电子签名笔迹数据的处理与特征分析

2020-07-28郑小艳

云南警官学院学报 2020年4期

郑小艳于彬

(中国刑事警察学院，辽宁·沈阳 110035)

引言

电子签名笔迹是一种新的笔迹类型，是由书写人通过电子触控笔在电子设备上书写形成，它是书写活动的一种数字化表现形式。(1)朱裴.电子签名鉴定研究[D].华东政法大学,2018.根据电子签名笔迹的数据信息结构可知，电子签名笔迹是由电子数据信息和电子图像信息两部分组成。(2)涂舜.电子签名笔迹中电子数据的Excel表格分析法[J].中国刑警学院学报,2018，(05).电子数据信息是指电子设备所记录的、与整个书写过程有关的、由一系列数字组成的数据组；电子图像信息是指通过保存截图或者导出pdf、jpg、png等方式，将电子签名笔迹的轮廓形态记录下来，从而体现电子签名笔迹形态特征的图像信息。

电子数据信息(如图1所示)与图像信息不同(如图2所示)，不能直观的、形象化的展示出来，只是以数据列表的形式显现出来，不利于检验鉴定人员对笔迹特征的分析与认识。因此本文利用WPS软件对电子签名笔迹的电子数据信息进行还原、图谱生成与显示、特征分析。

图1 电子签名笔迹的电子数据

图2 电子签名笔迹的电子图像

一、电子签名笔迹的数据信息

目前主流的电子签名书写设备主要有电磁屏和电容屏，两者都有后台的电子签名笔迹数据信息，但由于最为普及的IPAD、华为等电容屏书写设备的笔迹数据信息是封闭的，数据信息提取比较困难，不利于电子签名数据信息的研究。而以磐度为代表的电磁屏书写设备的笔迹数据信息容易提取，便于进行电子签名数据信息的研究。

(一)电磁屏书写笔迹信息产生的原理

电磁式数位屏书写笔迹产生信息的技术原理，书写是靠电磁笔操作过程中面板下的感应器产生磁场变化来判别。(3)陈维娜.电子签名笔迹量化检验的可行性探究[J].刑事技术,2018,(04).依据电磁式感应原理，其硬件主要是由一块有横竖均衡排列的电路板构成，通电后，板面上方能产生均衡的纵横交错的磁场，电磁笔为讯号发射端，天线板为讯号接收端。当电磁笔接近触摸屏时,触摸屏背后的电磁感应板会感应到笔的电磁信号，笔尖在数位板上移动的时候，切割磁场，从而产生电信号。通过多点定位，芯片就可以精确的确定笔尖的坐标位置。

(二)电磁屏电子签名数据的结构

书写设备不同，可记录的电子签名数据信息存在差异。以电磁屏为例，当电子触控笔接触数位板时，数位板会以固定的频率采集电子触控笔在数位板上的位置坐标点，并将采集的每一个点以X、Y坐标的形式表示出来。与此同时，数位板中的压力传感器会测得每一个坐标点的压力值。以上数据会以直观的WPS表格形式展现出来，还有一部分数据需要经过简单的分析计算得出。电子签名笔迹书写过程中，从起笔到收笔经历的时间，即电子签名笔迹总时长，可根据每个采集点对应的采集时间计算得出；书写完成上一个笔画的收笔至开始下一笔画的起笔，电子触控笔笔尖会短暂离开数位板，即书写人经过了一次抬笔，这个过程中每个采集点的压力值为0，通过查找压力值0的组数，即可判断电子签名笔迹的抬笔次数；电子签名笔迹中，每个字都有一个重心，重心的连线构成了电子签名笔迹的趋势线。综上，电子签名笔迹的电子数据，记录了书写轨迹的位置坐标及书写力度，据此可判断速度、加速度、签名总时长、抬笔次数、趋势线等要素，为电子签名笔迹的检验提供了重要依据。

二、实验

(一)实验目的

利用WPS软件对电子签名笔迹数据进行处理，对电子签名笔迹特征进行分析，总结归纳电子签名笔迹特征数据的相关规律。

(二)实验器材

PendoTeach(磐度)智能书写本PH-1820-A；PendoTeach(磐度)电子触控笔；戴尔台式机。

PendoTeach具有手写输入功能和电子输出功能的电磁屏书写设备(如图3所示)。该设备采用无源无线电磁压感技术，无须特殊纸张，使用专用出墨电磁笔书写。该设备的书写区域为210×297mm，读取速度为 200点/秒，压感级别为2048级。

图3 PendoTeach(磐度)PH-1820-A

(三)实验设计

以30名中国刑事警察学院研究生作为实验对象,年龄在20至28岁之间。书写人在正常坐姿书写条件下使用PendoTeach(磐度)电子触控笔书写本人签名六次，共收集180份电子签名笔迹作为实验样本。

为了保证实验样本的真实性，保证书写人的笔迹特征在采集样本时能够稳定的重复出现，避免实验人因对电子签名书写工具不熟悉而导致的书写误差，在进行书写实验之前，让实验人使用电子签名书写工具进行书写练习，在其充分掌握适应之后再进行书写实验。

三、利用WPS分析电子签名笔迹数据信息

(一)电子签名笔迹数据的二维还原

首先，把采用PendoTeach(磐度)智能书写本A4书写的“沈琳”正常坐姿数据用WPS表格打开，复制X、Y、Z轴的数据。在其上新建一个空白表格，导入X、Y、Z轴，如图4所示。

图4 数据导入图

其次，在筛选中取消压力为0的数据，鼠标横向选中X、Y轴数据插入散点图，在Y轴坐标轴选项中选中逆序刻度值。因为笔迹轨迹是倒向的，逆序刻度值有利于还原成正向的笔迹，如图5、图6所示。

图5 未选中逆序刻度值图6 选中逆序刻度值

最后，图三生成的图片由于未做细化处理所以导致X、Y轴坐标最小值偏大，沈琳二维签名还原图不够直观。调整X轴坐标最小值为3000，调整Y轴坐标最小值为1500。数据标记选项内置类型为圆形，大小为2，如图7所示。数据0代表了PendoTeach(磐度)电子触控笔离开PendoTeach(磐度)智能书写本A4的过程，当书写人提笔或书写意连笔画时, 采集点压力值就显示为0。通过查找一组0的出现次数, 则可计算书写人在书写该签名时, 经过了几次提笔, 也就明确了整个签名有多少“笔画”。0代表书写笔画之间的间断，不删除0不利于书写轨迹的观察，如图8所示。

图7 X轴Y轴数据(删除0数据)图8 X轴Y轴数据(未删除0数据)

(二)电子签名笔迹数据图谱的生成

1.速度图谱显示

书写速度是指书写人书写笔画的快慢, 利用WPS表格的图表功能，插入速度折线图，其中横坐标代表的是时间，纵坐标代表的是速度值，从速度图谱中我们可以清晰地看出速度随时间的变化，利用图表的数据跟随功能，我们可以得出最大速度值、最小速度值以及所对应的具体点的位置，如图9所示。

图9 速度图谱

2.加速度图谱显示

加速度就是指书写速度变化的快慢, 利用WPS表格的图表功能，插入加速度折线图，其中横坐标代表的是时间，纵坐标代表的是加速度值，从加速度图谱中我们可以清晰地看出加速度随时间的变化，也可以间接反映出速度变化的快慢，利用图表的数据跟随功能，我们可以得到最大加速度值、最小加速度值以及所对应的具体点的位置，如图10所示。

图10 加速度图谱

3.压力图谱显示

压力是指书写人在书写时的执笔力度。当压感笔接触到书写本的一瞬间，书写人对笔尖施加一定的压力开始书写，直到完成书写而收笔。书写人在起笔、行笔、收笔、连笔过程都在发生压力的变化。利用WPS表格的图表功能，插入压力折线图，其中横坐标代表的是时间，纵坐标代表的是压力值，从压力图谱中我们可以清晰地看出压力随时间的变化，利用图表的数据跟随功能，我们可以得出最大压力值、最小压力值以及所对应的具体点的位置，如图11所示。

图11 压力图谱

四、利用WPS对电子签名笔迹特征的分析

1.签名笔迹总时长特征

签名总时长特征是指一个人在签名时用的时间长度。通过PendoTeach(磐度)智能书写本签名的过程中, 采集系统一般等时间间隔采点, 并将这些点位以序号的形式记录下来。采集频率是可知的，在压力列不取消0值点时，书写总时长就等于时间最后一个数减第一个数。时间列采集点的序号越多说明采集签名耗用的时长越久。我们对“沈琳”进行签名总时长的计算，得出签名总时长为3675ms，如图12所示。出于示范目的，选择了部分实验人签名总时长样本供参考，如表1所示。

图12 “沈琳”签名总时长

表1 部分实验人签名总时长汇总表(单位：ms)

2.签名笔迹抬笔次数特征

抬笔次数是书写电子签名从起笔到收笔整个过程中PendoTeach(磐度)电子触控笔笔尖离开PendoTeach(磐度)智能书写本的次数，我们可以用WPS中压力一列的数值来计算抬笔次数。如果一个点处的压力值不为0说明该点存在压力，如果一个点处的压力值为0该点不存在压力。具体计算方法如下：假设压力值在WPS表格中的G列，在一空白列插入函数“=IF(G2=0,0,1)”将压力值不为0的各点重新赋值使其压力为1，压力值为0的各点不变保存于O列，数据经过以上处理之后，数值为1的数据段代表完成一次书写，数值为0的数据段代表电子触控笔抬笔悬空。为了统计压力值为0数据段的个数(抬笔次数)，另起一空白列插入公式“=O3-O2”，将重新赋值后相连两点的压力值相减，将相减的结果-1、0、1三个数值保存于P列，其中数值1的个数即为抬笔次数。另起一空白列插入统计函数“=COUNTIF(Px1:Px2,1)”来统计P列中数值为1的个数并将数值保存于Q列，其中Px1代表起始单元格，Px2代表末尾单元格，Q列中的数值即为抬笔次数。使用以上方法对“沈琳”进行抬笔次数的计算，得出抬笔次数为11，如图13所示。为了验证以上方法的可行性，选取三十人进行抬笔次数的计算，准确率达100%，部分实验人抬笔次数计算如表2所示。

图13 “沈琳”抬笔次数

表2 部分实验人抬笔次数汇总(单位：次)

3.签名笔迹速度特征

4.签名笔迹加速度特征

5.签名笔迹压力特征

与传统笔迹不同，电子签名笔迹是书写人用电子触控笔在电子数位板上书写形成，电子数位板中带有压力传感器，当笔尖与数位板表面接触时会产生压力，电子数位板后台自动采集每个点的压力值以此形成电子签名笔迹的整体压力特征。

6.签名笔迹趋势线特征

趋势线方向与字行方向有所区别，字行方向是指整行字的走向，而趋势线是指整行字重心的走向。书写人在PendoTeach(磐度)智能书写本A4书写本上书写时上面的衬垫物是一张没有格线的白色A4纸，在WPS中我们引入趋势线特征来表示签名笔迹字行重心的走向。为了区别趋势线特征与字行走向特征，对“甲申由”分别进行标注，趋势线特征如图14所示，字行走向特征如图15所示。