Компьютерные методы анализа почерка

Часто упражнения по рукописной моторике применяется для оценки действенности терапии или лекарства. По изменению почерка судят о том, как улучшается тонкая моторика или способность выражать свои мысли и размещать текст на листе бумаге. Для этого часто используют графические планшеты. Интересным и сравнительно молодым направлением стала графотерапия. Безусловно возможности почерка при диагностике и терапии являются слабым аргументом в пользу дальнейшего обучения письму от руки в школе, но все же такое приложение почерка не стоит сбрасывать со счета.

Почерк

Анализ почерка основывается на его двух основных свойствах: индивидуальности и устойчивости. Оба эти свойства связаны между собой. Мы не можем говорить об индивидуальности почерка, если он не остается устойчивым. Индивидуальность проявляется в постоянных характеристиках (признаках) почерка и форме букв. Она кажется очевидной, но как справедливо заметили авторы (Srihari et al., 2002), это еще надо доказать научными методами. Они провели эксперимент на 1500 американцах из разных слоев общества, из разных национальных и культурных сред. Были взяты по три рукописных документа каждого из участников эксперимента. Они не писали документы специально для исследования – ученые воспользовались предоставленным им архивом. Таким образом, исследовали проанализировали 4500 рукописных документов. Точнее не оригиналы, а их фотокопии. Для исследования они использовали компьютерную программу CEDAR-FOX, разработанную в центре по анализу документов при университете в Баффало (CEDAR Center of Excellence for Document Analysis and Recognition at the University at Buffalo)10. Программа позволяет в автоматизированном режиме оценивать ряд признаков почерка. На основе этой информации программа практически безошибочно могла определить автора рукописного документа. Это означает, что индивидуальность почерка, т.е. возможность отличить его от почерка другого лица, может быть установлена даже на сравнительно небольшом множестве признаков почерка. Это конечно не означает, что все три документа каждого участника эксперимента были написаны абсолютно тем же почерком. Всегда есть небольшие естественные колебания, когда человек пишет. Но отклонения между образцами одного и того же человека существенны меньше, чем различия между почерками разных людей.

Устойчивость почерка тоже не абсолютна. Известно, что в период от 20 до 60-65 лет он остается более или менее постоянным. На почерк, который эксперт анализирует, как результат процесса письма, влияют многочисленные факторы. Как внешние, так и внутренние. При анализе идеально было бы их знать, чтобы исключить неточность и повысить надежность. На практике это происходит нечасто. Наоборот, во многих дисциплинах, например, в криминалистике, одной из задач как раз и является понять, в каких условиях и в каком состоянии писался текст.

Письмо от руки является результатом моторики двигательного аппарата человека, управляемой мозгом и поддерживаемым мускулатурой. Таким образом участвуют три компоненты: мозг, двигательный аппарат и мышцы. Большой комплекс мышц руки – кисти, предплечья, плеча, плечевого пояса и лопатки, всего тела и даже ног. Их взаимодействие и позволяет нам писать. Это более или менее очевидно. Но как они взаимодействуют? Чуть подробнее об этом мы расскажем ниже. Сейчас лишь упомянем, что существуют различные модели, объясняющие психофизиологические основы письма. Если их обобщить, то можно прийти к следующим трем видам:

Модель закрытого цикла – для каждого движения существуют след в памяти. При письме происходит постоянное кинестетическое, т.е. двигательное, сравнение. А именно, написанное воспринимается и контролируется путем сравнения со следом в памяти.

Модель открытого цикла – движения управляются моторными программами, которые частично являются врожденными, а частично приобретенными. Письмо не зависит от обратных сигналов (информации) от периферийных органов. Поэтому человек в принципе может писать с закрытыми глазами.

Модель с обратной связью – письмо управляется моторными программами, но они сами корректируют себя посредством обратной связи. Письмо не регулируется только кинестетической обратной связью или только центральной моторной программой. Оно также зависит от всей культурной инфраструктуры, в которой человек живет, от ее отражения в его индивидуальное представление и от его специфических способностей наследовать моторные программы.

Модель с обратной связью представляется наиболее правдоподобной. Она позволяет объяснить многие аспекты почерка. В соответствии с ней различные условия должны играть роль в качестве обратной связи, влияющей на почерк. Но их влияние ограничено. Интерес представляют факторы, которые участвуют в формировании индивидуального почерка, его неизменимых характеристик.

Факторы, влияющие на почерк

Факторы, влияющие на почерк, а это влияние проявляется через признаки почерка, могут быть внутренним, т.е. определяемыми индивидуальными особенностями человека, и внешними, т.е. определяемыми влиянием внешней среды. К внешним факторам отнесем как те, которые оказали влияние на формирование почерка в целом, так и те, которые влияют на почерк только в конкретном анализируемом документе. Нам важно понять, как различные внешние и внутренние факторы влияют на признаки почерка. Тогда ими можно будет воспользоваться для более точной и надежной оценки при анализе почерка. К факторам отнесем также искусственные, когда человек по той или иной причине искажает свой почерк или имитируют почерк кого-то другого, и патологические, связанные с различными болезнями и отклонениями. В итоге классифицировать все факторы можно следующим образом:

Естественные объективные (внешние) факторы.

Естественные субъективные (внутренние) факторы.

Искусственные факторы.

Патологические факторы.

Ниже мы рассмотрим важнейшие аспекты этих факторов.

Естественные объективные факторы

Система обучения. Она играет, несомненно, большую роль в формировании почерка. Дети начинают с каракуль. Они рисуют буквы. Опыты и наблюдения многих специалистов, исследовавших детский почерк, показывают, что уже на этом уровне проявляется большая разница (Dinehart, 2014). Но все же дети стараются писать так, как им показывает учительница или родители дома.

Существуют множество методов и методик обучению письму. В одних пропись осваивают вместе с чтением, как одну из компонент грамотности. В других сначала учат читать, а лишь затем писать. Для нас наиболее интересно не системы сами по себе, а их влияние на почерк. И здесь уже важно, начинают ли дети сразу писать прописью, как, например, по методу Пальмера (Palmer method), еще сравнительно недавно абсолютно доминировавшему в США, или сначала учатся писать печатными буквами в соответствии с более распространенными сегодня системами Цанера-Блозера (Zaner-Bloser method) или Д‘Неалина (D’Nealien method). Последние в частности наверно и привели к тому, что в США очень многие так и продолжают писать только печатными буквами. Система Пальмера была основана на том, что основные движения при письме делаются мышцами руки, близкими к кисте, а не пальцами. Поэтому ученики сначала тщательно укрепляли их, делали специальные упражнения. В современной школе на это конечно же нет времени. Кстати, многие графотерапевтические упражнения включают подобные элементы.

В России, насколько мне известно, исторически сложился консенсус относительно звукового аналитико-синтетического метода, который используется многие десятилетия. Считается, что его автором был К. Д. Ушинский. Обучение письму идет параллельно с обучением чтению.

К основным методам обучения детей письму относятся:

Копировальный метод – буквы и слова печатаются в специальных тетрадях точками или бледными чернилами, которые ученики обводят.

Линейный метод – шрифтовой подход, где упор делается на точные и одинаковые расстояния между элементами букв и на точные пропорции. Для этого ученики пишут в специальных тетрадях с графической сеткой или просто с линиями, определяющими направление строки и высоту букв.

Генетический метод – сначала осваивают графически более простые буквы, а затем все более сложные.

Ритмический (тактический) метод – упражнение для всего класса, когда письмо ведется под счет, в одинаковом для всех учащихся темпе, ритме.

Метод Карстера, который заключается в прописывании специальных упражнений для развития движений руки. В этом смысле он похож на систему Пальмера. Упражнения необходимы для формирования умения пользоваться направлением и пространством листа и для развития свободы и легкости движения руки.

Метод алгоритмизации – систематизирует упражнения на основе схожих соединений элементов букв и букв друг с другом.

Понятно, что при обучении ни один из методов недостаточен – необходимо использовать их комбинации. Но то, в какой мере тот или иной метод доминирует, влияет на формирование почерка на начальном этапе обучения. Постепенно класс за классом навык письма укрепляется. Вместо рисования каракуль приходит осмысленный процесс – изложение содержания. Сильно развивается и меняется почерк в подростковом возрасте. По мере укрепления навыка индивидуальные особенности проявляются все сильнее. Но определенное влияние школы остается. Оно может проявиться в форме букв или в наклоне. Так, например, до первой мировой войны в школах Европы культивировался почерк с явным правым наклоном. Это в целом позволяло всему телу при письме быть более расслабленным. После войны тенденция изменилась. Преимущественно стали обучать прямому почерку. При этом корпус держался с большим напряжением, что, как считалось, положительно сказывается на общей дисциплине.

Страна и язык. Язык и, соответственно, алфавит отличаются в разных странах. Кроме того, что почти каждый имеет свои особые буквы, манера написания одних и тех же букв может несколько отличаться. К кириллице это относится меньше. А вот если мы рассмотрим языки, использующие латинский алфавит, то увидим, что почти каждая страна привносит свои особенности в написание. Это касается, главным образом, формы букв. Хотя и цифр, и знаков препинания тоже. Например, известно, что в России принято писать цифру 7 с поперечным штрихом, а в Европе без него. Но вернемся к буквам. Рассмотрим несколько примеров.

Букву w в Италии принято писать в виде двух наложенных друг на друга букв v. Англичане и американцы соединяют две части некоторым подобием петли. При этом очень часто первая часть буквы выше второй. Немцы, как правило, педантично пишут обе части с одинаковой высотой.

Другой пример – буква m. Англосаксы преимущественно первый основной штрих (вертикальную палочку) пишут несколько выше остальных. Это придает букве несимметричный вид. Немцы, так же как в букве w, сохраняют одинаковую высоту всех частей.

Следующий пример – буквы нижней зоны g или f. В англоязычных странах они пишутся с петлями, а в немецкоязычных их нижняя зона представлена простой линий. Во французском языке принято простой линией формировать нижнюю зоны буквы q.

Особенности школьных прописей в различных странах в свое время систематически изучил Э. Блументаль (Blumental, 1956). Он рассматривал страны, где используется латинский алфавит. Хотя его работа была издана достаточно давно, многие данные интересны и актуальны и сегодня. В ней, что для нас наиболее интересно, представлены различия между странами в терминах признаков почерка. Выборочные результаты для ряда европейских стран приведены в табл. 1.1. Сегодня подобного рода исследований не делает, по-видимому, никто. Значение школьной прописи становится все меньше, поскольку преподавание письма радикально сокращается. Доминирует индивидуальное приспособление каждого ученика – каждый обучается письму все больше сам, без правил.

Вид письма. Как правило, анализируют нормально написанный текст. Кто-то пишет связным почерком, кто-то не соединяет буквы, в последние десятилетия все чаще встречается почерк печатными буквами (особенно в США). Текст может быть написан на гладкой бумаге или на линованной.

В каких-то случаях приходится анализировать заполненные бланки и формуляры. Это конечно же влияет на почерк. Во-первых, бланки чаще всего заполняют печатными буквами, даже те люди, которые привыкли писать прописью. Во-вторых, часто место ограниченно и приходится вмещать текст не совсем естественным, привычным образом. Это влияет на ширину и высоту почерка. Если место для заполнения небольшое, то почерк непроизвольно становится меньше.

Третьим отдельным видом письма можно считать подпись, которая исследуется очень часто. Причем не только офлайн, но и выполненную электронно. При этом подпись, скажем, на банковском чеке будет выглядеть несколько иначе, чем на договоре или в письме.

Носитель рукописного текста. Обыкновенно текст написан на бумаге. Конечно, в качестве носителя можно рассматривать и классную доску, и флипчарт, и надписи на различных коробках и пакетах из картона или пластика. В судебной и криминалистической практике можно встретить что угодно. Но подобные случаи анализа почерка мы отнесем все-таки к экзотическим.

Бумага может иметь различный формат. Это сказывается на полях, на размещении текста. Формат может повлиять и на размер почерка. Так, когда пишут на небольшом листе для записок или узком и длинном листе, то почерк становится уже и меньше.

Лист бывает гладким, линованным или в клеточку. Это может повлиять на ведение строк, на расстояние между строками. Если пишущий игнорирует линовку, то это становится также важным идентификационным признаком.

Бумага бывает различной толщины и качества. На некоторых сортах чернила или тушь расплываются, или карандашный след хуже виден. Данные факторы влияют на исследование штриха и нажима.

Играет роль и цвет бумаги. Обыкновенно она белая. Но если образец написан на голубой, розовой или желтой бумаге, то почерк выглядит несколько иначе.

На флипчартах и досках правильнее писать несвязным почерком – тогда ученикам, студентам, участникам семинара легче читать и понять написанное. По крайней мере это посоветуют на любом курсе по презентациям. Плоскость для письма расположена вертикально. При этом задействованы другие мышцы. Пальцы работают гораздо меньше, больше вся кисть или даже рука.

Подкладка. Большое значение имеет и подкладка, на которой писался текст. Ею может стать стопка бумаги, лежащая на столе. Благодаря этой мягкой подкладке бороздки от ручки становятся глубже, а это означает, что нажим в отдельных элементах текста может быть лучше исследован. По более твердой подкладке ручка может скользить, непривычно меняя направление штриха. Попробуйте писать шариковой ручкой, положив лист на стекло. Получатся каракули не хуже, чем у первоклассника.

Назначение документа. На почерк может влиять то, с какой целью мы пишем тот или иной документ. Записка, содержащая список того, что надо купить в магазине, написана для себя и через час она становится ненужной. Замечания на полях документа предназначены для коллеги. Он позже будет их анализировать и соответственно исправлять документ. Автобиография – для приема на работу. В различных документах, написанных одним и тем же человеком, почерк может несколько отличаться.

В целом выделяют два вида почерка: свободный и официальный. Понятно, что официальным почерком пишут документы и письма в различные организации, поздравительные открытки.

Письменные приборы. Большое влияние оказывает прибор, которым пишется текст. Наиболее «удобными» для анализа являются перьевая ручка. В тексте, написанном ей, как правило, больше всего полезных признаков. Перья отличаются по ширине кончика и по гибкости. Существует международная классификация стандартных перьев:

UF, ультратонкие, характеризуются чрезвычайно тонкой линией, используются для различных каллиграфических работ, как правило, не для письма.

EF, экстратонкие, используются для письма тонкими линиями со слабым нажимом.

F, тонкие, идеальны для обычного письма, характеризуются тонкой линией со средним нажимом.

М, средние – для среднего нажима и средней толщины линии, эти универсальные перья предназначены для самого общего применения.

В, широкие, имеют более массивное закругленное острие для толстых линий.

ЕВ, экстраширокие, имеют большой закругленный наконечник, что позволяет получать толстые линии и делать подпись более выразительной, для письма, как правило, не используются.

ЕЕВ, экстра экстраширокие, используются для получения очень характерных подписей, требуют даже специального навыка.

Шариковые ручки отличаются от гибких перьев чернильных ручек тем, что шарик, являясь абсолютно неэластичным, во многом сглаживает проявление индивидуальных движений при письме. Это же относится к роллерам и фломастерам. Для этих более современных пишущих приборов цвет может также играть большую роль при анализе почерка.

Карандаши различаются по жесткости. Тексты, написанные карандашом, могут стираться или подчищаться. Для ручек это возможно лишь очень ограниченно или с использованием профессиональных средств.

От того, каким прибором написан текст, зависят, прежде всего, качество штрихов и нажим. Например, при одной и той же силе нажиме карандаш оставит на бумаге более глубокие бороздки, чем фломастер.

Положение тела, поза. Чаще всего пишут, сидя за столом. Большинство рукописных документов так и появляются. Однако надо учитывать, что столы бывают разной высоты. Над низкими приходится склоняться. За высокими – задирать локоть пишущей руки непривычно высоко. Кроме стола это может быть и стойка в приемной учреждения или в баре. Это может быть и стена, если вас «поймали» в коридоре или сосед зашел, чтобы составить жалобу. В этом случае пишут стоя, положив лист на стену и поддерживая его левой рукой. Здесь вообще все интереснее, потому что меняется плоскость, она становится вертикальной. Писать можно и лежа на диване или в кровати, на специальной поставке или подложенной книге.

Обстановка и условия написания. Документ мог быть написан в самых разнообразных условиях. В движущемся поезде, летящем самолете, плывущем корабле. Открытка могла быть написана в самолете или на курорте, где климат намного более жаркий. В потных пальцах тонкая ручка может скользить. Окоченевшие от мороза пальцы оказывают влияние, также как и напряжение тела в тропическом климате.

Очень трудно порой представить, какие внешние факторы могут оказывать влияние на почерк в данный конкретный момент. Например, в своей, ставшей классической книге Р. Покорный (Pokorny, 1973) описывает серию экспериментов, проведенных сто лет назад венским психологом и отоларингологом Виктором Урбанчичем (Viktor Urbantschitsch). Последний исследовал природу влияния внешних факторов на почерк. В то время, когда участники экспериментов писали, он создавал фоновый звуковой тон, который они слышали. Время начала и прекращения тона точно хронометрировалось. Оказалось, что высота тона влияет на письмо. А именно на размер букв и ведение строк. При более высоком тоне буквы становились больше, а строки принимали поднимающееся направление. При понижении тона, наоборот, почерк становился меньше и строки опускались.

Естественные субъективные факторы

Анатомические факторы. Под анатомическими факторами понимается строение костно-мышечного аппарата руки. Давно доказано, что контролирует процесс письма головной мозг. Но непосредственные движения осуществляются пальцами и кистью. Их строение может отчасти влиять на конечную форму почерка. Различные элементы букв формируются с помощью разных движений, в которых участвуют те или иные группы мышц. Так, например, вертикальные штрихи в обоих направлениях (от себя и к себе) выполняются работой только пальцев. При этом достаточно активной. В основном работают большой и средний палец, а указательный поддерживает и направляет пишущий прибор. При выполнении наклонных штрихов наряду с пальцами активно участвует кисть. Точки ставятся сложными движениями пальцев и кисти в два этапа. На первом этапе кончик ручки соприкасается с бумагой. Пальцы и кисть производят нажим. После чего выполняется второй этап – отрыв ручки от бумаги. Во всех этих движениях задействовано большое число мышц. Когда пишут некоторые буквы, то делают движения в воздухе, не оставляющие следов на бумаге. Например, буквы с дополнительными верхними элементами. Скажем, когда пишут палочку над буквой й.

Биомеханические факторы. Они тесно связаны с анатомическими. Они характеризуют степень подвижности элементов костно-мышечного аппарата. Выше было указано, что при написании различных элементов букв и знаков разные мышцы участвуют неодинаково. При этом и затраты энергии разные. Так, если на вертикальные штрихи затрачивается минимальное количество энергии, то горизонтальные, наоборот, требуют ее максимальных затрат. Кругообразные движения находятся где-то посередине.

Физиологические факторы. Исследование почерка может помочь при диагностике, и этого мы коснемся подробно в соответствующем разделе. Это возможно потому, что некоторые болезни влияют на почерк, на его признаки. Часто характер этого влияния может быть еще недостаточно исследован, но что оно есть – факт неоспоримый. Кроме таких очевидных случаев, как болезни Паркинсона и Альцгеймера или травм головного мозга, известно, что почерк изменяется в результате энцефалита, менингита, атеросклероза, нарушений функций щитовидной железы, недостаточном содержании кислорода в крови, болезнях печени и почек. Естественно в список нужно внести различные травмы пишущей руки. Правда это скорее относится к патологическим факторам.

К физиологическим факторам относится и немаловажное отличие между правшами и левшами. Существуют исследования, посвященные особенностям почерка левшей, например обзор (Mutschler, 2011). Достаточно достоверными признаками того, что текст написан левшой, являются доминирующее направления горизонтальных штрихов справа налево, а также направление овалов и дуг по часовой стрелке. Смещение верхних дополнительных элементов влево. Меньше аркадных элементов. Поднимающиеся строки. Некоторые специалисты указывают на то, что у левшей доминирует левый наклон и почерк в целом менее регулярный, другие авторы отрицают это. Имеется и ряд других особенностей, которые чаще встречаются в почерке левшей, чем правшей.

Психологические особенности личности. Отражение психологических особенностей личности в почерке изучала графология и продолжает психология почерка. Этому посвящен отдельный раздел.

Когнитивная нагрузка. На почерк оказывает влияние то, как интенсивно человек думает над содержанием во время письма. В принципе, повышенный когнитивный стресс ведет к ухудшению автоматизации процесса письма. Типичен в этом случае также усиленный нажим. Это влияние изучали еще в 70-80е годы 20 века. Из более поздних исследований интересен, например, эксперимент, представленный в статье (Crespo et al., 2017). Авторы исследовали лакунарность, т.е. меру неоднородности заполнения пространства. В данном случае речь идет о неоднородности расположение рукописного текста на листе. Авторы подошли к написанному тексту как к формальному геометрическому объекту. Это позволило им автоматически измерять плотность распределения заполненных чернилами точек (отношение заполненных пикселей к пустым) и скопление (геометрическое распределение) заполненных и пустых пространств. Чем сильнее неравномерность заполнения площади листа, тем выше лакунарность. Каждый участник эксперимента должен был выполнить два задания, которые отличались по когнитивной нагрузке. Первое задание состояло в простом переписывании заданного текста. Второе – написать свободное эссе, связанное с каким-то автобиографическим эпизодом. Лакунарность оказалась существенно ниже при переписывании, т.е. распределение текста гораздо более равномерно. Конечно измеренная авторами характеристика очень абстрактна. Хотелось бы перевести ее в конкретные признаки почерка. Но самое важное, что эксперимент показал, что почерка меняется при изменении когнитивной нагрузки.

В другом эксперименте (Luria & Rosenblum, 2010), участников просили описать один автобиографический эпизод и затем выдуманное, ложное описание того же эпизода. В последнем случае когнитивная нагрузка горазда выше. Кстати, эксперимент проводился на графическом планшете. В результата исследователи зафиксировали определенные статистические различия, и прежде всего, в длине и высоте штрихов, которые оказались больше для ложных текстов.