不同感应方式的书写设备对电子签名笔迹的影响研究

涂 舜

(西南政法大学刑事侦查学院， 重庆 401120)

0 引言

电子信息技术的发展日新月异，直接在电子触控设备上签名留下的电子签名笔迹，不仅具有身份认证功能，还能与电子文件合为一体，化解普通签名笔迹电子化的难题。基于此，电子签名笔迹被广泛用作一种新的身份认证技术，这种便捷、高效的电子签名方式，普遍适用于电子商务、电子政务、医疗保健、金融保险等诸多领域。电子签名笔迹是笔迹学和电子数据交叉融合的新领域，具有笔迹学和电子数据的双重属性。从实质上看，电子签名笔迹是一种电子化的签名笔迹，是人们根据文字符号的书写动作规范，使用手写笔在电子书写设备上直接书写形成的，以姓名为文字符号内容的，电子化的动态痕迹[1]。当该类笔迹产生争议时，法官都求助文件检验专家——而非电子数据专家——对其进行笔迹鉴定，这在2009年美国的交通违法案[2]、2010年American Family Life Assurance Company of Columbus(AFLAC)v.Glenda Biles案[3]等案例中得以证实。然而，文件检验者解决该类笔迹鉴定问题时较为棘手，因为一直以来，他们都仅对普通签名笔迹的书写人身份进行研究[4]，所以对于电子签名笔迹的探讨，是深入理论研究和解决实践问题的迫切需要。我国目前对电子签名笔迹的研究，主要集中于电子签名笔迹的检验方法，以及比较电子签名笔迹与普通签名笔迹间的笔迹特征异同[5-16]。就书写设备对电子签名笔迹的影响，特别是不同感应方式的书写设备对笔迹特征的影响，研究尚显不足。基于此，对利用电磁感应方式在电磁屏上呈现笔画的电子设备(以下简称“电磁式电子设备”)与利用压力感应方式在电阻屏上呈现笔画的电子设备(以下简称“电阻式电子设备”)上，书写形成的签名笔迹进行比较，以明确该因素对笔迹特征的影响，从而为电子签名笔迹检验提供有益参考。

用于获取电子签名笔迹的电子设备本身，有多种不同的感应方式，换言之，多种感应方式均可实现电子签名笔迹。从形成原理上看，获取电子签名笔迹的电子设备主要有电阻式、电容式和电磁式3种，分别利用的是压力感应技术、电流感应技术以及电磁感应技术(1)压力感应技术是利用物体与屏幕产生的压力感应来实现触摸操作。电流感应技术是利用生物体与屏幕接触时的产生的电流感应来实现触控操作。电磁感应技术是根据电磁笔与触摸屏接触时产生磁场变化来实现触控操作。，配备的手写笔类型也各不相同。而在不同感应方式的电子设备上书写时，由于书写笔、电子屏幕材质的不同，使得各自形成的电子签名笔迹会在部分笔迹特征方面出现差别。为了探究该类笔迹中不易变化和容易变化的特征方面，笔者进行了相关实验，通过Excel绘制表格，利用卡方检验进行统计分析对数据进行验证比较，探索同一人在电磁式与电阻式书写设备上，书写形成的电子签名笔迹间笔迹特征的异同，分析出不易变化和容易变化的笔迹特征方面，以期在综合评断时，能够正确判断差异点的性质，明确是不同感应方式下的非本质差异，还是不同书写人的本质性差异，从而为电子签名笔迹检验提供实践依据。

1 实验

1.1 实验设计

1.1.1 实验对象及实验内容

实验邀请了某大学本科生63人为实验样本收集对象，这些同学年龄在18～22岁之间，已基本形成书写习惯的动力定型，他们熟悉电子设备的操作方式，且学习能力、适应能力较强，部分同学已接触过同类设备，因此能较好地操作实验电子设备。实验内容是让实验者分别在两种不同感应方式(即电磁感应方式与电阻感应方式)的电子设备上书写自己的签名，式样有简单有复杂。

1.1.2 实验设备

实验选择了两种电子设备，和冠(wacom)数位板bamboo Slate CDS610S和蒙恬电纸笔。和冠数位板是使用可替换圆珠笔笔芯的瑞士原装ministar笔，在真实的纸张上书写形成的字迹，与此同时，数位板利用电磁感应原理捕获书写人的书写轨迹，由此形成电子化的笔迹。该设备参数是：外形尺寸约249×186×7 mm；活动区域约A5，半张信纸大小；压力级别1 024；笔为圆珠笔，记事本厚度约80页纸张厚度。而蒙恬电纸笔是一种带液晶显示屏的手写板，该设备使用的是电阻式的触控技术，当书写人使用手写笔在触控屏上书写时，即可在触控屏上显示出书写运动的轨迹，由此形成电子签名笔迹。该设备参数是：硬件外形尺寸为136×125×16.7 mm，手写区域为113×64 mm等。选用上述两种电子设备进行实验的原因在于：第一，两者的触控技术不同，前者是电磁式触控技术，后者是电阻式触控技术，但在可视性等其他方面较为接近。第二，在和冠数位板上书写时，不仅能获得纸张上书写的字迹，还能获得电子化的签名笔迹，由此可将普通签名笔迹与两种感应方式下书写的电子签名笔迹进行对比分析，以获得更准确的分析结果。

1.2 实验步骤

1.2.1 实验过程

首先，创造良好的实验环境。为了使实验者正常、稳定的发挥，应打造良好的实验环境，使其在安静、舒适的环境中自然书写，减少环境因素的影响。其次，熟悉操作电子设备。实验前，应先向实验者说明两种电子设备的使用方法，并让其自主练习，熟悉设备的操作流程，尽量减少不熟悉电子设备操作方法带来的影响。再次，书写实验内容。让实验者以正常坐姿分别在和冠(wacom)数位板(电磁式)与蒙恬电纸笔(电阻式)上书写自己的签名，由工作人员提取笔迹的电子图像(2)由于这两种电子设备均无法获取电子数据信息，故只能提取电子图像进行笔迹特征分析。，并保存为JPEG格式。最后，制作笔迹特征比对表。将提取的电子图像制作成笔迹特征比对表，以便对两者进行比较分析。

1.2.2 分析笔迹特征

首先，分别检验同一人在同种设备上书写的电子签名字迹的稳定性问题，若笔迹特征出现较大差异，应及时记录，分析时将其排除在外。其次，分别检验同一人在两种设备上书写的电子签名笔迹，明确二者各自的笔迹特征。最后，比较检验两种电子签名笔迹在笔迹特征上的相同点和不同点。

1.2.3 得出实验结果

根据实验数据的记录和分析，总结归纳同一人在两种不同感应方式的电子设备上书写形成的电子签名笔迹，在笔迹特征上的变化。采用Excel绘制表格，利用IBM SPSS Statistics 20软件进行统计分析。利用卡方检验对变化的特征之间的关联度进行量化，分析其是否相关并制作表格，从而确定不同感应方式的书写设备对笔迹特征的影响，以及不易受该因素影响的笔迹特征、容易受到影响而发生变化的笔迹特征，进而为电子签名笔迹检验提供实践依据。

2 检验与分析

2.1 书写风貌特征

通过检验由两种电子设备采集的电子签名笔迹，发现二者在书写风貌特征上没有明显差异。无论是在书写人的书写水平特征，还是签名字迹的整体形态、结构等方面，都是较为接近的。如图3与图4、图5与图6所示，二者在整体书写风格、书写水平、签名的形态结构等方面，差异不大。但由于两种电子设备的感应方式不同，部分笔画存在差异，集中表现为电阻式电子签名笔迹中部分笔画有缺失，而电磁式电子签名笔迹中笔画较完整。 例如：图3中“艾”字“艹”部的部分笔画，图5中“宇”字的部分笔画。

图1 和冠数位板(电磁式)

图2 蒙恬电纸笔(电阻式)

图3 电阻式电子签名笔迹

图4 电磁式电子签名笔迹

图5 电阻式电子签名笔迹

图6 电磁式电子签名笔迹

2.2 布局特征

检验发现二者在布局特征上有些不同，主要表现为签名笔迹整体及各单字间的距离远近、组合形态、倾斜程度等方面。如图7、8所示，签名中单字间的距离发生了改变，图7的3个字之间距离适中、图8“刘”“轶”与“博”之间距离相差大。而图9、10中两个签名的组合形态发生了改变，图9基本为平直型，图10为倾斜型。

图7 电阻式电子签名笔迹

图8 电磁式电子签名笔迹

图9 电阻式电子签名笔迹

图10 电磁式电子签名笔迹

2.3 字体特征

检验发现二者在字体特征上没有明显的差异，虽然书写形式不是完全一模一样，但基本的字体变化不大。如图11、12所示，虽然二者存在一定差异，但字体特征是一致的。

图11 电阻式电子签名笔迹

图12 电磁式电子签名笔迹

2.4 字形特征

通过比较检验发现，字形特征在两种笔迹间差异不明显，二者外部轮廓的基本形态较为相似，但少数签名存在差异。如图13、14所示，在“王”、“文”二字上，字形变化特别明显，而“广”字变化相对较小。

图13 电阻式电子签名笔迹

图14 电磁式电子签名笔迹

2.5 字的大小特征

经过比较检验发现，字的大小特征在两种笔迹间变化不明显，且签名各字间组合的大小也较为一致，如图15、16所示，3个字呈现大、小、大的组合。但这两种电子签名笔迹都是以图像的方式保存，其大小可人为调整，比较时要以原始图像为根据来进行检验。

图15 电阻式电子签名笔迹

图16 电磁式电子签名笔迹

2.6 字的结构、搭配比例特征

主要指单字部件间、笔画间的搭配、比例等特征。通过比较发现：两种字迹在字的结构形式上变化较小，但二者在笔画间的搭配位置及比例特征上有所改变，如“熊”字各部件间的搭配比例、“余”字“人”部与第一横画的搭配位置、两横画间的比例关系等(见图17、18)。

图17 电阻式电子签名笔迹

图18 电磁式电子签名笔迹

2.7 运笔特征

运笔特征主要包括起笔、行笔、收笔、笔力、笔形等几方面。由于电子签名笔迹的电子图像缺失了笔痕特征，无法通过笔痕来推断运笔特征，故只能根据笔画的粗细、浓淡来分析。经检验，二者的运笔特征大部分相同，如图19、20中“倩”字第一横画与第二三横画的行笔方向特征较为突出。但仍有部分特征出现了差异，第一，部分起笔如图21、22中“张”字“长”部起笔、连笔形态特征等；同时，二者的笔画粗细差距较大，电阻式电子设备书写的字迹，其笔画普遍较细，粗细变化明显，而电磁式电子设备书写的字迹，其笔画普遍较粗，且粗细变化并不明显。

图19 电阻式电子签名笔迹

图20 电磁式电子签名笔迹

图21 电阻式电子签名笔迹

图22 电磁式电子签名笔迹

2.8 连笔特征

经检验，两种签名字迹的连笔特征存在较大差异，集中表现为在电磁式电子设备书写形成的电子签名笔迹中，连笔明显增多，特别是楷书体写法的签名中，表现较为明显，如图23、24所示。但对于签名属于行、草书体的，则表现不明显，如图25、26所示。

图23 电阻式电子签名笔迹

图24 电磁式电子签名笔迹

图25 电阻式电子签名笔迹

图26 电磁式电子签名笔迹

2.9 笔顺特征

经检验，两种签名字迹的笔顺特征基本一致，未检见明显差异。对于连笔较多且完整的签名字迹，笔顺容易判断，如图27、28所示。若某些单字出现笔画缺失，则判断笔画顺序时应根据照应关系仔细分辨，如图29、30中，对“张”字、“泽”字的笔顺应仔细辨别。

图27 电阻式电子签名笔迹

图28 电磁式电子签名笔迹

图29 电阻式电子签名笔迹

图30 电磁式电子签名笔迹

2.10 写法特征

经检验，两种签名字迹的写法特征基本未发生改变。同一人书写的签名字迹，无论是在签名的特殊形式还是单字的具体写法方面，大部分都未发现明显变化，但也有个别例外。如图31、32中“朔”字的写法、“月”部撇画的有无等。

图31 电阻式电子签名笔迹

图32 电磁式电子签名笔迹

2.11 笔痕特征

普通签名笔迹具有笔痕特征，能反映书写时的动态信息。但实验得到的两种电子签名笔迹，均缺失了这一特征，这是由于两种设备导出电子签名笔迹为二维图像，缺少了三维特征。因此只能通过笔画粗细、墨迹浓淡等情况，分析书写时的动态信息。

3 实验结果及分析

对电阻式及电磁式两种电子设备上获取的电子签名字迹(电子图像)，进行逐一分析后发现：不同感应方式的电子设备，对电子签名笔迹的笔迹特征有一定影响，主要表现在以下几方面。

3.1 布局特征改变

通常来讲，签名笔迹的布局特征、字间组合形式稳定性较高，主要包括字间的距离、组合形态、倾斜程度等。但通过检验两种电子签名笔迹发现，二者在字间组合上有一定程度的变化，主要有字间、部件间的搭配比例、距离远近等，在字间连笔较少的签名中表现尤为明显。布局特征主要反映书写人的空间安排能力，一般表现较为稳定，但分析两种电子设备的参数发现，二者在书写笔的类型、书写承受面上有一定差别，且实验者可能为避免接触电子屏幕而悬腕书写，由此导致布局特征发生变化。

3.2 字形改变

两种电子设备上书写形成的电子签名笔迹，在字形上有少许变化，但这种变化不是普遍的，也不呈规律性反映。仅有少数书写人的两种电子签名笔迹，出现字形改变的情况，且变化方式中，有些由长形变方形，有些由方形变长形，字形改变不呈规律性反映。字形特征除受不同感应技术的影响，还会因不同设备参数的不同而存在差异[12]。

3.3 搭配位置及比例改变

在两种电子签名笔迹之间，各笔画的搭配位置及比例有所改变，这种改变主要体现为笔画间、部件间、字间的相对位置以及各部分之间的比例关系等，属于细微层次的变化，变化程度较小，基本不会出现笔画交叉、连接错位、结构松散等情形。同时，这种变化是在同一人书写的变化范围之内，应与不同人书写的本质性差异区分开来。这主要是由于两种电子设备的屏幕、手写笔的材质不同，书写时二者间的摩擦力也有差异，故出现具体搭配位置和比例的细微变化。但应注意由于书写设备导出设置固定的宽高比时，出现的笔画和结构的整体性变化。

3.4 运笔特征改变

两种电子签名笔迹间的运笔特征出现一定差异，主要表现在运笔、起收笔以及笔画粗细等方面。第一，在电阻式电子签名笔迹中，大多数的笔迹都表现出了运笔不连贯的现象，笔画间有断笔且丢笔少画现象明显，整体上看没有电磁式电子签名笔迹连贯。第二，两种电子签名笔迹的起收笔特征存在一定差异，主要表现为起笔、收笔的形态和方向等。第三，两种签名笔迹的笔画粗细不同，电阻式的电子签名笔迹的字迹笔画相对较细，且粗细变化明显；而电磁式电子签名笔迹的字迹笔画相对较粗，有一定的粗细变化，但不是非常明显。其产生的原因可能在于电阻式电子设备的感应和传导功能欠佳，部分书写动作没有得到正常反映，具体表现为运笔中断、消失或拖带；起收笔方式变为直起笔，缺少复杂的动作反映等。

3.5 连笔特征改变

相对于电阻式的电子签名笔迹来看，电磁式的电子签名笔迹的连笔明显增多，这种连笔变化在单字的笔画间表现尤为明显，但单字与单字间不显著。换言之，若签名本身非连写或设计签名，则单字间较少出现连笔；若本身为连写或设计签名，则单字间会出现较多连笔，而无论哪一种签名形式，笔画间的连笔均有增多，集中表现在电磁式的电子签名笔迹中。

在实验中，虽然上述特征都有出现，但各自出现的概率不同，根据63组实验数据，分别统计各种笔迹变化特征的出现率，以表明不同感应方式的书写设备对笔迹特征的影响情况，具体结果见表1。

表1 两种不同感应方式下电子签名笔迹的笔迹变化特征统计

注：变化特征的出现率=(变化特征的出现份数/样本总数)×100%；在变化特征的程度方面，“+”表示变化不明显；“++”表示变化较明显；“+++”表示变化明显。

初步分析可知：在两种电子签名笔迹中，特征1、3、11、12几乎没有变化，特征10变化明显，而其他7类特征在平滑线散点图中较为分散，则需利用SPSS卡方检验以进一步确定其相关性。因此，选取某一特征并统计该特征在两种电子签名笔迹中变化的频数、未变化的频数、变化总频数、未变化总频数等制作表格，并利用SPSS进行相关性检验，发现除特征10外，特征2、7、8、9也具有相关性，具体数据见表2。

表2 与不同感应方式电子设备存在相关性的笔迹特征表

以上数据均为期望计数小于 5 不超过 20% ，最小期望值计数大于 1。

综上所述，通过实验分析发现，两种不同感应方式的电子设备上书写形成的电子签名笔迹，在连笔特征上变化明显，主要表现为相对于电阻式电子签名笔迹而言，电磁式的电子签名笔迹中连笔增多，且这种连笔比较自然，未表现出强行连笔的情况。在签名布局、运笔等方面变化较明显，主要体现为字间组合、运笔连贯程度、起收笔形态、笔画粗细等，相对于电阻式电子签名笔迹而言，电磁式的电子签名笔迹中运笔较为连贯、笔画较粗且粗细变化不明显。在字形、搭配位置及比例方面变化不明显，而在笔迹的书写风貌、字体、单字的基本写法、笔顺等特征方面，几乎没有什么变化，是不易变化的笔迹特征方面。但是，分析过程应注意两个问题：第一，在电阻式的电子签名笔迹中，部分单字出现笔画缺失、丢笔少画现象，除了书写人的因素以外，更可能是电子设备的原因。因为电阻式电子设备是通过压力感应原理形成笔迹，也就是说，书写力要能达到一定的感应值，才能显示出笔迹。若部分笔画书写力较轻，则很有可能未显示出来，进而出现缺笔少画现象，分析时应加以注意。第二，在电磁式的电子签名笔迹中，大部分单字出现连笔增多的现象，除了书写人的因素以外，也可能是电子设备的原因。由于电磁式电子设备是通过电磁感应原理形成笔迹，灵敏度较高，感应范围较大，笔尖离书写屏幕虽有一定距离，但若处于感应范围，仍会形成笔迹，由此形成连笔特征。

4 结语

从上述结论可知，不同配置的书写设备，会影响电子签名笔迹的笔迹特征。而书写设备的配置差异远不止感应方式这一个方面，还有书写面的软硬程度，摩擦力大小，分辨率、采样率大小，书写框大小，可视与不可视，等等。这些配置上的差异，均会对电子签名笔迹的笔迹特征造成不同程度的影响，轻则增加电子签名笔迹的检验难度，重则影响鉴定意见。若对同一书写设备上书写的检材、样本进行检验，结论的可靠性将会大大增加。但司法实务中，无法保证所有的电子签名笔迹检材和样本，都是在同种电子设备上书写，这就给检验人员增加了鉴定难度。因此，在检验前，需查明待检笔迹的书写设备，熟悉不同书写设备对笔迹特征的影响。在检验时，应选取检材与样本中不易变化的笔迹特征方面进行比较，而对容易受影响的笔迹特征方面应仔细斟酌。尤其是综合评断时，需客观评断笔迹特征的差异点，是由不同书写设备所致的非本质性差异，还是由不同人书写造成的本质性差异，笔迹特征的符合点是由同种书写设备引起的非本质性符合，还是由同一书写人书写的本质性符合。综上所述，在电子签名笔迹检验时，尽可能使用与检材同种书写设备上书写的样本进行比较，以减小书写设备对笔迹特征的影响，从而提高检验结论的准确性与可靠性。