电子签名笔迹与普通签名笔迹的笔迹特征比较分析

涂 舜

（西南政法大学刑事侦查学院 重庆 401120）

1 引言

随着电子信息技术的发展，电子设备给人们带来的便利不计其数，直接在数字化设备上书写形成的电子签名笔迹，可与电子文件合为一体，解决普通签名笔迹电子化的难题，为电子文件签署人的身份验证提供了极大便利，受到了电子商务、电子政务、医疗保健、金融保险等诸多领域的青睐。但随之而来的是国内外日益增多的由电子签名笔迹真实性所引发的鉴定问题，这给文件检验人员带来了新的挑战。特别是在电子签名笔迹尚未普及的当下，若电子签名笔迹自由样本缺失，能否使用普通签名笔迹作为比对样本，同一人书写的两种笔迹间是否存在差异，这些更是此类检验中存在的难点问题。

目前，我国已有多位学者对电子签名笔迹与普通签名笔迹的笔迹特征异同进行了比较研究[1-6]，但既往研究存在一些缺陷：一是仅注重实验研究，缺少理论层面的分析与探讨，并未从电子签名笔迹的基本属性出发，分析两者在理论和实践中的差别；二是单纯比较两者笔迹特征的异同，并未阐述这种比较对于电子签名笔迹鉴定有何作用，目的性不明确。基于此，笔者先从理论上分析电子签名笔迹相较于普通签名笔迹所缺失和增加的笔迹特征方面，而后从实践角度阐述两者笔迹特征间稳定和变化的特征方面，并进行相关实验验证①需要特别说明的是，可以获取电子签名笔迹的电子设备种类繁多，有些仅能呈现电子图像，有些还能获取电子数据。理论分析是建立在电子图像和电子数据基础上分析得来，而实践分析只是对电子图像进行分析，因为目前市面上大多数的电子设备都难以获取电子数据。，进而阐明特征比较对电子签名笔迹鉴定的作用。

2 理论分析

电子签名笔迹虽实质上是一种电子数据，但却以笔迹形态表现，这种形态与普通签名笔迹非常类似。从形成机理上看，两者都是书写人书写运动的结果，但由于书写工具和书写载体的差异（即书写条件的不同），使得两者具有不同的笔迹特征。也可以说，电子签名笔迹相较于普通签名笔迹而言，是一种条件变化笔迹。两者之间必然会在笔迹特征上出现差异，明确这些差异有助于电子签名笔迹的分析与判断。

2.1 缺失的特征方面

电子签名笔迹是书写人使用手写笔在电子设备上书写而成的签名字迹。这种书写工具与书写载体的运用，使得电子签名笔迹的形成彻底脱离了纸张和墨水笔。传统的笔墨书写是实在而具体的，一旦墨水笔作用于纸张之上，即可看见并能准确感知笔画的存在。虽然电子设备和手写笔更加高科技、数字化，但其受电子设备的硬度、分辨率、灵敏度等多种因素的影响，导致电子签名笔迹在笔力的部分特征、笔迹的部分细节特征、自然形成的笔画特征上存在缺失。

2.1.1 笔力的部分特征

电子签名笔迹的书写载体是电子设备，其与纸张的质地、软硬程度存在较大区别。纸张质地较软，当书写人使用墨水笔在其上书写时，书写力的作用使得书写面产生压力形变，形成笔痕特征，而通过笔痕的深浅、粗细可推断书写力的大小。若衬垫物较软，笔痕会更加明显，即使衬垫物较硬，也可使用显微镜观察纸张或纤维的变化程度来进行笔力判断。而在电子签名笔迹中，电子触控屏幕质地较硬，当书写人使用手写笔在其上书写时，通过感应方式呈现的笔迹并不会在电子设备上形成压力形变，也就没有了笔痕特征。但某些电子设备中的压力感应器可直接测出书写时的压力值，因此，电子签名笔迹仅缺失了可直接反映笔力的部分特征。

2.1.2 笔迹的部分细节特征

纸张上书写的字迹，由于书写力的存在，必然会破坏纸张表面及部分纤维，由此形成立体痕迹，这对于笔迹细节特征的判断非常有益。而电子签名笔迹是数字化的笔迹，笔迹细节清晰与否，主要取决于电子设备的分辨率。若分辨率高，则笔画清晰；若分辨率低，则笔画模糊。后者对于观察电子签名笔迹的细节特征极为不利，甚至可能缺失部分笔迹细节特征。另外，在电子数据分析时，电子签名笔迹是通过采集点的位置坐标来还原笔迹轮廓的，采集频率越高，则还原的笔迹越接近真实的签名笔迹；若采集频率较低，则可能会缺失某些重要的细节特征。因此，电子签名笔迹相对于普通签名笔迹而言，可能缺失笔迹的部分细节特征。

2.1.3 自然形成的笔画特征

电子签名笔迹是由数字化平板等电子设备采集，电子设备质量的优劣，直接关系到电子签名笔迹的质量问题。在普通签名笔迹的书写过程中，书写人可实时看见书写的字迹笔画，通过观察已书写的笔画来进行调整或修正。而在电子签名笔迹的书写过程中，受到采集设备可视性及灵敏度的限制，有些设备没有可视反馈[7]，有些设备不能实现实时的笔画显示，会出现反馈延时，无法达到在纸张上书写的实时效果，这对于笔画的形成与衔接有一定影响。另外，电子签名笔迹使用的是手写笔，虽然外形近似于常用笔，但其笔尖无法完全与常用笔一致，书写手感不同且难以呈现顿压起收笔等丰富的运笔动作。因此，电子签名笔迹相对于普通签名笔迹而言，可能缺失某些自然形成的笔画特征。

2.2 增加的特征方面

电子签名笔迹虽因采集设备硬件条件的制约，缺失了某些笔迹特征，但也因采集设备的科技性，使其增加了从普通签名笔迹中难以获知的笔迹特征：如签名时长是无法从普通签名笔迹中获知的；如完整的签名结构和精确的加减速等特征，可以比从普通签名笔迹中推测的更为准确，提高了笔迹特征判断的准确性①这是由电子签名笔迹的电子数据分析得来，仅根据电子图像是无法得出上述特征的。。

2.2.1 签名时长特征

在可以获取电子签名笔迹相关数据的设备中，多数都会记录采集点的坐标位置及时间数据，只有少数用于数字化艺术品（如绘画）的平板设备会同时记录压力的变化，如Wacom TabletsTM。这些电子设备记录的签名时间数据，从手写笔接触电子触控屏开始，一直到手写笔离开电子触控屏为止，如常用于实验的Topaz平板设备（型号T-S751-HSB）则是当笔尖接触电子触控屏幕，且有足够的压力去刺激电路时开始记录时间特征[8]。而在普通签名笔迹中是无法判断签名时长的，故签名时长特征是电子签名笔迹增加的特征方面。

2.2.2 完整的签名结构

电子签名笔迹的书写轨迹是通过还原电子设备记录的位置坐标点而得到的，虽不能完整记录整个书写过程，但以1/400s～1/100s的采集频率来说，已可高度还原书写运动的轨迹。当对照电子签名笔迹的电子图像时，则可以获得完整的签名结构：其一，判断笔画的准确顺序。如出现添加或改写时，可以判断具体的时间节点，以及判断多次重描的形成先后；其二，分析高度复杂、含混不清的绕笔，以及复杂的草书签名。可以说，通过电子签名笔迹中的电子数据，不仅可分析出完全没有照应关系的两个笔画的先后顺序，还可以理清复杂绕笔的形成方式，进而呈现完整的签名结构。而在只能通过笔迹外在形态来分析的普通签名笔迹中，难以据此做出准确推断。因此，完整的签名结构是电子签名笔迹增加的特征方面。

2.2.3 精确的加减速特征

电子签名笔迹的数据中既包含采集点的时间数据，还包括采集点的位置坐标。通过数据分析，即可获得书写速度及加速度的精确数值，并可绘制出相应的图谱，以直观地反映书写速度及加速、减速特征。但在普通签名笔迹中，何时快何时慢、何时加速何时减速，只有书写人自己清楚，通过字迹笔画的深浅、粗细，或是观察书写人书写时的状态，均无法准确把握书写人的书写速度及加速、减速的情况。因此，精确的加减速特征无法从普通签名笔迹中获取，可以说是电子签名笔迹中增加的特征方面。

3 实践分析

电子签名笔迹与普通签名笔迹间的笔迹特征异同，不仅需从理论层面分析，还需从实践角度加以印证。在现有的实践研究成果中，由于使用的电子设备、签名内容及分析人的差异，导致实验结果不尽相同。为了验证实验结果的准确性及分析变化的原因，笔者选取了少量实验人员进行对比实验，得出的结果与已有的实验结果大致相同，但也存在差异。

3.1 现有研究成果

国内学者对电子签名笔迹的研究，集中在与普通签名笔迹进行笔迹特征的比较，即容易变化的、变化相对较小的，以及稳定的笔迹特征方面。

3.1.1 容易变化的特征方面

书写条件的变化干扰了书写人惯常的书写习惯，使得形成的电子签名笔迹极易在笔迹特征上发生变化。美国学者Heidi H.Harralson等认为容易变化的特征为书写速度和字的大小等，而另一些学者认为容易变化的特征为字体大小特征、起收笔特征、行笔特征等[3]28。但总体而言，容易变化的笔迹特征方面有书写水平、字的大小、笔痕等。

（1）书写水平。书写水平是个人书写技能的表现[9]，一般来讲，书写人的书写水平会相对稳定，但改变惯常的书写条件，而使用手写笔在电子触控屏幕上书写时，会影响书写人正常的书写活动，从而导致其书写水平发生不同程度的下降[6]73。其原因可能是：其一，相对于纸张而言，电子设备表面较硬，且较为光滑，使用手写笔在其上书写时，摩擦力变小，书写人一时难以习惯[4]297。其二，由于手写笔与电子设备自身技术的限制，使得某些书写细节特征反映不充分，甚至出现笔划中断等现象，致使电子签名笔迹无法体现书写人的正常水平[2]98，从而使书写水平有所下降。

（2）字的大小。根据实验数据显示，电子签名笔迹中字迹普遍增大。有学者分析认为，使用手写笔在电子触控屏上进行书写时，由于触控屏提供的可书写面积较大，以及书写人的手因不能接触到屏幕而采用悬腕方式进行签名的原因，极易导致整体字形增大[6]73。但字迹变大可能的原因还在于：其一，电子设备中书写框的大小可能会影响书写人的书写习惯，从而对字迹大小造成一定影响，即书写框大，字迹可能相对较大；其二，书写人进行电子签名时，手腕部处于无支撑的悬空状态，这会导致书写的字体结构松散，字迹变大。若完全的悬空书写，则可能增大书写活动范围，使书写字迹变大；其三，手写笔的笔尖通常比普通笔尖粗，不易形成细小笔画，故笔画变粗，字形变大[2]97-98；其四，相对于纸张而言，电子触控屏表面较为平滑，摩擦系数较小，导致字体结构松散，字体变大[3]28。

（3）笔痕。笔痕特征是普通签名笔迹最重要的特征之一，但在电子签名笔迹中，通过电子图像无法分析出这一特征，所有相关研究的实验数据也证实了这一结论。在普通签名笔迹中，笔痕特征是指书写过程中因书写工具直接作用于载体材料而形成的笔画线条、抑压痕迹的微观表现[10]。而电子签名笔迹是由书写工具与书写载体通过感应的方式形成，这种痕迹并不是真正的抑压痕迹，所以电子签名笔迹中并不存在笔痕特征。

3.1.2 变化相对较小的特征方面

根据现有实验数据表明，变化相对较小的笔迹特征为笔画形态、起收笔、连笔等方面。

（1）笔画形态。电子签名笔迹中笔画形态受到的影响，主要表现在笔画边缘出现锯齿状、笔画显示不完整、笔画中断、笔画弯曲抖动等方面。具体原因在于：其一，有些电子设备分辨率较低、配置较差，所以导致笔画边缘显示不清，出现锯齿状，这一现象在整个字迹笔画中都会出现；其二，有些电子设备的书写框有大小限制，超出边框外的笔画可能无法显示，这就导致有些笔画缺失、不完整，而在书写框内书写的字迹则显示完整，有些学者称为“截屏现象”[4]298；其三，有些手写笔与电子触控屏之间是通过接触感应形成笔画，但是书写人签名时会由于压力不均或者电子触控笔与触控屏之间接触不够灵敏，从而导致笔画出现中断或缺失的现象[6]74；其四，手写笔与电子触控屏间的摩擦力较小，笔尖不易控制，当书写较长的笔画时，可能出现大幅度的弯曲或抖动。

（2）起收笔。字迹笔画的起收笔特征出现变化，主要表现为顿笔、笔锋等特征缺失[3]28，不能反映顿压起收笔、回转收笔等特征，且有些收笔出现拖拉。这一特征变化程度与手写笔及电子设备的类型密切相关，有些电子设备上述特征较为明显，有些则不然：其一，有些电容笔及其配套设备（如电容式触控屏等）无内置压力感应器，无法感知书写人的笔力，也就无法通过笔力的大小调节笔画粗细，故不能反映顿压起收笔、笔锋现象，而变为直起笔和直收笔，导致该特征缺失。但电磁笔及其配套设备中具有压力感应器，则可根据笔力的大小表现出不同粗细的笔画，由此呈现一定的顿笔、笔锋等特征；其二，有些电子触控屏幕为电阻式，需通过压力感应才能形成笔迹，故在某些压力较小的笔画如回转收笔中，则无法呈现回转收笔这一特征。而电磁式触控屏幕的工作原理是电磁感应，只要手写笔距离电子触控屏一定距离都能精确感知，亦可呈现回转收笔特征；其三，手写笔与电子触控屏幕表面的摩擦力较小，故书写签名时不易收笔，易形成收笔拖拉现象[6]74。电子签名笔迹起收笔特征有一定程度的变化，而根据书写工具和书写载体的不同，变化程度有所不同。

（3）连笔。电子签名笔迹的连笔明显增加，特别是在意连笔画上。通过电磁式手写笔形成的电子签名笔迹中，多数的意连笔画变为了“实连”，且连笔转折处较圆润，特别是“折”画、“钩”画角度变大[2]98。通过分析可知：其一，电磁式电子设备的工作原理是电磁感应，当手写笔距离屏幕一定高度时即开始记录相关数据，若在两个连续书写的笔画间，书写人并未完全停笔，而是稍微提起笔尖，笔尖与屏幕的垂直距离仍在感应范围内时，则可将笔画间的意连笔画转换为实连，从而在笔迹中显示出较多的连笔特征。但这一特征在电阻式设备和电容式设备中较为少见；其二，手写笔相对于普通笔而言，笔尖较粗，形成的笔画也随之变粗，故转折处缺少棱角，较为圆润。“折”画、“钩”画角度变大的部分原因也是由于电子触控屏幕表面较为光滑，书写时不易控制笔尖走势，转折连笔处难以出现正常签名时棱角分明的现象[6]73，而使其趋于圆润。

3.1.3 稳定的特征方面

虽然电子签名笔迹与普通签名笔迹相比有较多变化，但同一人书写的笔迹，必然会反映出同一人的书写习惯。有学者认为，在电子签名笔迹中，有些笔迹特征保持相对稳定，如熟练程度、字形特征、倾斜程度、笔画的基本形态、笔顺等特征，不易因书写工具、书写条件、书写载体的变化而变化[4]297；而有的学者认为在电子签名笔迹中，基本保持不变的笔迹特征占绝大多数，如字的倾斜程度特征、行笔特征、笔画基本形态特征、笔画交叉特征、连笔特征、笔顺特征、笔画搭配特征等[3]27。综上可知，笔迹的熟练程度、字形、字的倾斜程度、笔画基本形态、笔顺、行笔、笔画交叉、搭配等特征方面是较为稳定的，而这些特征的存在使电子签名笔迹具有书写人同一认定的可能性。

3.2 实验研究

在上述结论的基础上，再进行实验研究，一方面是为了验证既有的实验结论，另一方面则是为了探索可能存在的其他影响因素。

3.2.1 实验目的

探讨不同书写载体对签名笔迹的影响，着重研究电阻式电子设备上，书写形成的电子签名笔迹与普通签名笔迹的笔迹特征异同。即分别使用手写笔、电阻式触控设备和普通纸笔，来获取电子签名笔迹和普通签名笔迹。比较分析两种签名笔迹间的笔迹特征是否存在差异，探寻主要的差异点，以及符合点分别存在于哪些方面，以进一步明确电子设备对签名笔迹的影响，为电子签名笔迹鉴定提供实践依据。

3.2.2 实验器材

实验采用蒙恬电纸笔和普通纸笔。蒙恬电纸笔（如图1所示）是一种带液晶显示屏的手写板，该设备采用电阻式的触控技术，其外形尺寸为136×125×16.7mm，手写区域为113×64 mm；操作系统为Windows、Apple等。普通纸笔为普通打印纸和黑色圆珠笔。

图1 蒙恬电纸笔

3.3.3 实验步骤

选取某大学本科生30人为实验样本收集对象，年龄在18～22岁之间①感谢南京森林警察学院周桂雪老师及其学生对本实验的支持和帮助，在此一并谢过。。为使书写人能够自然稳定的发挥，应营造良好的实验环境，告知实验者按照平时书写习惯自然书写即可。同时在进行实验前，先让实验者熟悉蒙恬电纸笔的使用方法，并自主练习，尽量减少因不适应书写工具及书写设备而造成的影响。随后，在蒙恬电纸笔和普通纸笔上分别书写自己的签名，由实验工作人员提取并做相应保存。另外，将普通签名笔迹以600 dpi的分辨率扫描成电子文件并制作成特征比对表，以便对两者进行比较分析。

3.3.4 实验结果

由于电阻式电子设备只能获取电子签名笔迹的电子图像，而无法获取电子数据，所以仅能从电子签名笔迹的电子图像中分析笔迹的形态特征，主要有书写风貌特征、布局特征、字体特征、字形特征、字的结构特征、运笔特征、笔顺特征、特殊字特征等几方面。同时，就普通签名笔迹而言，也可通过笔迹形态分析上述笔迹特征。因此，本实验只是对电子签名笔迹和普通签名笔迹的形态特征进行比较分析，而对其他方面特征不做比较。

（1）电子签名笔迹与普通签名笔迹相比，容易变化的特征方面有：①书写水平特征（如图2、3所示）。由于书写人已习惯使用普通笔在纸张上书写，而突然使用不常用的手写笔在电子触控屏幕上书写，难免会有不适应。虽然已在实验前进行了练习，但短时间的磨合并不能使实验者完全适应，导致书写水平出现不同程度的下降。②字的大小特征。电子签名笔迹使用的手写笔笔尖较粗，书写形成的笔画也相应较粗，加之电子触控屏幕的可书写面积较大，极易导致整体字体增大。实验中，有93.3%的电子签名笔迹都出现字迹变大的现象。③笔痕特征。电子签名笔迹是利用感应原理形成的，并不会像普通签名笔迹那样，在纸张上形成相应的凹陷，进而形成笔痕特征。实验中，所有的电子签名笔迹都不具有笔痕特征，是缺失的重要特征方面。

图2 电子签名笔迹书写水平特征

（2）电子签名笔迹与普通签名笔迹相比，变化较小的特征方面有：①布局特征。一般来讲，签名字迹作为一个整体组合，在整体布局、字间距离等方面具有相对的稳定性。但电子签名笔迹多为悬腕书写，书写人对文字布局的空间感减弱，因此在字间组合等方面的控制有所欠缺，容易使得字间距离、整体组合、布局出现变化。如图4和图5中“秦”和“英”的距离，图6和图7中签名的整体组合形式。

图4 电子签名笔迹布局特征

图5 普通签名笔迹布局特征

图6 电子签名笔迹整体组合特征

图7 普通签名笔迹整体组合特征

②运笔特征。实验所用电阻式触控设备是利用压力感应来呈现图像，若书写力控制不好，极易因压力不够或手写笔与触控屏接触不灵敏，导致笔画出现间断或中断现象（如图10中的“锴”字）。电子触控屏的表面较为光滑，手写笔与触控屏间摩擦力较小，控制能力降低，当书写较长的笔画或转折笔画时，极易出现笔画的弯曲、抖动现象（如图8中“坤”字的竖画）。同样，由于书写面较为光滑，书写人对手写笔的控制能力减弱，故收笔时极易因控制不好而出现收笔拖拉的现象（如图8中“周”字的收笔）。另外，在收集电子签名笔迹实验样本时，虽已经过短暂练习，但这种熟悉程度无法与普通签名相比。若书写人书写水平不高，极易因不熟悉书写工具而出现运笔紊乱的现象，如图10、11所示。

图8 电子签名笔迹运笔特征

图9 普通签名笔迹运笔特征

图10 电子签名笔迹运笔特征

图11 普通签名笔迹运笔特征

③笔画搭配、连接特征。签名笔迹是一个相对固定的组合，签名人书写的概率高，签名笔迹中各部首、各笔画间的高低位置关系、交接部位的交叉位置、搭配比例等都相对稳定。但由于电子设备的书写面较为光滑，书写人控制程度降低，容易使搭配位置改变、连接错位等，如图12、13所示。

图12 电子签名笔迹笔画搭配特征

图13 普通签名笔迹笔画搭配特征

实验中上述特征虽都有出现，但各自出现的概率不同。对各种笔迹变化特征的出现率进行统计分析，具体结果如电阻式电子签名笔迹与普通签名笔迹的笔迹特征比较表所示。

3.3.5 实验结果分析

通过实验分析发现，同一人在电子设备上书写形成的电子签名笔迹，相对于普通签名笔迹而言，在签名字迹的整体风貌、字体字形、字的倾斜程度、笔顺、特殊字的写法等方面相对较为稳定；在布局、运笔、笔画搭配连接等特征方面有一定程度的变化，但变化相对较小，主要表现为布局松散、收笔拖拉、笔画中断、笔画弯曲抖动、笔画搭配改变；在书写水平、字的大小、笔痕等特征方面差异比较明显，主要表现为书写水平下降、字体增大、笔痕特征消失等。具体分析造成笔迹变化的原因有：一是书写人对这种新型的书写设备不熟悉，对书写动作的把控有所欠缺，签名字迹整体欠缺自然性；二是电子设备的表面较为光滑，书写摩擦力较小，书写人对笔的控制能力降低，导致字迹笔画出现拖拉、弯曲抖动的现象；三是实验中所使用的是电阻式触控设备，其利用的是压力感应原理，也就是说，必须达到一定的压力值才能呈现出笔画。若书写人控制不好，极易出现笔画中断现象。虽然从普遍适用性的角度来讲，只有在大量志愿者的基础上，上述实验所得出的结论才适用于不特定的多数人，而不是某一特定人群。显然，现有的研究尚不能达到这一规模，但不可否认的是，实验得出的结论能反映出一定的规律性特点。

表 电阻式电子签名笔迹与普通签名笔迹的笔迹特征比较

4 结论

关于电子签名笔迹与普通签名笔迹的笔迹特征异同，从理论上讲，虽因采集设备屏幕硬度、分辨率及灵敏度的原因，使得电子签名笔迹相对于普通签名笔迹而言缺失了部分笔力特征、部分笔迹细节特征和自然形成的笔画特征。但也正是由于采集设备的高科技性，使得电子签名笔迹签名时长、完整的签名结构以及精确的加减速特征得以获取，且这些特征相较于缺失的那部分特征而言，对于识别书写人具有更大价值。从实践上看，虽然现有研究与本文实验结果不尽相同，但总体来说，容易变化的特征有书写水平、字的大小、笔痕等；变化较小的特征有运笔、连笔、布局等；稳定的特征有整体风貌、字体字形、字的倾斜程度、笔顺、特殊字等。

综上，同一人书写的电子签名笔迹与普通签名笔迹间有稳定的特征表现，当缺少电子签名笔迹自由样本时，可用普通签名笔迹作为参考比对样本，但应着重参考稳定的特征方面，在容易变化的特征方面应仔细分析差异点、符合点的性质，判断其是否由书写条件变化引起，从而提高电子签名笔迹检验的可靠性与准确性。