手写电子签名笔迹特征变化规律的实验研究*
王少仿1王珊珊2
1. 湖北警官学院 2. 湖北省武汉市公安局江汉区分局
摘要： 邀请四名大学生使用七台不同品牌与型号的电子签名设备，分别以不同执笔方式、书写压力书写签名；然后运用控制变量法，对实验样本进行分析，研究电子签名笔迹的概貌特征与细节特征，总结笔迹特征的种类及变化规律，探索不同品牌与型号的手写设备对签名笔迹特征的影响。本研究可为手写电子签名笔迹检验寻求理论支撑，并应用于司法实践工作。
关键词： 文件检验 电子签名 笔迹特征 变化规律
引言
电子签名作为一种新兴手段被广泛使用的同时，相关的法律实务和检验技术问题也随之出现。当前，我国文检界对于电子签名笔迹还未探索出一套成熟的鉴定方法，亟需文检人员广泛开展研究，突破该技术难题[1-3]。本文对大量实验样本进行分析，观察不同品牌及相同品牌不同型号的电子设备所形成签名笔迹的特征反映，总结特征变化规律，理清特征差异产生的具体原因，为电子签名笔迹的科学检验奠定基础。
一、手写电子签名器的工作原理
手写电子签名的通用定义是：以触控笔或指尖为书写工具，以电磁式手写板或电容式手触板为书写承载体，依据电磁压感应或电流感应原理，记录笔迹的实时动态特征的电子签名技术。
（一）电磁式手写板工作原理
电磁式手写板的工作原理是：显示屏内置一块电磁感应板，当触控笔的笔尖在手写板上移动时，电磁感应笔会释放出电磁波，切割磁场，产生电信号，由基板感应到水平和垂直方向磁通量的变化后，通过计算变化值获取笔尖所在位置的x、y坐标，实现对笔尖位置的多点定位。基于电磁波可以隔空传导的原理，即使触控笔未接触到基板，在基板上方一定高度内（一般为5～15mm），基板也可得到感应。同时，触控笔能够感受书写人在笔尖上所施加的压力大小，笔内的压力电阻产生压感，压感通过磁信号，显示笔画粗细，更加接近真实的笔在纸面书写时的感觉，进而反馈出笔迹。
（二）电容式手触板工作原理
电容式手触板是利用电流感应的原理，通过基板所附着的传感器，电流从触摸屏四角上的电极中流出，传输到指尖处，通过计算四角电极流出的电流比例，精确得出触摸点的具体位置坐标。通过电容屏书写，使用者只需要触摸屏幕即可完成书写动作，而不用施加压力来产生电信号，故而线条流畅完整[4～5]。正因为此，该设备所形成的签名缺乏粗细变化，笔画膨胀加大，书写时不能形成细小的曲线和实施精准的书写动作。
二、实验设计
本研究的实验设计为：收集四名实验者（两男两女）在同一时期、正常站姿书写状态下，使用七台电子签名设备（配有触控笔），分别在不同执笔位置、不同书写力度书写的912份实验样本，使用PowerPoint软件对实验材料进行特征标示和比对观察，结合笔迹特征形成机理、不同书写设备的参数设置，依据控制变量法，对电子签名笔迹特征的稳定性和变化性之规律进行分析。
（一）实验器材和人员
关于统战工作成员结构的变动。以安徽省为例，统战工作的成员结构由原来的民族宗教类人士、工商业人士和归侨侨眷等为主变为现在的以党外知识分子、非公有制经济成员及新市民作为主要结构成员。[2]近年来，统战工作成员的人数在不断增加。因为新形势下的新社会阶段人口增加及社会经济的快速发展，统战工作对象在数量上有了大幅度增长，所以统战工作的任务更为艰巨。随着新形势下统战工作的人员数量增大及统战人员类型的增多，再加上人类文化专业及经济发展水平和政治业务素质等的参差不齐，使得各阶层在自身价值及利益诉求等方面都出现了多样化的矛盾。[3]如此情况也就给统战工作人员的工作量和工作难度带来了一定挑战。
由于成熟稳定的书写习惯有利于实施概率统计和实验分析，故随机选取四名在校大学生作为实验签名提取对象，他们的书写水平彼此相异，可较充分地反映出各种笔迹特征。
（二）实验步骤
（1）为避免实验者因不适应手写电子签名方式，导致无法获取稳定的、正常发挥的书写笔迹，本研究要求每位实验者拿到书写板和触控笔之后，先按照自己习惯的执笔方式、书写姿势任意签名，以便熟悉设备的构造及书写条件。
高职英语的职业教育目标是“以服务为宗旨，以就业为导向”，体现以人为本，以学生为中心，注重培养学生的语言应用能力，特别是听说能力，同时培养高职学生综合素质，提升职业可持续发展能力。以此目标，我们贯穿“1+X”的教学理念，实施“基础英语+行业英语”的课程结构体系和“分级教学”的立体教学体系。
（2）每位实验者采取正常站姿，使用触控笔（钢笔模式）分别以低位执笔方式且较重书写压力、低位执笔方式且较轻书写压力、高位执笔方式且较重书写压力、高位执笔方式且较轻书写压力四种方式，同时以0°、15°、30°、45°四个设备倾斜角度，按照正常书写速度在序号分别为“A”、“B”的两台书写设备上各签名一次，共获取128份签名样本，分别编号为“A-DZ-0-1”、“A-DQ-0-1”、……。以第二位实验者使用序号为“B”、倾斜角度为45°的设备，以高位执笔方式且较轻压力所书写的实验样本为例，编号为“B-GQ-45-2”，依此类推。
（3）每位实验参与者采取正常站姿，使用触控笔（其中，圆珠笔模式标记为“1”、毡尖笔模式标记为“2”、荧光笔模式标记为“3”）分别以上述执笔位置与书写力度、设备倾斜角度，按照正常书写速度在序号分别为“C”、“D”、“E”、“F”四台书写设备上各签名一次，共获取768份签名样本，分别编号为“C1-DZ-0”、……。以第一位实验者使用序号为“D”、倾斜角度为30°的设备，使用荧光笔模式以高位执笔方式且较重书写压力所书写的实验样本为例，编号为“D3-GZ-30-1”，依此类推。
（4）每位提取对象采取正常站姿，使用右手食指分别以0°、15°、30°、45°四个设备倾斜角度，按照正常书写速度在“蒙恬手写签名王”电子签名板上各签名一次，共计获取16份签名样本，分别编号为“G-0-1”、“G-15-1”、……。
分析河流廊道生境要素变化与生物生命过程的响应关系，开展关键物种对主要环境因子变化，如关键生物种群对栖息地的地形、水力学要素变化的敏感性研究。研究水利工程建造前后水文和水力学要素的变化特征（洪水历时、河道流量丰枯变化，季节性洪水脉冲变化，大坝高速水流下泄的掺气过饱和现象，大坝建成后库区的水温分层及低温水排放等）对河道生物的生长、发育、繁殖等生命过程的影响。开展现场监测并对生物对环境变化响应物理过程进行模拟实验，开发基于生物需求的水文过程模拟模型，探索满足各河流独特生态系统健康发展的河道生态需水量计算体系或方法。
第三模块是素质拓展模块，通过就业讲座、社会实践、各种比赛等形式，提高学生的综合素质，更好地适应用人单位的需求。
三、实验结果及成因分析
本实验研究历时两个月，通过对912份实验样本的观察分析，综合归纳出其中具有稳定性和代表性的笔迹特征。现依照不同品牌和型号的电子签名器，对电子签名笔迹特征的变化规律予以阐述。
（一）相同品牌不同型号签名器间手写电子签名特征及其成因
1. “汉王”牌手写板（设备A、B、C）
通过比较不同设备书写笔迹线条的粗细、浓淡可对笔力特征进行判别。从图7可见，设备A、E、F能通过单字书写反映笔力特征，而设备B、C、D均不可，其笔画均粗细一致。例如，设备F所形成的字迹“珊”，起笔颜色较浅，说明笔画的起笔及前段书写压力较轻；最后一笔转折处颜色较深，其原因在于笔画在转折处压力较重。
2. 收笔特征
（ 5）将所有图片传输到电脑上，以JPG格式保存。依据控制变量法，对每份签名样本进行笔迹特征比对，以获取稳定的和易变的特征反映规律。
再次，笔画完整度。由于书写范围的限制，接触软件记录盒分界线的点画在签名边缘处易被转换为短的垂直线，少量笔迹会消失截断，无法记录在手写电子签名笔迹中。由图3可见，设备A、B所书写笔迹受设备尺寸影响较大，而设备C影响较小。其原因在于板面尺寸的不同，导致书写范围受限，影响原始笔迹的还原。设备A的书写有效尺寸为75× 60mm， 设 备 B为 32× 36mm， 设 备 C为 225×150mm。设备B所呈现的笔迹中，“张”字的“弓”最左边的笔画转折处未显现出来，使签名表现得很拙劣，较难进行精细的操作，无法构成协调、完整的连笔，从而丧失了一个很有鉴定价值的细微特征。
2. “友基”牌手写板（设备D、E）
我们大众接触和了解相对较多的引进剧主要来自于亚洲和欧美的一些国家。首先，由于亚洲各国在地理位置上与我国临近，且国与国之间的价值体系及文化背景、人民大众之间的生活与工作方式有相似之处，中国电视观众更容易接受亚洲电视剧。其次，欧美剧新鲜的题材、丰富的想象力、多彩的画面深深地吸引力中国的观众，尤其是中国的年轻观众。经常看美剧的人都知道，美剧的表现主题的方式和叙事角度常常很新颖，剧情具有很强的独特性和反常性，人物性格刻画淋漓尽致，使我们能感受到很多在国内电视剧和电影中不一样的体验。相比较美剧而言，英国电视剧通常表露出一种英式独特的诙谐感，剧情大多深沉、蕴藉，这当然与其底蕴深厚本土文化有关。
首先，笔画粗细过渡变化。压感级别越高，笔迹细微差异越容易被基板感应到，在画面上的反映越明显。从图4可见，设备E比设备D的书写笔迹粗细过渡更自然，其原因在于两者压感级别值不同，设备D的压感级别为2048，设备E的压感级别为8192。通过放大图片，发现在同一单字的相同部位，后者比前者书写笔迹粗细变化更细腻圆润。然而，并不是压感越高，书写所需要的用力越大。例如，用相同的笔力来书写，1024级、2048级和8192级是把同一个力度分解成10、20、80份，分解的越多，细微差异表现越突出。
其次，笔迹的抖动现象。设备的分辨率越高，单位图像面积所含的方块越多，基板所获取的信息量越大，线条精度越高且更柔顺，抖动现象越不明显。如图5所示，设备D书写时笔迹会出现抖动，线条精度不高，而设备E则没有出现这些情况，原因在于二者的分辨率不同。
再次，笔画中断现象。笔尖压感级数层次越多，所形成的线条还原程度越高，细微的力度变化也可察觉，能清晰地反映出向上笔画压力较轻，向下笔画压力较重等特点，即使进行快速而流利的书写，依然在长笔画中形成光滑完整的线条，不会因笔力过轻而导致笔画中断。如图6所示，设备D书写时笔画会出现中断，而设备E书写时却没有出现该现象，其原因在于压感级别和读取速度的共同作用。二者皆为电磁式手写板，必须有压力作用基板才可感应到，进而精确还原书写笔迹。
（二）不同品牌电子签名器之间电子签名笔迹特征的比较
1. 笔力特征
首先，笔迹灰度。根据设备具体参数介绍，设备A、B、C的灰度值依次为A＜C＜B，设备A、C的位深度值为32，设备B的位深度值为8。如图1所示，明显可见设备A、B、C所书写签名笔迹的颜色深浅为A＞C＞B，其原因在于不同设备间的灰度与位深度不同。
然而,当两区域OLR负相关时,情形却非常不同。热带西北太平洋仍处于下沉区域,而热带东南印度洋则有显著的上升运动和对流增强时,在Box-A和Box-B间形成了完整的斜向的垂直环流(图6b)。这种垂直环流在西北太平洋与热带东南印度洋的相互作用中起到了非常重要的作用。这里与图5的分析结果一致,也与图3b,图4d、4e、4f所示的非绝热加热异常扰动相一致。所以,OLR在Box-A和Box-B上的负相关表明了这两个地区存在着明显的相互影响,且垂直环流圈或为这两个地区联系的重要途径之一。
其次，笔力特征。由图2可见，设备A能根据笔画粗细及颜色深浅反馈书写压力的大小，而设备B笔迹粗细一致。设备C使用重力书写所获取的笔迹颜色略深于使用较轻力度书写。设备A与设备C的区别在于，前者是通过单字来表现压力大小，后者是以组合字的形式对比来表现，其原因在于压感级别的不同。设备A的压感级别为1024，设备B无压感级别，设备C的压感级别为2048，这些数据很好地解释了三台设备所形成笔迹的粗细浓淡不一的原因。
实验中主要选用四种不同品牌的电子签名设备，共有七台，具体品牌型号和设备编号如表1所示。同时使用笔记本电脑（MacBook Air，型号：A1466）一台，TD-LTE数字移动电话机（HUAWEI Mate 9,型号：MHA-AL00）一部。
加快城市河流水体的流速，可在一定程度上控制河流中污染物的含量，从而达到改善水质的效果。而不同的湿地人工深度处理技术的应用可以对工业生产排放的废水加以处理。工业废水处理站会应用物理化学以及生物方法对工业废水进行初步处理，确保处理后的工业废水符合国家污水排放标准后，在源头处理滞后，借助于湿地人工深入处理技术的应用对河流水体进行全面的治理，促使城市河流水质符合国家地表水环境质量要求标准。
收笔特征是当书写动作即将完成时，笔尖离开承载体瞬间的细节特征。由图8可见，设备D、F能反映收笔特征，而其它设备均不可。设备F所形成的字迹“珊”最后收笔处，笔画细长且呈渐变式，反映出其在收笔过程中力度逐渐减小，收笔特征方式为直收笔，且书写速度较快。而设备A、B、C、E所形成的笔迹在收笔处将本应为锥形的笔画转换成钝形，变为直收笔，无法精准感知书写人的压力变化，使笔画不能因书写压力大小而引起粗细的改变。
3. 截屏效果
由于板面的限制，使用者无法完整控制签名的笔画之间及字与字之间的布局安排，从而产生不自然的转折、笔画过长或过短、搭配比例不匀称、不正常的倾斜等现象，这都将影响笔迹特征的反映和特征价值的评断。由图9所示，设备A、B的截屏效果明显存在差异，其原因在于书写范围的不同。设备C、D、E、F的有效尺寸为设备A、B的一倍多，且使用者在书写签名时所看到的书写范围与实际所截取签名的范围大小并非完全一致。最合适的手写板大小应为将两个手掌平放在板面上，基本上能容纳或略微大。如此，可避免出现书写时因手腕和手臂舒展不开，而较难进行精细的操作。
4. 笔画中断现象
因为触控笔与手写板之间是通过电磁感应工作的，书写压力不均或书写速度过快都会引起笔画出现中断或缺失，使一笔完成的笔画未能连接上。笔力必须达到手写板能感应到的标准值，其才能接收到相应信息，从而还原笔迹。由图10可见，设备A、D、F易出现笔画中断现象。手写板表面的摩擦系数也可能是影响因素之一，摩擦系数大会导致签名在转折过程中运笔拘谨生硬，连笔多有中断，笔画质量一般较差。例如，设备F所形成的笔迹“珊”，在多次向上弯曲的过程中因板面摩擦受阻，笔画呈断断续续状，改变了原有的运笔特征。为了弥补笔迹的中断缺失，书写者会对笔迹修饰重描，故而较容易出现多余笔画的交叉。而手写电子签名是在一个二维空间内存在的，不能分辨出笔顺，因此书写者后来的添补笔画给鉴定带来了很大的困难。
对薄层色谱进行了方法学研究，分别对供试品溶液制备、薄层板、展开系统进行了考察。分别采用不同提取溶剂（甲醇、无水乙醇、正己烷各10 mL），不同展开系统〔石油醚（60～90℃）-乙酸乙酯（20∶1）；石油醚（60℃～90℃）-丙酮（9∶2）〕，不同显色方式（喷以10%硫酸乙醇溶液，105℃加热至斑点显色清晰；喷以5%对二氨基苯甲醛的10%硫酸乙醇溶液，105℃加热至斑点显色清晰）进行操作实验。结果表明，采用本法所得的薄层色谱斑点清晰、一致，且操作简便易行。
（三）结论
手写电子签名笔迹属于书写条件变化笔迹，与使用正常书写工具（普通笔和纸）书写形成的笔迹相比,其特征必然会发生某些改变，同时会受到电子书写设备的品牌与型号的影响。不同品牌与型号书写设备的工作原理、尺寸大小及参数设置的区别，均会在不同位置、不同程度上影响笔迹的还原度，从笔迹灰度、笔力特征、笔迹完整度、笔画粗细过度、笔迹抖动现象等方面表现出一定差异。
四、结语
本文围绕手写电子签名这个新兴课题展开研究。通过实验证明，同一人使用不同书写设备，在相同的执笔高度、书写压力条件下书写，其笔迹特征间的差异在相同字或不同字的相同部位具有重复再现的稳定性；而不同人使用同一书写设备，在其它条件均有所调整时，并未出现明显区别。这些特征变化规律为研究不同品牌与型号的手写电子签名笔迹提供可靠的实验支撑，能够直接运用于笔迹检验工作，更好地解决诉讼活动中的技术难题。
参考文献
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*基金项目: 湖北省自然科学基金项目（编号：2017CFB774）
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