумаги.

Кроме этого разделяют бумагу по виду проклейки и составу наполнителя.

Проклейка применяется для придания бумаге прочности и уменьшения ее впитываемости и смачиваемости. Преимущественно применяют проклейки канифольным клеем, димерами алкилкетена и глиноземом. Различают сильно и слабо проклеенную бумагу.

Наполнение применяется для улучшения механических свойств бумаги, путем введения гипса, каолина, талька или барита. Эти химически инертные мелкодисперсные вещества ограничивают доступ световых лучей в волокнах, что повышает светоустойчивость бумаги, т.е. устойчивость к различным фотохимическим реакциям.

1.2 Изменение свойств бумаги под действием внешних факторов в течение времени

Старение бумаги - весьма сложный процесс. Входящие в состав элементы при взаимодействии друг с другом и окружающей средой приводят к разрушению бумаги. Внешние факторы ускоряют эти изменения:

1) Лигнин - легко окисляющийся под действием света, влаги и кислорода элемент. При этом бумага приобретает Желто-бурый оттенок.

2) Наполнители, проклеивающие вещества, отбеливатели со временем теряют свои качества, что делает бумагу нестойкой, легко подвергающейся физико-химическим изменениям.

3) Целлюлоза - окисляется, в результате чего бумага теряет свою механическую прочность.

1.3 Состав и химические свойства чернил

Чернила - жидкий краситель, предназначенный для письма с помощью писчих инструментов. Современные [3] чернила состоят из следующих основных компонентов: растворитель (дистиллированная вода, глицерин, этанол); красящее вещество (фуксин, индиго, метиловый фиолетовый, сульфат железа(II), индигокармин); модификаторы (например вязкости, смачиваемости, стойкости, консерванты, ПАВ).

Красящие вещества разделяют по видам на кислотные и основные. Основные красители отличаются яркостью оттенков и большой красящей силой, но имеют низкую светопрочность. Кислотные - хорошо растворяются в воде и более светопрочны.

С течением времени чернила выцветают и тускнеют. Скорость и степень их разрушений зависит от тех же факторов, что и изменение свойств бумаги. Выцветание - это окислительный процесс, происходящий под действием света, влаги и тепла, состоящий из нескольких ступеней:

1) Поглощение света красителем и переход его в возбужденное состояние;

2) Присоединение молекул кислорода к красителю и образование неустойчивой перекиси;

3) Гидролиз;

1.4 Методы искусственного (ускоренного) старения документов

Достоверные данные об изменениях бумаги в процессе старения получают при длительном хранении ее в естественных условиях. Однако на это требуется много времени - годы и десятилетия. Поэтому для оценки долговечности документа целесообразно использовать метод искусственного старения, основанные на более интенсивном воздействии на бумагу основных внешних факторов - воздуха, тепла и солнечного света.

Для бумаг из растительных [2] волокон ускорению старения способствует повышенная концентрация кислорода в окружающей среде, особенно при увеличении влажности. Немало важное действие оказывает солнечный свет, который в процессе окисления целлюлозы является катализатором. Кроме этих факторов отрицательно влияет на бумагу и повышенная температура. Бумага становится менее прочной, понижается сопротивление излому.

Исходя из вышесказанного, можно выделить самые действенные методы искусственного старения документов:

1) Метод «печного старения» - обработка документов при повышенной температуре, обычно применяют 72-часовую термическую обработку при 100 ? С. При необходимости время обогрева уменьшают, увеличивая при этом температуру.

2) Метод облучения ультрафиолетовыми лучами - сильное разрушающее действие оказывают лучи невидимой части спектра, в частности ультрафиолетовые, имеющие длину волны 200 - 400 нм. Под их влиянием бумага интенсивно желтеет.

3) Метод термической обработки в сочетании с повышенной концентрацией кислорода и влаги.

2. Сравнительный анализ спектрально оптического и газоразрядного методов восстановления угасших текстов

2.1 Спектрально-оптический метод диагностики рукописного текста

Изменение оптических свойств документа в течение времени. Сохранность документа зависит как от состава носителя информации и средства ее записи, так и от условий хранения. Со временем в результате химических реакций бумага, фотоматериал и краситель, образующий изображение, изменяют свои оптические [4] свойства. Из-за того, что уменьшается белизна бумаги и выцветает краситель, текст и другие изображения становятся плохо различимыми или невидимыми. Эти явления характеризуются следующими изменениями в изображении:

1) Изменение оптической плотности.

Оптическая плотность - мера [5] непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Представляет собой отношение падающего светового потока к прошедшему (отраженному) световому потоку. Иными словами оптическая плотность - величина обратная коэффициенту пропускания (отражения) среды. За нулевое значение принимается оптическая плотность белой бумаги, а за интервал оптических плотностей элементов изображений - измеренное значение оптической плотности образца угасшего текста. Интервал оптических плотностей ДD значительно уменьшается до предела контрастной чувствительности глаза.

Д D = Dmax - Dmin 0 (1)

При полном угасании он равен нулю и изображение на документе (текст, рисунок) не различается.

2) Изменение спектрального состава света отраженного белой бумагой и красителем, что приводит к ухудшению видимости. На рисунке 1 приведены кривые отражения писчей [6] бумаги и красителя фиолетовых чернил до и после старения документа.

Рисунок 1 - Кривые отражения бумаги до и после старения

3) Изменение химического состава средств письма.

4) В период пользования и хранения документов изменяются отраженно-рассеянные свойства их поверхностей за счет механического воздействия (трения, стирания) и структурных превращений. Например, гладкая поверхность бумаги теряет свой блеск, приобретает матовый оттенок, уменьшается доля зеркально-отраженного и увеличивается доля диффузно-рассеянного света.

Научное обоснование восстановления изображения спектрально-оптическим методом. Более 90% всей информации человек получает посредством зрения, которое происходит в [7] сетчатке глаза, содержащей сине-зелено-красночувствительные рецепторы. На рисунке 2 представлены кривые спектральной чувствительности глаза.



Рисунок 2 - Кривые спектральной чувствительности глаза

Как видно из графика, глаз реагирует на излучения в области от 400 нм до 700 нм. При «угасании» документа его свойства в видимой области света по разности спектральных свойств (поглощению, цвету, отражению, пропусканию и рассеянию) становятся столь слабыми, что он с трудом читается или полностью неразличим. Для метода цветоделения позволяющего определить различия в цвете деталей изображения и фона, применяют такие фотоприемники и способы, которые обладают большей цветоразличительной способностью, чем невооруженный глаз. В таблице 1 приводятся количественные характеристики цветоразличения.

Таблица 1 - Характеристики цветоразличия

Цвет спектра, нм	Минимальное различие глазом, нм	Цвет спектра, нм	Минимальное различие глазом, нм
425	8	540	3
450	3	580	1,5
460	3,5	600	1
480	2,0	620	1,5
500	1,2	640	4

Для усиления различимости написанного чернилами текста пользуются правилами дополнительных цветов.

Рассмотрим это правило на примере чернил из синего красителя. Отражая в синей области спектра, поглощают зеленую и красную области, которые вызывают ощущение желтого цвета. Таким образом, для синих чернил желтый цвет является дополнительным, так как при смешении синих и желтых лучей образуется белый цвет.[8] Аналогичным образом можно привести следующие пары дополнительных цветов: синий - желтый; зеленый - пурпурный; красный - голубой. Пары дополнительных цветов, являющихся смешанными, определить на глаз достаточно сложно. Для этой цели пользуются кривой дополнительных цветов представленной на рисунке 3.

График построен [9] по точкам пересечения координат дополнительных цветов. Например, дополнительными являются цвета, соответствующие диапазону волн 570 нм (желто-зеленый) и 465 нм (фиолетовый).

Рисунок 3 - Кривая дополнительных цветов

Порядок проведения исследования спектрально-оптическим методом. Исследуя оптическими [10] методами состояния, признаков и графических свойств документов с целью выбора наиболее эффективных способов и технологий воспроизведения, обеспечивают восстановление угасающих текстов и других изображений.

В настоящее время в области фотографии (аналоговой и цифровой) имеются многочисленные способы, поэтому сразу выбрать из них оптимальный для решения поставленной репродукционной задачи не всегда представляется возможным даже опытным специалистам. Для этой цели и служит диагностика и в этом ее необходимость.

Исследование [11] состоит из следующих трех основных частей:

1. Объективная оценка состояния документа органолептическими методами. При визуальном осмотре оценивается возраст и ветхость документа, возможность его порчи при проведении исследований, в процессе перемещения и облучения источниками света. Принимаются соответствующие меры и решается вопрос о фиксации его внешнего вида. С этой целью важно установить подвергался ли он воздействиям стихийного характера (наводнения, пожары, интенсивное облучение). Предварительно устанавливается его цветовой тон и спектральный диапазон, в котором видимость текста может быть наилучшей.

2. Применение инструментальных методов исследования. Оптические приборы позволяют обнаружить такие детали, которые недоступны невооруженным органам зрения. Проводится наблюдение документа с помощью лупы и исследование под микроскопом. На увеличенном изображении видно качество текстонанесения, четкость деталей, помехи, мешающие чтению. Например, можно установить вид текстонанесения (машинопись, ксерография, принтерная печать и т.п.), и это важно при дальнейшей работе с документом по его восстановлению, решении вопроса каким масштабом проводить съемку.

3. Применение химических реагентов обеспечивающее повышение контрастности изображения. При химической обработке соли железа красителя превращаются в окрашенные соединения. В большинстве случаев применяют жидкие или газообразные реактивы: 2 или 10 % уксусный раствор 8-оксихиноленна, смесь соляной кислоты и водяных паров.

4. Если текст на документе имеет слабый цветной оттенок, то его видимость можно повысить путем исследования с помощью светофильтров. Для предварительной оценки наблюдение проводят в синей, зеленой или красной областях. Можно применять как светофильтры, так и освещение документа в этих диапазонах спектра.

Плохо различимые в видимом диапазоне спектра тексты угасающих документов, как правило, обладают способностью в большей степени поглощать ультрафиолетовые, а бумага отражать инфракрасные лучи. Кроме этого органические красители средств текстонанесения (фиолетовые и синие чернила) в небольших концентрациях люминесцируют в видимой и инфракрасной областях. Поэтому документы следует исследовать в невидимых диапазонах, а также на предмет обнаружения люминесценции.

Документы, [12] исполненные на шероховатых поверхностях с развитой структурой на мятой или матовой бумаге, исследуются в диффузно-рассеянном свете, а на глянцевой бумаге под разными углами освещения. Выбираются те условия освещения, которые обеспечивают наилучшее различение изображения текста.

5. После полного исследования угасающего документа и выбора спектрального диапазона, условий освещения и способа воспроизведения необходимо провести пробную съемку. Это особенно важно при работе с большим массивом архивных материалов. Желательно выбрать два способа съемки, так как результаты наблюдения и репродуцирования могут различаться из-за разной чувствительности органов зрения и фотоприемника репродукционного аппарата.

Пробная съемка - это заключительный этап диагностики. По ее результатам принимается решение о технологии воспроизведения.

2.2 Метод газоразрядной диагностики текстов на бумажных носителях

Применимость метода барьерного газового разряда для исследования документов. В настоящее время барьерный газовый разряд (БГР) находит очень широкое применение, начиная от озонаторов [13] и заканчивая газоразрядными визуализаторами изображений [14] и ионизационными преобразователями инфракрасного излучения [15]. Кроме того, он оказался весьма информативным при дефектоскопии полимерных и композиционных материалов [16,17], а также технической диагностике мостовых металлоконструкций [18,19]. Впервые для технико-криминалистических исследований различных документов на бумажных носителях БГР был применен А.Ф. Аубакировым в 1968 году [20]. Автором показана возможность не только выявления подделок денежных банкнот, но и восстановления первоначальных текстов на документах, вытравленных химическими способами. С тех пор методы и средства полиграфии значительно усовершенствовались, а вместе с ними существенно рас-ширился и ассортимент различных красителей. Поэтому использование такого арсенала нарушителями закона диктует криминалистике новые требования в выявлении как поддельных документов, так и совершаемых с их помощью противоправных действий.

Одной из сложных и пока не до конца решенных задач такого рода является выявление временного различия записи на документе, что требует поиска новых методов криминалистической диагностики или существенного усложнения имеющихся, но с последующим разрушением документа.

Обзорный анализ результатов исследования газоразрядным методом, взятых из литературного источника. Исследованию подвергался рукописный текст, выполненный гелевыми чернилами черного цвета и пастой для шариковых ручек синего цвета на белой бумаге плотностью 80g/m2. Для зафиксированного на ней слова «Образ» было получено два оптических изображения (ОИ) в отраженном и проходящем свете, а также газоразрядное изображение (ГРИ) в лавинном БГР, возбуждаемом переменным напряжением 8kV и частотой 13 kHz. Выбранный режим оказался наиболее подходящим для газоразрядно-криминалистической диагностики (ГКД) данного типа документа, так как позволил за время менее 1s очень четко воспроизвести его мелкие детали с высокой контрастностью. Первое ОИ сразу получалось в отраженном свете и электронном виде путем сканирования документа с разрешением 600 dpi на сканере HP ScanJet 4300С.

Второе изображение этого слова получено методом контактной печати

на галогенсеребряную фотопленку «Микрат-орто» (производство ОАО «Тасма», г. Казань), которое затем также переводилось в электронный вид, а третье - на той же фотопленке с помощью газоразрядной установки, состоящей из роликового металлического электрода и плоского, на котором располагалась фотопленка с исследуемым документом.

Схема установки для ГКД приведена на рисунке 4. Варианты изображений названного слова являлись контрольными и получались в пятикратной повторности для каждого варианта.

Рисунок 4 - Схема установки для ГКД: 1 - плоский металлический электрод, 2 - роликовый металлический электрод, 3 - полимерная подложка фотопленки, 4 - фотоэмульсионный слой, 5 - исследуемый документ, 6 - высоковольтный генератор

Затем документ подвергался искусственному старению путем термического воздействия при температуре 240? C в течение 1200 s. Как известно, этот способ точно воспроизводит очень многие физико-химические процессы, протекающие в бумаге и красителях за десятилетия [21]. На «состарившейся» бумаге к первоначальному слову «Образ» делалась дописка окончания «ец» теми же пастой и чернилами, а затем производилось получение изображений нового слова по описанной выше технологии. Этот документ со словом «Образец» являлся опытным.

Основные результаты проведенных исследований отражены на рисунке 5. Сравнение рисунка 5 a и d наглядно демонстрирует не только результат «старения» бумаги в виде изменения ее контрастности, но и папиллярный рисунок отпечатков пальцев (отмечены стрелками), преимущественно расположенных по краям документа.

Рисунок 5 - Результаты газоразрядной диагностики

Однако каких-либо визуально или инструментально наблюдаемых различий в сделанной дописке к слову «Образ» не обнаруживается.

Аналогичный результат дает контактная фотопечать - просвечивание документа, изображения слов на котором (рисунки 5 b и e) выглядят негативными по отношению к исходным (рисунки 5 a и d) вследствие существенной разницы прохождения света через участки с различными оптическими плотностями, каковыми являются неоднородность бумаги и темный цвет красителей выполненной записи. При фотографировании документа лавинным БГР полученные изображения слов на рисунке 5 c и f оказываются не только противоположными по контрастности, но и имеющими существенные различия этого параметра между основными записями и сделанными к ним дописками.

Увеличенные фрагменты со значимыми для криминалистики признаками этих различий отражают рисунок 6 a и b.

Рисунок 6 - Увеличенный фрагмент: a - выполненные гелевыми чернилами, b - выполненные пастой для шариковых ручек

По первому рисунку видно, что одни и те же гелиевые чернила по-разному отражаются на ГРИ документа до и после «старения». Дописка ими окончания «ец» имеет минимальную оптическую плотность по отношению к букве «з» основного слова. В случае ГРИ названного окончания, выполненного пастой, оно вообще не выявляется разрядом, за исключением фрагмента буквы «е». При этом как буква «з», так и остальные буквы слова «Образ» не только выявляются БГР, но и отражают характер распределения пасты при письме на бумаге в виде резко меняющихся градиентов контрастности (показано стрелками на рисунок 6 b), что, вероятно, связано с различными давлениями шариковой ручкой во время записи. Сказанное относится и к гелевым чернилам. Например, отдельные элементы буквы «з» выглядят не только высококонтрастными, но и имеют характерное для высокочастотного разряда (по сравнению с его зажиганием на промышленной частоте 50Hz) распределение стримеров в виде факелов [20] на этих местах (показано стрелками на рисунок 6 a). Кроме того, на данных рисунках хорошо видны звездообразные фигуры, соответствующие порам бумаги. Сравнение ГРИ на рисунке 5 c и f показало увеличение их диаметра и уменьшение количества после «старения».

Так, при оптико-микроскопическом анализе снимков было установлено, что контрольный образец в пересчете на 1m2 имеет в среднем 2.2 · 105 поры диаметром от 10? 5 до 5 · 10? 5 m, тогда как в опытном их насчитывалось всего 105 диаметром от 7 · 10? 5 до 10? 4 m на ту же площадь.

2.3 Сравнительные характеристики рассмотренных методов

Детально изучив два метода работы с угасшими документами, мною были получены определенные результаты, которые сведены в таблице 2.

Таблица 2 - Сводная таблица результатов анализа спектрально-оптического и газоразрядного способов

Метод исследования	Спектрально-оптический	Исследование в лавинном БГР
Спектры излучения	254-1000 нм	УФ-диапозон,в зависимости от природы газа
Выявление электрических свойств бумаги и красителя	Нет	Да
Экспрессность метода	После прохождения всех этапов ОИ получено за 20-35 мин.	ГРИ получено в течении 1-2 с.
Наличие внешних полей	Отсутств.	Электрическое
Определение структурных изменений бумаги	При дополнительном микроскропическом исследовании	При визуальном или компьютерном анализе



Заключение

Основные результаты курсовой работы состоят в следующем:

1. Проведен библиографический анализ по существующим спектрально-оптическим методам диагностики текстов на бумажных носителях, результатом которого стало выявление значимых физических параметров документа и получение схемы эксперимента для исследования «угасших» текстов.

2. Рассмотрен альтернативный метод исследования документов - газоразрядная диагностика. Выявлены его преимущества и недостатки. Обнаружена нехватка экспериментальной базы. Выявленные основные приоритетные направления исследования документов: на предмет дописок, подчисток, травлений, «угасших» записей, на определение подлинности и возраста документов. Так же можно добавить необходимость детального изучения электрических свойств бумаг и чернил.

3. Проведен сравнительный анализ двух методов: спектрально-оптического и газоразрядного, результатом которого стала сводная таблица, из которой можно сделать следующие выводы:

А) Альтернативный, газоразрядный метод диагностики требует значительно меньшего времени на получение и анализ изображений за счет исключения стадии химической предподготовки документа для спектрально-оптического исследования.

Б) Реализация газоразрядного метода в электрическом поле кроме спектрально-оптической диагностики позволяет исследовать электрические свойства бумаги и чернил.

В) Далеко не полностью разработанная технология газоразрядной диагностики текстов на бумажных носителях требует проведения исследований в этом направлении.



Список использованных источников

1. Палаженко А.Н. История бумажного листа / А.Н. Полаженко // Наука и жизнь. - 2009. - № 12. - C. 13-15.

2. Wiseman H. M. An atom laser based on dark-state cooling / H. M. Wiseman, M. J. Collett // Physics Letters. - 1995. - Vol. 202. - №4. - P. 246-252.

3. Ghislain L. P. Scanning-force microscope based on an optical trap / L. P. Ghislain, W. W. Webb // Optics Letters. - 1993. - Vol. 18. - P. 1678-1680.

4. Optical trapping of Rayleigh particles using a Gaussian standing wave / P. Zemanek, A. Jonas, L. Sramek et al. // Optics Communications. - 1998. - Vol. 151. - P. 273-285.

5. Freegarde T.G.M. Confinement and manipulation of atoms using short laser pulses / T. G. M. Freegarde, J. Walz, T. W. Hansch // Optics Communications. -1995. - Vol. 117. - P. 262-267.

6. Optical tweezers for the micromanipulation of plant cytoplasm and organelles / C. Hawes, A. Osterrieder, I. A. Sparkes et al. // Current Opinion in Plant Biology. - 2010. - Vol.13. - I. 6. - P. 731-735.

7. Dynamic trapping and manipulation of biological cells with optical tweezers / X. Li, C.C. Cheaha, S. Hub, et al. // Automatica. - 2013. - Vol.49. - I. 4. - P. 1058-1067.

8. An atom/molecule/DNA probing and transportation using dynamic optical tweezers via a wavelength router / C. Vongchumyen, M. Tasakorn, S. Mitatha et al. // Optik. - 2011. - Vol. 122. - I. 6. - P. 520-523.

9. Optical trapping studies of colloidal interactions in liquid films / R.D. Leonardo, F. Ianni, F. Saglimbeni et al. // Colloids and Surfaces. - 2009. - Vol. 343. - P. 133-136.

10. Гаврилов А.М. Методическое обеспечение вопросов стандартизации в курсовом проектировании / А.М. Гаврилов // Стандартизация в учебном процессе вузов: межвуз. сб. науч. тр. - М.: ВЗМИ, 2010. - С. 54-56.

Размещено на Allbest.ru

...