电磁式手写板数字签名的静态笔迹特点研究
——以Wacom Bamboo Slate CDS610S数位板为例

周桂雪，艾攀枫，潘自勤

（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.湖北省崇阳县公安局，湖北 咸宁437500；3.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）

随着生物特征识别技术在个人身份认证领域的兴起以及近年来以数字手写设备捕捉电子签名在金融、能源、保险、物流等各领域的广泛应用，有关数字手写签名的责任认定问题越来越多地成为法学领域、生物识别技术研发领域以及法庭科学领域的议题。特别在国内的法庭科学实践中，有越来越多数字手写签名笔迹鉴定需求呈现在文件检验人员面前[1]，对该类签名特点的研究和把握是解决该类笔迹鉴定的首要问题。数字手写签名数据采集通常由手写板和触摸屏两种途径完成。其中手写板是较为成熟的技术，包括电阻式、电容式、电磁式三种手写板[2]。电磁式手写板能够较好地采集压力、书写速度等书写动态信息，因而在在线签名采集系统中获得较为广泛的使用。而利用电磁式手写板采集形成的数字签名笔迹的特征信息是否能够适用于笔迹鉴定，相较于传统纸笔签名，其准确性如何，呈现出哪些规律性特点？笔者在国内文献中发现此类问题的具体研究尚处于起步阶段。本文将以技术较为成熟并在国内外获得广泛应用的wacom电磁手写板为例，通过实验研究方法对电磁式手写板形成的静态数字签名笔迹特点进行探究，以期为该类笔迹的鉴定提供笔迹特征分析依据。

1 电磁式手写板成字原理

电磁式手写板采用了电磁压感技术，通过对手写板下方线路通电形成一定空间范围的电磁场。当其表层电路板通电后，就会在手写板上方的一定范围内产生磁场，以此来感应带有线圈的笔尖的位置进行工作。由于电磁波传导为非接触式，因此并不需要手写笔与手写板进行直接接触来感应笔尖位置；实际应用中手写板分为有压感和无压感两种类型，有压感的手写板可以可以感应到手写笔在板上的实时作用力度，并通过手写笔传输该压力信息[3]。目前国内电磁式手写板压感级数可达4096等级。利用电磁式手写板进行手写签名采集工作时，在硬件方面需要一块与计算机相连的手写板及手写笔，签名时笔迹通过手写板被采样到计算机并显示到屏幕上。在软件方面需要高度精确的模式识别技术，高效的笔迹压缩技术，应用到电子签名领域还需要高可靠性的加密技术等一系列高科技，以形成一个有效实用的系统[4]。

2 仪器与方法

2.1 仪器设备

本次研究中收集样本所用的电磁式手写板是wacom 数位板（Bamboo Slate CDS610S），该手写板压感等级为1024。在使用该手写板时，需安装Wacom Inkspace应用程序，利用Internet连接，通过配套圆珠笔与纸张书写，可同时形成纸上和数字笔迹。此外，本次研究中利用安卓系统智能手机、笔记本电脑作为辅助设备进行数字手写签名笔迹接收和查看、分析之用。

2.2 方法

2.2.1 收集样本

本次实证研究选取63名年龄在18～23岁之间的大学本科生为调查对象，其均具备中等书写水平。收集样本前，准备好wacom数位板、配套的纸张及可感应磁性的圆珠笔，将数位板衬于纸张下方；打开数位板电源开关完成蓝牙连接。然后要求调查对象依次以正常书写坐姿以其惯用手用配套纸笔在数字采集设备上签名。

本次调查共收集签名126个，分为2组样本数据，每组63个。两组数据分别为：纸上签名笔迹、同步形成的数字签名笔迹。

2.2.2 观察与统计

将所收集样本按所用载体进行分类整理。将纸张表面签名笔迹作为对照样本使用，将电磁式手写板上形成的数字手写签名笔迹与在纸张上的签名笔迹进行特征观察比对，比较分析两者笔迹特征的异同，并在数量方面做出统计。此次观察比较需明确两点：（1）纸上笔迹和数字笔迹是同一书写活动的两种不同表现形式。（2）本次观察比较任务的重点在于对纸上笔迹和数字笔迹特征反映的特点进行总结。

3 结果

将纸上签名笔迹和数字笔迹特征反映的特点进行比较，数字签名笔迹在书写水平、字形、书体、字的倾斜方向、文字布局、文字写法、搭配比例特征方面未见明显变化，特征反映较稳定、准确；而笔压特征、运笔特征、笔痕特征、笔顺特征反映方面存在信息缺失或反映失真情况，其中运笔特征反映差异较多，主要集中在细微特征，如笔画存在缺口、断裂、赘余及拖带特征等（表1）。

表1 wacom电磁式手写板捕捉静态签名笔迹特征变化统计

4 电磁式手写板签名笔迹特征反映规律分析

通过对两组样本笔迹逐一从宏观到微观层面的观察、比较、分析，发现本次实证研究中的数字签名笔迹特征反映具有四个方面的规律特点。

4.1 数字笔迹质量受导出格式影响

实证数据表明，“数字墨水”笔迹反映质量受文件导出格式影响。该手写板书写笔迹有在配套软件上有四种导出格式：jpeg、png、pdf、will，其中，will格式主要用于文本文档转换，在此不做讨论。其它三种格式为原笔迹输出。经实验发现，以pdf格式导出的签名笔迹质量最优，字迹笔画反映清晰，无明显像素化现象，而jpeg、png格式导出的签名笔迹像素化明显，笔迹特征失真现象严重。这说明，笔迹特征反映受输出文件格式影响，同一手写板记录的同一次签名笔迹会因文字输出格式差异而导致特征反映的差异。若将数字手写签名笔迹纳入笔迹鉴定实践，这一点是笔迹鉴定者在笔迹鉴定实例中应注意的问题。本文选取笔迹反映质量较优的pdf文件格式输出的签名笔迹作为数字手写签名样本观察对象。

4.2 宏观二维层面空间位置、形态特征反映稳定

笔迹的空间位置、形态属性是笔迹检验中关注的重要方面，笔迹检验中利用的所有笔迹特征均含有这两重属性。经过对实证样本比对观察，发现电磁式手写板输出的数字笔迹在宏观的二维层面，对手写笔迹的特征反映是较为稳定、准确的，这些特征包括：书写水平特征、字形特征、书体特征、字的倾斜方向特征、文字布局特征、文字写法特征、搭配比例特征。但是数字笔迹无法反映或准确反映三维和微观信息，因此以上所列特征中另外涵涉三维信息是缺失的，更微观层面评价指标的特征方面在数字笔迹中反映的准确度是可能受到影响的，如书写水平特征、书体特征，具体影响将在后面的探讨中详述。

4.3 立体、动态特征反映缺失

传统纸张表面签名笔迹含有立体信息和动态信息，在笔迹检验中重要性大，使用频率高；用到这些信息的特征主要有笔压、笔力、笔痕、笔顺。然而在“数字墨水”笔迹中，表征立体、动态特征的信息极少，导致这些特征难以得到反映。

（1）电磁式手写板能够记录三维和动态特征。但简单输出的数字笔迹本身是二维静态图像，不具备三维属性，立体特征不能得到直接反映，因此无法借助物理空间三维属性直接观测笔压、笔力、笔痕、交叉笔画顺序特征。当然，在传统笔迹检验中，除直接观察三维形象反映外，还借助相关信息帮助推断立体反映情况，如利用笔画的粗细、墨迹浓淡、油墨堆积及渗散、笔画分叉情况来分析笔压、笔力、笔痕特征；但在手写板输出字迹中墨迹浓淡均匀一致、无油墨堆积及渗散现象，也无表征书写笔结构的笔迹分叉等现象出现，只有笔画粗细存在变化。进一步将手写板输出签名与同步形成的纸张表面签名进行比较发现：大部分字迹笔画粗细与压力大小成正比关系，压力大，笔画粗，压力小，笔画细，但没有纸张上笔画区分度好，笔画粗细对压力大小的表征性弱。其一，从笔画粗细角度观察，除笔压极强、极弱的情况外，不同书写者的压力区分不明显；其二，相较于纸张表面签名，粗细变化不丰富，笔画粗细较均匀，因此较多笔力特征缺失（图1～2）；其三，部分笔画粗细变化与纸张表面字迹不一致或呈相反趋势，存在压力较轻，笔画较粗的情况（图3～4），也存在纸张表面字迹笔画粗细变化不明显而手写板输出字迹笔画粗细变化明显的情况（图5～6），由此可见，完全依赖笔画粗细变化去推断笔力，可能会得出错误的判断。综上分析，电磁式手写板数字笔迹大部分立体信息缺失，唯一表征垂直压力信息的笔画粗细特征对力度反映不够精细，区分度不高，且存在部分反映不准确的情况。基于此，在电磁式手写板数字笔迹中笔压特征和笔力特征可以得到微弱地反映，但存在反映不稳定的可能性；传统笔迹检验中的笔痕特征和交叉笔画顺序特征无法识别。

图1 数字签名笔迹

图2 纸上签名笔迹

图3 数字签名笔迹

图4 纸上签名笔迹

图5 数字签名笔迹

图6 纸上签名笔迹

（2）笔画运笔特征无法得到反映。在笔迹中反映书写动作动态特性的除了垂直压力变化外，还可以通过笔画墨迹分布判断运笔动作、执笔角度和笔力分布。但在电磁式手写板数字笔迹中这些特征不能得到反映。

4.4 笔画细微特征反映变化多

4.4.1 笔画宽度“钝化”现象明显

通过实验样本数据比较发现，在电磁式手写板数字签名笔迹笔画较纸上签名笔迹的轻笔画宽度呈增加趋势，字迹笔画宽度更加均匀，呈“钝化”趋势（图7～8）。具体而言，纸上签名笔迹笔画反映笔尖宽度及笔触特点，粗细分布富于变化，笔力特征表现明显，特别是能清晰地反映起收笔、连笔部位的笔力变化和行笔笔法特征；电磁式手写板数字签名笔迹笔画宽度总体呈增加趋势，而笔画的相对宽度呈弱化趋势，能够清晰地显示着力较轻部位的笔画，着力轻、重部位笔画宽度差异不明显；另外如前所述，电磁式手写板输出笔迹在通过粗细变化反映笔力分布特点方面存在反映不稳定的情况。因此，电磁式手写板数字笔迹在运笔特点反映不明显，由此也会影响到包含这些特征要素的宏观特征方面——书写水平特征和书体特征。具有较高书写水平书写者的笔迹更多地借助笔力变化、行笔笔法追求艺术美感，而这两方面指标往往也用来区分评断书体特征，如隶书讲求“蚕头雁尾”“一波三折”。由于本次调查对象的书写水平均为中等，书体皆为介于楷书和草书之间的自由体，笔画宽度的“钝化”现象还不足以影响对样本书写水平和书体种类的判别；但这种“钝化”现象造成的特征缺失会给高书写水平笔迹以及其它规范书体的特征反映带来更大影响，从而影响认识的准确性。

图7 纸上签名笔迹

图8 数字签名笔迹

4.4.2 起收笔部位及点状笔画易变化

电磁式手写板输出笔迹起收笔部位易发生改变，主要表现在对起收笔的形态和方式反映的变化，在所有数字手写签名笔迹中，起收笔部位变化的签名高达93.65%；其中，点状笔画可以理解为间隔较短的起笔和收笔，与起收笔变化表现出同样的规律特点，在此一并讨论。

（1）起收笔部位笔触及笔力特点反映不准确。轻笔画部位在粗细变化上显现出重笔画特征，或者相反。如本来收笔处是“扬”的动作，在手写板输出笔迹中却反映为“抑”的动作，本来“抑”的动作反映为“扬”的动作（图 9～10），在形态上表现为“尖状”变“平直”或“平直”变“尖状”。

图9 数字签名笔迹

图10 纸上签名笔迹

（2）起收笔方式特征变化多。硬笔的起收笔方式分别分成直起笔、顿压起笔、回转起笔，直收笔、顿压收笔、回转收笔。电磁式手写板输出笔迹实际反映情况多变，起笔反映上可能在三种方式间转换，如直起笔变成顿压起笔或反射起笔，反射或顿压起笔变成直起笔，收笔方式亦然（图11～12）。这种转换并非完全无规律可循，除与手写板输出笔迹信号增减有关外，还与书写的具体动作有关。具体表现如下：其一，在电磁式手写板记录、传输或导出字迹过程中存在信号增加、减少，导致增加或缺失一些细微特征，增加细微特征的情况下可能使直起笔、直收笔变成另外两种起收笔方式（如图），信号损失的情况可能导致一些细微特征没被记录下来，从而导致顿压起（收）笔或反射起（收）笔不明显，成为直起笔、直收笔；由于笔画钝化或重叠现象，也可能造成顿压起（收）和反射起（收）笔之间的转换。其二，本次采用的电磁式手写板对笔画的抓取能力较强，能捕捉起收笔前后的轻微接触动作甚至非接触动作并以较宽的笔画呈现，因此在纸张表面呈现直起（收）笔或顿压起（收）笔的动作在手写板输出字迹中呈现反射起（收）笔的情况增多。

图11 数字签名笔迹

图12 纸上签名笔迹

（3）起收笔部位其它细微特征变化。对比同步形成的纸面字迹，电磁式手写板板输出签名笔迹还表现出其它信号增加或缺失现象，主要呈现三方面笔迹特点：①在笔画的起笔或收笔部位存在缺口（图13～14）。这在所有数字手写签名样本中共存在23份，出现率为36.51%。②在笔画收笔部位存在笔画断裂现象（图15～16）。这种现象出现几率不高，其总体出现份数为6份，在数字手写签名样本中出现率为9.52%。③起、收笔部位笔画存在赘余部分或拖带现象（图17）。出现该现象的数字手写签名样本份数为26份，出现率为41.27%。

图13 数字签名笔迹

图14 纸张上签名笔迹

图15 数字签名笔迹

图16 纸上签名笔迹

图17 起、收笔部位笔画赘余或拖带现象

（4）起收笔部位变化对笔迹检验的影响。以上探讨的起收笔变化对笔迹检验可能带来如下三方面影响：①起收笔特征由于存在较高的反映失真几率而价值降低，一旦以传统笔迹检验的思维观点去认识和利用该类特征可能会误导检验人员。②由于起收笔方式和形态变化大，可能对高书写水平字迹以及规范书体类别判断带来干扰。③由于电信号的增减带来的笔画断裂、起收笔部位的赘余及拖带现象，可能对书写条件和书写者生理、病理特点的判断带来干扰。

4.4.3 连笔特征变化明显

相较于纸张表面字迹，电磁式手写板输出字迹在连笔特征上主要呈现两方面变化。（1）在连笔数量和幅度上存在变化，电磁式手写板输出签名笔迹总体呈现连笔数量增多、连笔幅度增大的趋势（图 18A～18B）。具体表现为一部分“意连”动作被手写板输出笔迹反映为“实连”动作，因此表现为同步形成的“物理墨水”字迹无连笔而“数字墨水”字迹有连笔，或者前者连笔幅度小后者连笔幅度大。这一变化可能与电磁式手写板非接触感应的工作原理有关。但也存在少部分例外情况，即同步形成的“物理墨水”笔迹有连笔或连笔幅度大，而“数字墨水”笔迹在相应部位无连笔或连笔幅度小（图18C～18D）；经观察发现，这些连笔多为轻而快的动作形成，可能因此给手写板抓取字迹带来一定难度。（2）连笔特征明显，笔画密集处区分度差。电磁式手写板输出字迹笔画色调均匀一致，着力较轻的连笔笔画宽度较纸面字迹增加，与正常笔力运笔的笔画宽度区分度减小，因此连笔笔画在视觉上更加明显。这一变化同时带来的弊端是：在笔画密集部位易出现笔画重叠或造成笔画紊乱的视觉现象，不同笔画间的区分度差（图19～20），这将使一部分笔画特征信息受到掩盖而削弱，也给笔顺的判别带来障碍。

图18 连笔数量及幅度变化

出现笔迹特征缺失，失真的原因，分析可能是无线蓝牙传输的形式，硬件和软件的精度不高所致。

图19 数字签名笔迹

图20 纸上签名笔迹

5 结论

实证研究表明，电磁式手写板在签名笔迹的记录、传输、导出过程中会导致静态签名笔迹部分特征缺失、反映失真现象。这些变化主要集中在立体特征、动态特征及微观层面特征的反映上，具体包括笔压特征，运笔的笔力、笔画形态、起收笔、连笔特征，表征笔顺的交叉笔画特征和起收笔动向特征，笔痕特征，书写水平特征和书体特征也将在一定程度受到影响。此外，数字手写签名笔迹的导出格式应纳入影响特征反映质量的因素考虑，主要影响笔迹的清晰度。除此之外，其它的宏观二维特征反映较为稳定、准确，如字形、字的倾斜方向、搭配比例、文字布局、文字写法特征等。

最后问题回归到，可否依据电磁式手写板抓取的静态签名笔迹实现人身同一认定？根据当前数字手写签名应用及研究情况，笔者将从两方面回答这一问题。（1）当前市场上电磁式手写板品牌、型号多样，技术参数不一，它们采集的静态签名笔迹特征反映情况必然存在差异。不同类型和参数的电磁式手写板采集笔迹特征反映情况还有待更多研究。（2）个体的同一性证明过程实际是以一定的特征组合为依据进行排除的过程[5]，在特定的范围内排除特征组合在其它客体上出现的可能性就可以认定同一了。①无论何种类型案件，案件情境决定客体排除范围的大小，有的案件中被寻找客体或争议客体被限定在很小的范围内，而且可能都是已知的，只需少量的特征组合便足以实现同一认定[5]；所以我们也看到国外的法庭判例中，存在在功能等同原则下采纳电子邮件的抬头或者邮件落款处打字输入的署名作为有效的电子签名证据[6]；有学者认为认为文件上的键入字迹、表明“接受”的图标、扫描的签名都可以作为电子签名使用[7]，在遵循功能等同原则的要求下，此类广义的电子签名在法庭上作为证据采纳主要依赖于客体范围的限定，而不仅仅是该电子签名形式本身标识的特定性。②特征组合的数量和质量决定签名笔迹是否具备同一认定条件。根据前述电磁式手写板签名笔迹特征研究，我们发现较多特征能够得到反映或准确反映，在具体的鉴定中，当这些得到稳定反映的特征组合具备特定范围内的排他性时，就可以进行同一认定。所以可以得出结论：电磁式手写板捕捉静态签名笔迹可以实现人身同一认定，但与传统纸笔签名笔迹一样，并非所有的该类签名都可以实现人身同一认定，我们依然需要遵循同一认定的思维方法对其审查、识别和运用。