电阻式手写板采集静态签名笔迹特点的实证研究

周桂雪， 潘自勤， 段海惠， 艾攀枫

(1.南京森林警察学院，国家林业局森林公安司法鉴定中心，野生动植物物证技术国家林业局重点实验室， 江苏南京 210023；2.西南政法大学刑事侦查学院，西南政法大学司法鉴定中心， 重庆 401120；3.朔州市公安局， 山西朔州 036800； 4.崇阳县公安局， 湖北咸宁 437500)

0 引言

尽管我国电子签名立法对电子签名概念的界定采取了折中立法模式，指出了可靠电子签名的条件，给用户选择电子签名技术和法庭证据裁判提供指引和依据[1]，但在用户对电子签名技术的选择和应用中，我们充分看到市场导向彰显出强大作用。“可靠的电子签名”之外，各种标称可以实现手写电子签名的软硬件设备如雨后春笋般出现在市场上，也有用户将之运用到不同场景的签名确认。而对于这些签名设备是否能完成可靠的电子签名，真正实现签名的功能，当前尚缺乏技术标准的规制和明示；若是等待市场选择加以净化，则需要一个漫长的过程，且在此过程中必然有消费者为技术净化的实现做出牺牲[2]。因此研究当前市场上的数字手写设备对于实现签名功能的作用迫切必要。从法庭科学视角审视，电子签名功能的实现主要依赖其关联、真实、合法、安全的属性；从笔迹鉴定视角出发，将通过签名笔迹人身认定实现对其关联性与真实性的确认。因此，从笔迹鉴定角度，对于各类数字手写设备，我们需要关注商家所标称的“原笔迹输出”是否能真正反映书写者的书写动作习惯。当前市场上的数字手写设备主要包括电阻式、电磁式、电容式3种。其中电阻式数字手写设备起源时间最早，目前在市场上仍然占有一定比例，并且基本上都标识了“签名”功能。本文将从笔迹实现人身同一认定的角度出发，通过实证研究的方式，对电阻式手写板采集签名笔迹反映书写者书写习惯以及实时书写动作的情况进行研究，以期为笔迹鉴定者对该类签名的认识提供依据，为手写板技术的研发与改进、行业技术标准的建立与完善以及电子签名用户对数字手写设备的选用提供参考。

1 电阻式手写板成字原理

电阻式手写板是由一层可变形的电阻薄膜和一层固定的电阻薄膜构成，两者中间由空气相隔离。当书写者在使用书写笔书写时会产生一定的压力，这种压力会使上层电阻薄膜变形，使之接触到下层电阻薄膜，下层电阻薄膜从而感应到笔的位置；但如果书写时压力不够则不能感应到笔的位置[3]。目前，在原始电阻式手写板技术原理的基础上，市场上又发展出技术优化的电阻式触摸屏，并获得广泛应用。电阻式触摸屏一般附着在液晶屏的表面，与液晶屏相配合使用，如果能测量出触摸点在屏幕上的坐标位置，就可根据显示屏上对应坐标点的显示内容或图符获知触摸者的意图；电阻式触摸屏通常可以较好地采集到接触点x、y坐标位置、压力值等信息[4]。可见，研究电阻式手写板采集静态签名笔迹特点具有广泛的参考意义。

2 实证研究的物质基础

2.1 人员基础

本次样本采集对象共64人，文化水平为大学本科及以上，年龄在18～28岁之间，健康状况良好，均为右利手书写，书写水平中等。

2.2 设备基础

(1)手写板：本次研究选用在国内手写板市场占有较大份额比例、技术较为成熟的两款蒙恬手写板作为采集签名样本的数字手写设备，分别为：蒙恬PDK电阻式手写板(配有手写笔)，其硬体尺寸为136 mm×125 mm×16.7 mm，书写区域为113 mm×64 mm，压感等级为512M，书写字迹可实时显现在手写板上(因称“所见即所得手写板”)；蒙恬PDL电阻式手写板(配有手写笔)，其硬体尺寸为136 mm×125 mm×16.7 mm，书写区域为113 mm×64 mm，压感等级为256 M，书写字迹不能显现在手写板上(因称“盲写手写板”)，只能通过笔迹本电脑等其他导入设备查看。

(2)手写板签名导入设备：惠普笔记本电脑。

(3)其他器材：圆珠笔、A5大小书写纸。

2.3 比较分析材料来源

此次研究的材料主要来源于两方面。

(1)不同载体上呈现的同源个体书写笔迹。观察、比较、分析64名书写者以正常书写坐姿在不同载体上书写和呈现的签名笔迹，包括：纸张上签名笔迹、两款手写板导出签名笔迹、所见即所得手写板上实时呈现的物理留痕笔迹。

(2)同源个体在不同载体上的书写动作。观察、比较、分析64名书写者以正常书写坐姿在两款手写板和纸张上签名时的书写动作。

3 电阻式手写板采集静态签名的规律特点

研究传统纸张上的签名笔迹，我们通常只需关注书写习惯反映为书写动作的情况；而研究手写板采集签名笔迹需同时关注书写动作对书写习惯的反映情况和手写板对实时书写动作的反映情况，而且后者的研究尤为重要。在此，我们将分别探讨手写板书写签名对书写习惯正常表达的影响和手写板对实时书写动作的记录情况。

3.1 手写板对签名书写动作习惯表达的影响

3.1.1 悬腕书写

样本书写者在正常书写坐姿条件下，采用纸笔签名为枕腕书写，腕部支撑在书写物面或衬垫物面。当利用电阻式手写板进行签名书写时，皆为悬腕书写，腕部无衬托。书写者采取这种书写动作由两方面原因决定：一是手写板面积有限，没有为腕部支撑留下足够的空间，又由于手写板本身有一定厚度，致使书写者无法在书写时以衬垫物面作为腕部支撑；二是手写板的大部分面积皆为书写屏幕，而电阻式手写板的工作原理为压力感应成字，同时又不支持多点触碰，一旦在书写文字时腕部接触手写板就会造成输出信号混乱，无法成字(图1)，书写者因而会被提示重新书写。依据生物动力学原理，悬腕书写相对于书写者熟悉的枕腕书写，可能影响书写动作的速度、精确性、稳定性[5]，由此可能给笔迹特征带来的影响是书写水平下降，连笔增多，书体变化、搭配位置不准，行笔不稳定、易出现抖动弯曲、字迹变大。实际通过对64位书写者不同载体上签名笔迹的对比发现，签名笔迹作为书写者使用频次较高的字迹组合，悬腕书写并未对书写水平、书体、搭配位置、连笔数量产生明显影响；但相对于纸张表面书写笔迹，样本书写者字迹普遍变大；同时存在行笔不稳定、字迹笔画弯曲、抖动现象，由此可能影响书写水平，但总体不影响对书写水平种属的评断。

图1 腕部触碰手写板书写造成导出字迹失真情况

3.1.2 行笔不稳

手写板书写签名笔迹的重要特点是行笔不稳，表现为笔画僵硬、易出现抖动弯曲现象，欠缺美感。而前述的悬腕书写并非行笔不稳的唯一原因。经对书写条件的实证分析，还存在以下原因导致行笔不稳定：一是相对于纸张物面，手写板为坚硬书写载体，在其上书写字迹具有硬物表面书写笔迹的普遍特征，容易出现行笔不稳、弯曲抖动现象；二是手写板及配套书写笔尖之间接触摩擦力小于传统纸笔接触摩擦力，在悬腕书写及硬物表面书写的情况下，加剧了笔尖“打滑”的几率。基于这两点因素，书写者运笔的抑、扬动作受到影响，笔力的变化无法充分发挥；在书写速度较慢或垂直压力较大的字迹笔画中，出现弯曲、抖动的几率高，在行笔速度较快的字迹笔画中，笔画线条表现更为流畅、自然。

3.1.3 字迹变大

样本书写者在手写板上的签名字迹相对于纸笔签名字迹普遍呈增大趋势。该现象除与悬腕书写有关外，还与笔尖粗细和书写情境有关。首先，两款手写板配用书写笔笔尖较粗，为了笔画间相互区分和字迹结构的空间美感，已具备书写技能的书写者会根据笔画宽度自然地对所写字迹大小进行调整。第二，在空白纸张上签名，作为经常重复的书写情境，书写者习惯按照正常字迹大小书写；手写板屏幕区域是为书写者一次性完成本人签名所设计，面对书写任务，书写者倾向于将整个屏幕或将屏幕的大部分作为签名的书写区域，使签名按比例分布在整个屏幕上，本次研究采取手写板的书写屏幕皆为5英寸(与市场上多数电阻式手写板书写区域范围相近)，因此书写者倾向于将5英寸作为签名字迹分布范围。但书写者间相对字迹大小特征保持稳定，喜好写大字的在手写板上书写字迹仍然相对较大，惯常写小字的在手写板上书写字迹仍然相对较小。

3.1.4 盲写状态对书写动作的影响

市场上一部分电阻式手写板上能够实时显现书写字迹，而还有一部分电阻式手写板上书写的字迹只能通过导入设备查看，后者通常被称为盲写手写板，其所对应的书写视觉状态此处称为盲写状态。很明显，盲写视觉状态并非普通纸张上签名所具有，相比于正常视觉监督状态，其视觉参与程度下降，更多地凭借动觉作用协调完成书写动作。经实证样本比对分析，发现相对于正常视觉监督状态，盲写状态易导致空间位置特征和精细动作的改变，具体表现为：运笔自然流利程度下降，单字结构的严谨工整程度下降，因此书写水平呈下降趋势；部分书写者在盲写状态下书写速度加快，书体由行楷向行草转变；部分书写者在盲写状态下签名笔迹出现搭配位置不准确或结构搭配失称现象；较多书写者在盲写状态下运笔滞涩感增强，笔画偏离规范程度大，更加容易出现笔画简化或缺失、弯曲抖动现象；连笔数量增多，连笔紊乱现象增多(见表1)；以上特征变化出现几率与书写者书写熟练程度和字迹结构的繁简成反比。

表1 盲写视觉状态下书写签名笔迹变化特征统计表

注：1.变化特征的出现率=(变化特征的出现份数/同类样本总份数)×100%。2.特征变化程度：+：变化轻微；++：变化较明显；+++：变化明显。

3.2 电阻式手写板对实时书写动作的反映情况

将64位样本书写者在不同载体上书写和呈现的同源签名进行对比，发现可观测的文字布局特征字行方向与形态、字间间隔反映稳定，其他布局特征未在签名样本中体现；单字书写动作的一般特征方面，电阻式手写板导出签名字迹在书写水平、字形、字体、字的大小、笔压特征方面存在特征反映缺失或扭曲情况，字的倾斜程度特征反映稳定准确；单字书写动作的细节特征方面，电阻式手写板导出签名笔迹的笔顺、搭配比例、运笔特征存在反映失真情况，由于一部分电阻式手写板导出签名笔迹存在笔画缺失的情况，也会导致错字出现；文字写法特征未受到影响。

3.2.1 字的大小、字形及字体特征

字的大小变化源于两款手写板导出签名字迹并非按原始输入字迹大小导出，根据观察两款手写板缩放比例不同，厂家未给出缩放比例的明确参数；以图片形式导出的字迹可以在文档上放大或缩小。字形特征方面，蒙恬PDK电阻式手写板导出签名笔迹字形特征未发生变化；蒙恬PDL电阻式手写板导出签名笔迹字形普遍变窄、拉长，原因在于其导出字迹宽高比相对于原始书写字迹发生变化，经测试，其导出字迹宽高比相当于原始书写字迹的0.76(见图2)。字体特征方面，相对于手写板原始书写字迹，笔触较轻的连笔特征未被采集，部分书写者书写字迹字体由“行草”向“行楷”转变。

图2 字形特征反映失真示意图

3.2.2 笔压特征

实证样本表明，两款电阻式手写板对签名笔迹笔压特征反映程度极低。这一方面由数字墨水本身属性决定，另一方面由手写板的压感等级决定；两款电阻式手写板导出字迹皆为二维图像，无法通过立体特征反映笔压信息；墨色均匀一致，不能通过墨色深浅和墨水渗散现象间接反映压力大小；在笔画粗细上，可以一定程度上对笔压特征进行辨别，但能力极其有限。压感等级为512 M的电阻式手写板只对部分笔压很重的签名笔迹与其他笔压相对较轻的签名笔迹进行区分；压感等级为256 M的电阻式手写板则很难对不同书写者的笔压特征做出区分。经市场调查发现，目前压感等级为256 M、512 M的电阻是手写板占有较高的比例，还存在手写板无压感等级。可见，电阻式手写板对笔压信息反映能力与手写板压感等级密切相关，压感等级在512 M以下的手写板对笔压信息的反映能力极其有限；且由于每一款手写板的技术参数差异，以笔画粗细来推测笔压大小需要进行实验验证，无统一的参数标准可供参照。

3.2.3 运笔特征

将所见即所得电阻式手写板的物理留痕笔迹与导出的数字墨水笔迹进行对比，发现电阻式手写板导出字迹运笔特征失真严重(见图3)。首先，起收笔特征多出现缺失和变异情况。相对于物理留痕笔迹，手写板导出签名字迹样本在笔画起未端处出现局部的增加或缺失，进而造成起收笔方式、位置、笔力等特征反映失真，起收笔方式上由其他起收笔方式变成直起笔、直收笔的情况多。第二，行笔特征方面，手写板上物理留痕平滑稳定的笔画，在导出字迹中可能出现弯曲抖动或笔画缺失；而行笔过程中自然、微小的转笔细节难以得到体现，表现出明显的“钝化”现象；一些自然的转折动作可能在手写板导出字迹笔画中变得生硬；笔画存在局部反映缺失或增加情况，导致笔画幅度反映失真；部分幅度较小或转折笔画也存在笔画方向改变的现象。第三，连笔特征的失真主要表现在连笔数量减少和连笔笔力的失真。连笔数量的减少主要由于一部分连笔笔画力度较轻，手写板未能感应到笔触位置并将其转化为电信号，这与手写板的书写门限值设定有关，门限值过大则轻力笔画很难显现出来[6]；另一方面连笔特征缺失还可能与手写板的读取速度有关，部分连笔笔画不光力度较轻，且速度很快，致使手写板未能及时读取和显示笔画。连笔笔力失真主要由于采用电阻式手写板压感等级有限，未能通过笔画粗细变化有效反映力的轻重分布。第四，笔力特征信息反映微弱。如前所述，电阻式手写板导出笔迹的笔力信息只能通过判断笔画粗细读取。通过观察比对样本发现：笔力轻重未能通过笔画粗细得到明显区分，而且有时出现笔画粗细变化与笔力轻重变化相矛盾的现象，即压力重处笔画细、压力轻处笔画粗，未能准确反映笔力特征。

图3 运笔特征反映失真示意图

3.2.4 搭配比例特征

通过对蒙恬PDK电阻式手写板导出签名字迹的观察，搭配、比例特征易发生改变，主要源于笔画幅度上的增加或减少，使笔画起收笔的高、低、远、近和笔画交叉位置与真实书写动作存在差异，笔画的比例关系也因笔画的长短变化发生改变(见图4)。蒙恬PDL电阻式手写板为盲写手写板，无法对比其物理成痕字迹与导出字迹异同。但根据前述测试，由于其导出字迹长宽比例发生变化，笔画和结构的比例也随之改变。

图4 搭配比例特征失真示意图

3.2.5 笔顺特征

从书写者书写习惯表达看，其书写顺序不会因为在手写板上进行书写而改变。但从手写板导出笔迹的特征反映情况看，与纸张上签名字迹相比，电阻式手写板导出签名笔迹在表征笔顺的信息上存在缺失。首先，电阻式手写板导出字迹为二维图像，无笔画压痕和墨水渗散现象，无法通过笔画交叉部位判别笔画先后顺序；第二，由于部分连笔笔画未在手写板导出字迹中得到反映，因此依据连笔特征推断笔画顺序的信息存在缺失；第三，由于起收笔特征缺失和扭曲严重，故根据起收笔动向特征推断笔顺的表征信息少且可能不准确。

3.2.6 书写水平特征

签名笔迹的书写水平通常依据运笔情况以及单字内部和单字间组合的情况来判断。如前所述，在运笔方面，电阻式手写板导出字迹笔画易出现抖动、弯曲，对微小的运笔曲度未能反映或反映生硬；起收笔修饰动作较少得到反映；笔力特征不能得到充分、明显地反映并且存在反映失真的情况；行笔幅度失真，笔画存在局部延长、缺失，甚至出现单个笔画完全缺失的情况以致错字的发生。从单字内部及字间的组合情况看，由于部分起收笔、连笔特征的缺失可能造成单字内部及单字间照应关系缺失；由于行笔幅度的失真可能带来搭配比例关系的变化；由于输出的数字手写签名笔迹的宽高比的变化同样会导致笔画及结构的比例改变。上述失真情况都将影响书写者书写水平的真实反映，使得书写者数字手写签名的书写水平低于其采用普通纸笔签名的书写水平。

3.3 特征反映变化对笔迹鉴定的影响

综上，电阻式手写板采集静态手写签名笔迹在书写习惯的正常反映和实时书写动作的真实反映方面均受到影响；且后者变化多，对笔迹特征的影响大。这些特征变化将对该类签名笔迹鉴定产生三方面影响：第一，检材或样本签名笔迹形成条件判断问题。前述部分笔迹特征变化在其他特殊条件下同样可能形成，如书写字迹的大小可能受到光线影响，字形的变化可能受到书写姿势和书写空间的影响，行笔抖动、弯曲可能由于生理、病理、心理原因或特殊的书写条件造成，等等。如何正确判别检材签名笔迹的形成条件并找到与之条件匹配的样本，或在已知检材形成条件的情况下，如何确认案前自然样本形成条件与检材相匹配？仅仅凭借笔迹本身的表现，笔迹鉴定人员将难以判断；至于多种形成因素竞合的情况下如何对具体笔迹特征的形成原因进行甄别，也是进入鉴定环节后要面对的难题。第二，若不借助原书写设备进行实验验证或对设备技术参数进行了解，检材签名笔迹的一些特征将无法利用或得到合理解释。市场上电阻式手写板的品牌、型号众多，在欠缺与笔迹特征反映相关的技术标准规制的情况下，各类手写板技术参数不一，采集笔迹特征的质量不一，失真情况表现多样；若不对一些技术参数进行了解、测试以及通过采集检材字迹的手写板制作实验样本进行比对，一些特征将会因为失去参照而对鉴定无用，而一些特征变化将难以得到解释，如前述的字迹大小特征、字形特征、运笔特征等。第三，相似度高的笔迹甄别困难。笔迹鉴定的最终目的要实现确认书写人是否同一，这要求鉴定所依据的笔迹特征总和具有高度排他性。而本次研究中的电阻式手写板采集的静态签名笔迹样本在运笔、笔顺、搭配比例等个体标识性极强的特征方面存在特征反映缺失或扭曲情况，使得签名笔迹在鉴定中排他性大大减弱；又由于签名笔迹字数往往较少，构形要素有限，特征质量上的不足难以在特征数量上得到补全。上述情况给高相似度的笔迹甄别带来困难，如鉴定实践中遇到的在相同或相近字迹学仿环境中成长的书写者笔迹、摹仿笔迹。由此可知，在常规鉴定条件下，没有案内特别的签名笔迹形成条件信息和极其特殊的特征表现，将很难对具备前述反映特性的签名笔迹进行认定同一；但做出否定同一结论的条件是可能具备的。

4 结语

实证数据表明，市场上标称具有“签名”功能的电阻式手写板采集的静态手写签名笔迹，在书写习惯和实时书写动作反映上存在特征反映缺失或失真情况，这种特征反映缺陷在不同手写板间的程度大小或表现方面会由于技术参数差异而有所差别；因此，在实时书写动作的记录方面，电阻式手写板难以做到所宣称的“原笔迹输出”。采集签名笔迹特征反映的信息缺失或失真会给笔迹鉴定带来难度，若不对所用手写板技术参数进行掌握及对其采集签名实验样本进行实证分析，将很难通过采集的静态笔迹追踪还原书写者真实的书写动作和习惯。

诚然，本次实证研究中采用的手写板不能涵盖、也不足以代表该品牌其他型号的同类手写板和市场上其他电阻式数字手写设备采集签名笔迹的特征反映情况。但是研究数据可以揭示当前市场上电阻式手写板采集静态签名笔迹可能存在的问题；手写板采集字迹的特征反映缺陷和手写板商品有限的技术参数标示，说明手写板研发领域尚未从笔迹鉴定的角度对手写板的技术参数问题给予足够关注。即使将数字手写签名笔迹纳入笔迹鉴定实践，市场上纷繁的数字手写采集设备采集的签名笔迹仍可能因鉴定条件不足而无法实现人身同一认定。