電磁式手寫板數字簽名的靜態筆跡特點研究
——以Wacom Bamboo Slate CDS610S數位板為例

周桂雪，艾攀楓，潘自勤

（1.南京森林警察學院 國家林業局森林公安司法鑒定中心 野生動植物物證技術國家林業局重點實驗室，江蘇 南京 210023；2.湖北省崇陽縣公安局，湖北 咸寧437500；3.西南政法大學刑事偵查學院，西南政法大學司法鑒定中心 重慶，401120）

隨著生物特征識別技術在個人身份認證領域的興起以及近年來以數字手寫設備捕捉電子簽名在金融、能源、保險、物流等各領域的廣泛應用，有關數字手寫簽名的責任認定問題越來越多地成為法學領域、生物識別技術研發領域以及法庭科學領域的議題。特別在國內的法庭科學實踐中，有越來越多數字手寫簽名筆跡鑒定需求呈現在文件檢驗人員面前[1]，對該類簽名特點的研究和把握是解決該類筆跡鑒定的首要問題。數字手寫簽名數據采集通常由手寫板和觸摸屏兩種途徑完成。其中手寫板是較為成熟的技術，包括電阻式、電容式、電磁式三種手寫板[2]。電磁式手寫板能夠較好地采集壓力、書寫速度等書寫動態信息，因而在在線簽名采集系統中獲得較為廣泛的使用。而利用電磁式手寫板采集形成的數字簽名筆跡的特征信息是否能夠適用于筆跡鑒定，相較于傳統紙筆簽名，其準確性如何，呈現出哪些規律性特點？筆者在國內文獻中發現此類問題的具體研究尚處于起步階段。本文將以技術較為成熟并在國內外獲得廣泛應用的wacom電磁手寫板為例，通過實驗研究方法對電磁式手寫板形成的靜態數字簽名筆跡特點進行探究，以期為該類筆跡的鑒定提供筆跡特征分析依據。

1 電磁式手寫板成字原理

電磁式手寫板采用了電磁壓感技術，通過對手寫板下方線路通電形成一定空間范圍的電磁場。當其表層電路板通電后，就會在手寫板上方的一定范圍內產生磁場，以此來感應帶有線圈的筆尖的位置進行工作。由于電磁波傳導為非接觸式，因此并不需要手寫筆與手寫板進行直接接觸來感應筆尖位置；實際應用中手寫板分為有壓感和無壓感兩種類型，有壓感的手寫板可以可以感應到手寫筆在板上的實時作用力度，并通過手寫筆傳輸該壓力信息[3]。目前國內電磁式手寫板壓感級數可達4096等級。利用電磁式手寫板進行手寫簽名采集工作時，在硬件方面需要一塊與計算機相連的手寫板及手寫筆，簽名時筆跡通過手寫板被采樣到計算機并顯示到屏幕上。在軟件方面需要高度精確的模式識別技術，高效的筆跡壓縮技術，應用到電子簽名領域還需要高可靠性的加密技術等一系列高科技，以形成一個有效實用的系統[4]。

2 儀器與方法

2.1 儀器設備

本次研究中收集樣本所用的電磁式手寫板是wacom 數位板（Bamboo Slate CDS610S），該手寫板壓感等級為1024。在使用該手寫板時，需安裝Wacom Inkspace應用程序，利用Internet連接，通過配套圓珠筆與紙張書寫，可同時形成紙上和數字筆跡。此外，本次研究中利用安卓系統智能手機、筆記本電腦作為輔助設備進行數字手寫簽名筆跡接收和查看、分析之用。

2.2 方法

2.2.1 收集樣本

本次實證研究選取63名年齡在18～23歲之間的大學本科生為調查對象，其均具備中等書寫水平。收集樣本前，準備好wacom數位板、配套的紙張及可感應磁性的圓珠筆，將數位板襯于紙張下方；打開數位板電源開關完成藍牙連接。然后要求調查對象依次以正常書寫坐姿以其慣用手用配套紙筆在數字采集設備上簽名。

本次調查共收集簽名126個，分為2組樣本數據，每組63個。兩組數據分別為：紙上簽名筆跡、同步形成的數字簽名筆跡。

2.2.2 觀察與統計

將所收集樣本按所用載體進行分類整理。將紙張表面簽名筆跡作為對照樣本使用，將電磁式手寫板上形成的數字手寫簽名筆跡與在紙張上的簽名筆跡進行特征觀察比對，比較分析兩者筆跡特征的異同，并在數量方面做出統計。此次觀察比較需明確兩點：（1）紙上筆跡和數字筆跡是同一書寫活動的兩種不同表現形式。（2）本次觀察比較任務的重點在于對紙上筆跡和數字筆跡特征反映的特點進行總結。

3 結果

將紙上簽名筆跡和數字筆跡特征反映的特點進行比較，數字簽名筆跡在書寫水平、字形、書體、字的傾斜方向、文字布局、文字寫法、搭配比例特征方面未見明顯變化，特征反映較穩定、準確；而筆壓特征、運筆特征、筆痕特征、筆順特征反映方面存在信息缺失或反映失真情況，其中運筆特征反映差異較多，主要集中在細微特征，如筆畫存在缺口、斷裂、贅余及拖帶特征等（表1）。

表1 wacom電磁式手寫板捕捉靜態簽名筆跡特征變化統計

4 電磁式手寫板簽名筆跡特征反映規律分析

通過對兩組樣本筆跡逐一從宏觀到微觀層面的觀察、比較、分析，發現本次實證研究中的數字簽名筆跡特征反映具有四個方面的規律特點。

4.1 數字筆跡質量受導出格式影響

實證數據表明，“數字墨水”筆跡反映質量受文件導出格式影響。該手寫板書寫筆跡有在配套軟件上有四種導出格式：jpeg、png、pdf、will，其中，will格式主要用于文本文檔轉換，在此不做討論。其它三種格式為原筆跡輸出。經實驗發現，以pdf格式導出的簽名筆跡質量最優，字跡筆畫反映清晰，無明顯像素化現象，而jpeg、png格式導出的簽名筆跡像素化明顯，筆跡特征失真現象嚴重。這說明，筆跡特征反映受輸出文件格式影響，同一手寫板記錄的同一次簽名筆跡會因文字輸出格式差異而導致特征反映的差異。若將數字手寫簽名筆跡納入筆跡鑒定實踐，這一點是筆跡鑒定者在筆跡鑒定實例中應注意的問題。本文選取筆跡反映質量較優的pdf文件格式輸出的簽名筆跡作為數字手寫簽名樣本觀察對象。

4.2 宏觀二維層面空間位置、形態特征反映穩定

筆跡的空間位置、形態屬性是筆跡檢驗中關注的重要方面，筆跡檢驗中利用的所有筆跡特征均含有這兩重屬性。經過對實證樣本比對觀察，發現電磁式手寫板輸出的數字筆跡在宏觀的二維層面，對手寫筆跡的特征反映是較為穩定、準確的，這些特征包括：書寫水平特征、字形特征、書體特征、字的傾斜方向特征、文字布局特征、文字寫法特征、搭配比例特征。但是數字筆跡無法反映或準確反映三維和微觀信息，因此以上所列特征中另外涵涉三維信息是缺失的，更微觀層面評價指標的特征方面在數字筆跡中反映的準確度是可能受到影響的，如書寫水平特征、書體特征，具體影響將在后面的探討中詳述。

4.3 立體、動態特征反映缺失

傳統紙張表面簽名筆跡含有立體信息和動態信息，在筆跡檢驗中重要性大，使用頻率高；用到這些信息的特征主要有筆壓、筆力、筆痕、筆順。然而在“數字墨水”筆跡中，表征立體、動態特征的信息極少，導致這些特征難以得到反映。

（1）電磁式手寫板能夠記錄三維和動態特征。但簡單輸出的數字筆跡本身是二維靜態圖像，不具備三維屬性，立體特征不能得到直接反映，因此無法借助物理空間三維屬性直接觀測筆壓、筆力、筆痕、交叉筆畫順序特征。當然，在傳統筆跡檢驗中，除直接觀察三維形象反映外，還借助相關信息幫助推斷立體反映情況，如利用筆畫的粗細、墨跡濃淡、油墨堆積及滲散、筆畫分叉情況來分析筆壓、筆力、筆痕特征；但在手寫板輸出字跡中墨跡濃淡均勻一致、無油墨堆積及滲散現象，也無表征書寫筆結構的筆跡分叉等現象出現，只有筆畫粗細存在變化。進一步將手寫板輸出簽名與同步形成的紙張表面簽名進行比較發現：大部分字跡筆畫粗細與壓力大小成正比關系，壓力大，筆畫粗，壓力小，筆畫細，但沒有紙張上筆畫區分度好，筆畫粗細對壓力大小的表征性弱。其一，從筆畫粗細角度觀察，除筆壓極強、極弱的情況外，不同書寫者的壓力區分不明顯；其二，相較于紙張表面簽名，粗細變化不豐富，筆畫粗細較均勻，因此較多筆力特征缺失（圖1～2）；其三，部分筆畫粗細變化與紙張表面字跡不一致或呈相反趨勢，存在壓力較輕，筆畫較粗的情況（圖3～4），也存在紙張表面字跡筆畫粗細變化不明顯而手寫板輸出字跡筆畫粗細變化明顯的情況（圖5～6），由此可見，完全依賴筆畫粗細變化去推斷筆力，可能會得出錯誤的判斷。綜上分析，電磁式手寫板數字筆跡大部分立體信息缺失，唯一表征垂直壓力信息的筆畫粗細特征對力度反映不夠精細，區分度不高，且存在部分反映不準確的情況。基于此，在電磁式手寫板數字筆跡中筆壓特征和筆力特征可以得到微弱地反映，但存在反映不穩定的可能性；傳統筆跡檢驗中的筆痕特征和交叉筆畫順序特征無法識別。

圖1 數字簽名筆跡

圖2 紙上簽名筆跡

圖3 數字簽名筆跡

圖4 紙上簽名筆跡

圖5 數字簽名筆跡

圖6 紙上簽名筆跡

（2）筆畫運筆特征無法得到反映。在筆跡中反映書寫動作動態特性的除了垂直壓力變化外，還可以通過筆畫墨跡分布判斷運筆動作、執筆角度和筆力分布。但在電磁式手寫板數字筆跡中這些特征不能得到反映。

4.4 筆畫細微特征反映變化多

4.4.1 筆畫寬度“鈍化”現象明顯

通過實驗樣本數據比較發現，在電磁式手寫板數字簽名筆跡筆畫較紙上簽名筆跡的輕筆畫寬度呈增加趨勢，字跡筆畫寬度更加均勻，呈“鈍化”趨勢（圖7～8）。具體而言，紙上簽名筆跡筆畫反映筆尖寬度及筆觸特點，粗細分布富于變化，筆力特征表現明顯，特別是能清晰地反映起收筆、連筆部位的筆力變化和行筆筆法特征；電磁式手寫板數字簽名筆跡筆畫寬度總體呈增加趨勢，而筆畫的相對寬度呈弱化趨勢，能夠清晰地顯示著力較輕部位的筆畫，著力輕、重部位筆畫寬度差異不明顯；另外如前所述，電磁式手寫板輸出筆跡在通過粗細變化反映筆力分布特點方面存在反映不穩定的情況。因此，電磁式手寫板數字筆跡在運筆特點反映不明顯，由此也會影響到包含這些特征要素的宏觀特征方面——書寫水平特征和書體特征。具有較高書寫水平書寫者的筆跡更多地借助筆力變化、行筆筆法追求藝術美感，而這兩方面指標往往也用來區分評斷書體特征，如隸書講求“蠶頭雁尾”“一波三折”。由于本次調查對象的書寫水平均為中等，書體皆為介于楷書和草書之間的自由體，筆畫寬度的“鈍化”現象還不足以影響對樣本書寫水平和書體種類的判別；但這種“鈍化”現象造成的特征缺失會給高書寫水平筆跡以及其它規范書體的特征反映帶來更大影響，從而影響認識的準確性。

圖7 紙上簽名筆跡

圖8 數字簽名筆跡

4.4.2 起收筆部位及點狀筆畫易變化

電磁式手寫板輸出筆跡起收筆部位易發生改變，主要表現在對起收筆的形態和方式反映的變化，在所有數字手寫簽名筆跡中，起收筆部位變化的簽名高達93.65%；其中，點狀筆畫可以理解為間隔較短的起筆和收筆，與起收筆變化表現出同樣的規律特點，在此一并討論。

（1）起收筆部位筆觸及筆力特點反映不準確。輕筆畫部位在粗細變化上顯現出重筆畫特征，或者相反。如本來收筆處是“揚”的動作，在手寫板輸出筆跡中卻反映為“抑”的動作，本來“抑”的動作反映為“揚”的動作（圖 9～10），在形態上表現為“尖狀”變“平直”或“平直”變“尖狀”。

圖9 數字簽名筆跡

圖10 紙上簽名筆跡

（2）起收筆方式特征變化多。硬筆的起收筆方式分別分成直起筆、頓壓起筆、回轉起筆，直收筆、頓壓收筆、回轉收筆。電磁式手寫板輸出筆跡實際反映情況多變，起筆反映上可能在三種方式間轉換，如直起筆變成頓壓起筆或反射起筆，反射或頓壓起筆變成直起筆，收筆方式亦然（圖11～12）。這種轉換并非完全無規律可循，除與手寫板輸出筆跡信號增減有關外，還與書寫的具體動作有關。具體表現如下：其一，在電磁式手寫板記錄、傳輸或導出字跡過程中存在信號增加、減少，導致增加或缺失一些細微特征，增加細微特征的情況下可能使直起筆、直收筆變成另外兩種起收筆方式（如圖），信號損失的情況可能導致一些細微特征沒被記錄下來，從而導致頓壓起（收）筆或反射起（收）筆不明顯，成為直起筆、直收筆；由于筆畫鈍化或重疊現象，也可能造成頓壓起（收）和反射起（收）筆之間的轉換。其二，本次采用的電磁式手寫板對筆畫的抓取能力較強，能捕捉起收筆前后的輕微接觸動作甚至非接觸動作并以較寬的筆畫呈現，因此在紙張表面呈現直起（收）筆或頓壓起（收）筆的動作在手寫板輸出字跡中呈現反射起（收）筆的情況增多。

圖11 數字簽名筆跡

圖12 紙上簽名筆跡

（3）起收筆部位其它細微特征變化。對比同步形成的紙面字跡，電磁式手寫板板輸出簽名筆跡還表現出其它信號增加或缺失現象，主要呈現三方面筆跡特點：①在筆畫的起筆或收筆部位存在缺口（圖13～14）。這在所有數字手寫簽名樣本中共存在23份，出現率為36.51%。②在筆畫收筆部位存在筆畫斷裂現象（圖15～16）。這種現象出現幾率不高，其總體出現份數為6份，在數字手寫簽名樣本中出現率為9.52%。③起、收筆部位筆畫存在贅余部分或拖帶現象（圖17）。出現該現象的數字手寫簽名樣本份數為26份，出現率為41.27%。

圖13 數字簽名筆跡

圖14 紙張上簽名筆跡

圖15 數字簽名筆跡

圖16 紙上簽名筆跡

圖17 起、收筆部位筆畫贅余或拖帶現象

（4）起收筆部位變化對筆跡檢驗的影響。以上探討的起收筆變化對筆跡檢驗可能帶來如下三方面影響：①起收筆特征由于存在較高的反映失真幾率而價值降低，一旦以傳統筆跡檢驗的思維觀點去認識和利用該類特征可能會誤導檢驗人員。②由于起收筆方式和形態變化大，可能對高書寫水平字跡以及規范書體類別判斷帶來干擾。③由于電信號的增減帶來的筆畫斷裂、起收筆部位的贅余及拖帶現象，可能對書寫條件和書寫者生理、病理特點的判斷帶來干擾。

4.4.3 連筆特征變化明顯

相較于紙張表面字跡，電磁式手寫板輸出字跡在連筆特征上主要呈現兩方面變化。（1）在連筆數量和幅度上存在變化，電磁式手寫板輸出簽名筆跡總體呈現連筆數量增多、連筆幅度增大的趨勢（圖 18A～18B）。具體表現為一部分“意連”動作被手寫板輸出筆跡反映為“實連”動作，因此表現為同步形成的“物理墨水”字跡無連筆而“數字墨水”字跡有連筆，或者前者連筆幅度小后者連筆幅度大。這一變化可能與電磁式手寫板非接觸感應的工作原理有關。但也存在少部分例外情況，即同步形成的“物理墨水”筆跡有連筆或連筆幅度大，而“數字墨水”筆跡在相應部位無連筆或連筆幅度小（圖18C～18D）；經觀察發現，這些連筆多為輕而快的動作形成，可能因此給手寫板抓取字跡帶來一定難度。（2）連筆特征明顯，筆畫密集處區分度差。電磁式手寫板輸出字跡筆畫色調均勻一致，著力較輕的連筆筆畫寬度較紙面字跡增加，與正常筆力運筆的筆畫寬度區分度減小，因此連筆筆畫在視覺上更加明顯。這一變化同時帶來的弊端是：在筆畫密集部位易出現筆畫重疊或造成筆畫紊亂的視覺現象，不同筆畫間的區分度差（圖19～20），這將使一部分筆畫特征信息受到掩蓋而削弱，也給筆順的判別帶來障礙。

圖18 連筆數量及幅度變化

出現筆跡特征缺失，失真的原因，分析可能是無線藍牙傳輸的形式，硬件和軟件的精度不高所致。

圖19 數字簽名筆跡

圖20 紙上簽名筆跡

5 結論

實證研究表明，電磁式手寫板在簽名筆跡的記錄、傳輸、導出過程中會導致靜態簽名筆跡部分特征缺失、反映失真現象。這些變化主要集中在立體特征、動態特征及微觀層面特征的反映上，具體包括筆壓特征，運筆的筆力、筆畫形態、起收筆、連筆特征，表征筆順的交叉筆畫特征和起收筆動向特征，筆痕特征，書寫水平特征和書體特征也將在一定程度受到影響。此外，數字手寫簽名筆跡的導出格式應納入影響特征反映質量的因素考慮，主要影響筆跡的清晰度。除此之外，其它的宏觀二維特征反映較為穩定、準確，如字形、字的傾斜方向、搭配比例、文字布局、文字寫法特征等。

最后問題回歸到，可否依據電磁式手寫板抓取的靜態簽名筆跡實現人身同一認定？根據當前數字手寫簽名應用及研究情況，筆者將從兩方面回答這一問題。（1）當前市場上電磁式手寫板品牌、型號多樣，技術參數不一，它們采集的靜態簽名筆跡特征反映情況必然存在差異。不同類型和參數的電磁式手寫板采集筆跡特征反映情況還有待更多研究。（2）個體的同一性證明過程實際是以一定的特征組合為依據進行排除的過程[5]，在特定的范圍內排除特征組合在其它客體上出現的可能性就可以認定同一了。①無論何種類型案件，案件情境決定客體排除范圍的大小，有的案件中被尋找客體或爭議客體被限定在很小的范圍內，而且可能都是已知的，只需少量的特征組合便足以實現同一認定[5]；所以我們也看到國外的法庭判例中，存在在功能等同原則下采納電子郵件的抬頭或者郵件落款處打字輸入的署名作為有效的電子簽名證據[6]；有學者認為認為文件上的鍵入字跡、表明“接受”的圖標、掃描的簽名都可以作為電子簽名使用[7]，在遵循功能等同原則的要求下，此類廣義的電子簽名在法庭上作為證據采納主要依賴于客體范圍的限定，而不僅僅是該電子簽名形式本身標識的特定性。②特征組合的數量和質量決定簽名筆跡是否具備同一認定條件。根據前述電磁式手寫板簽名筆跡特征研究，我們發現較多特征能夠得到反映或準確反映，在具體的鑒定中，當這些得到穩定反映的特征組合具備特定范圍內的排他性時，就可以進行同一認定。所以可以得出結論：電磁式手寫板捕捉靜態簽名筆跡可以實現人身同一認定，但與傳統紙筆簽名筆跡一樣，并非所有的該類簽名都可以實現人身同一認定，我們依然需要遵循同一認定的思維方法對其審查、識別和運用。