電子簽名筆跡量化檢驗的可行性探究

陳維娜

（1. 華東政法大學(xué)，上海200042；2. 中國人民公安大學(xué)，北京100038）

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，電子商務(wù)、電子政務(wù)迅速普及，無紙化辦公已然成為一種趨勢。為解決電子記錄效力等同于紙面證據(jù)的問題，聯(lián)合國貿(mào)易法委員會（UNCITRAL）早在1996年就發(fā)布了《電子商務(wù)示范法及其頒布指南》；我國在2004出臺了《中華人民共和國電子簽名法》（以下簡稱《電子簽名法》），并于2015年進行了修正。根據(jù)我國《電子簽名法》第2條第1款之規(guī)定，電子簽名“是指數(shù)據(jù)電文中以電子形式所含、所附用于識別簽名人身份并表明簽名人認可其中內(nèi)容的數(shù)據(jù)”。

電子簽名的實質(zhì)即數(shù)據(jù)，它形成的過程、表現(xiàn)的形態(tài)、使用的方式等都與傳統(tǒng)的手書簽名存在差異，通常是以非對稱加密（RSA算法）和報文摘要（HASH算法）的形式包含或附于電文之中。由于它不具備傳統(tǒng)簽名的形式要件，不包含能夠進行個體識別的行為信息，其辨真規(guī)則和法律效力的認定一直飽受爭議[1-3]。數(shù)字化手寫技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展在一定程度上緩解了這種爭議，采用數(shù)字化手寫技術(shù)形成的電子簽名筆跡既保有傳統(tǒng)簽名的形式要件又兼具數(shù)據(jù)電文的功能要義，目前已廣泛應(yīng)用于銀行、保險、通訊和互聯(lián)網(wǎng)金融等領(lǐng)域。隨著數(shù)字化手寫技術(shù)的推廣和普及，電子簽名筆跡的真實性、關(guān)聯(lián)性一旦產(chǎn)生爭議，勢必需要通過司法鑒定的技術(shù)手段加以解決。探討電子簽名筆跡的特點，制定出一套行之有效的電子簽名筆跡檢驗方案應(yīng)用于司法實踐，是技術(shù)人員亟需解決的問題。

1 電子簽名筆跡的獲取方式

電子簽名筆跡(handwritten electronic signatures,HES)通過數(shù)字化手寫技術(shù)獲取。數(shù)字化手寫是以指尖或觸控筆為書寫工具，以觸摸屏為書寫載體，通過壓感產(chǎn)生的電阻、電流或電磁效應(yīng)來記錄書寫運動軌跡的一類電子技術(shù)。這項技術(shù)的關(guān)鍵采集系統(tǒng)硬件是觸摸屏，按照其工作原理的不同，分為三類：

1.1 電阻模擬量技術(shù)

電阻觸摸屏的屏體部分是一塊多層復(fù)合薄膜，由一層玻璃或有機玻璃作為基層，表面涂有一層氧化金屬（ITO氧化銦）導(dǎo)電層[4]；導(dǎo)電層上蓋有一層玻璃或是外表面硬化處理的光滑的塑料層，它的表面也涂有一層ITO導(dǎo)電層[5]；在兩層導(dǎo)電層之間有許多細小（小于千分之一英寸）的透明隔離點把它們隔開[6]；書寫時，通過手指、指甲或觸筆施加壓力，使兩層ITO發(fā)生接觸，電阻發(fā)生變化，控制器根據(jù)檢測到的電阻變化來計算接觸點坐標，再依照這個坐標來進行相應(yīng)的操作[7]。

1.2 電流感應(yīng)技術(shù)

電容觸摸屏的屏體是由一塊四層復(fù)合玻璃構(gòu)成的，當手指觸摸在觸摸屏上時，由于人體電場、用戶和觸摸屏表面形成一個耦合電容，對于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流[8]。這個電流分別從觸摸屏四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置信息，得到接觸點的坐標。

1.3 電磁感應(yīng)技術(shù)

基本原理是通過一支電磁觸控筆發(fā)射電磁信號，和顯示屏幕背后的電磁感應(yīng)板進行交互，當觸控筆靠近觸控屏?xí)r，觸控屏后面的電磁感應(yīng)板會感應(yīng)到筆的電磁信號從而使電磁感應(yīng)板下的感應(yīng)線產(chǎn)生變化，根據(jù)水平方向和垂直方向的天線陣列接收信號，通過磁通量的變化計算獲得筆所在的坐標位置。

目前，數(shù)字化手寫技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于手機、平板電腦、閱讀器、簽字板、手繪板等設(shè)備之中。電子簽名筆跡就是通過數(shù)字化手寫技術(shù)形成的，書寫人利用指尖或觸控筆在觸摸屏上書寫簽名字跡，系統(tǒng)檢測坐標位置、觸摸壓力等相關(guān)信息，通過A/D轉(zhuǎn)換將書寫運動軌跡記錄為一連串數(shù)據(jù)信息。這種簽名可通過采集系統(tǒng)的屏幕進行顯示，可保存于簽名所含、所附的電子文檔之中，可遠程傳輸、可調(diào)檔查看，適用于政企、醫(yī)療、教育和金融等行業(yè)，極大地推動了無紙化辦公。

2 電子簽名筆跡的表現(xiàn)形式

電子簽名筆跡從其形成的過程來看兼具雙重屬性：一方面電子簽名筆跡是由簽字人通過書寫活動形成的，其外化形式可在采集系統(tǒng)的屏幕上、生成的電子文件中進行觀察，和傳統(tǒng)的書寫在紙張上的簽名筆跡一樣，是一種特定文字符號的形象系統(tǒng)；另一方面，電子簽名筆跡的采集系統(tǒng)中記錄了整個書寫軌跡的坐標值和書寫壓力等數(shù)據(jù)信息，其本質(zhì)屬電子數(shù)據(jù)。

2.1 電子簽名筆跡的形貌特征

電子簽名筆跡的書寫工具和書寫載體均有別于傳統(tǒng)簽名筆跡，但其也是簽名人通過書寫自己的姓名、姓氏、名字或代表其姓名的文字符號來表征身份、表示認可的一種行為。簽字過程中形成的運動軌跡蘊含了表征個人書寫習(xí)慣和書寫技能的各種征象，因此電子簽名筆跡也應(yīng)具有傳統(tǒng)簽名筆跡的各種特征，并體現(xiàn)出相對穩(wěn)定性和總體特殊性。

電子簽名筆跡的外化形式是個人簽名字跡的形貌，如圖1所示是簽名人在不同的設(shè)備上書寫的本人簽名。其中，圖1a是用電磁筆在電磁屏上書寫，速度適中、運筆流暢；從筆跡檢驗學(xué)的原理出發(fā)，可從中發(fā)現(xiàn)并選取簽名筆跡檢驗中常用的筆跡特征，如書寫方向及傾斜角度、字間組合、單字的寫法、搭配比例、筆順、運筆以及通過筆畫的粗細濃淡反映出的筆力分布等。這種電子簽名筆跡相較于傳統(tǒng)簽名其筆跡特征未發(fā)生變化，因此也稱為“原筆跡手寫”。但不可否認，電子簽名筆跡的特征反映有時會受到限制，甚至發(fā)生變化，如圖1b、圖1c所示。圖1b是用手指在電容屏上書寫，由于皮膚和玻璃屏幕之間存在較大的阻力，導(dǎo)致書寫速度下降、字跡筆畫書寫不流暢，起收筆細節(jié)動作消失，偶有運筆中斷和轉(zhuǎn)折不暢等現(xiàn)象，且看不出書寫力度的變化，使得筆跡特征的反映存在局限性；與圖1a相比較，部分筆跡特征也發(fā)生了變化。圖1c是用特制觸筆在電阻屏上書寫，由于接觸不良加之采點分辨率低，使得筆畫之間缺少應(yīng)有的銜接和照應(yīng)，個人筆跡特征不能得到較好的反映。

圖1 電子簽名筆跡（a:電磁屏?xí)鴮?b:電容屏?xí)鴮?c.電阻屏?xí)鴮懀〧ig.1 Images of HES (a: written on electromagnetic screen; b:written on capacitive screen; c: written on rheostatic screen)

由此可見，對于電子簽名筆跡，當其筆跡特征的反映穩(wěn)定而充分時，可以通過調(diào)取電子文檔中所含、所附的簽名形貌進行傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)比較檢驗；但受到采集系統(tǒng)工作原理和質(zhì)量等因素的影響，有時電子簽名筆跡的形貌特征反映并不穩(wěn)定，這時應(yīng)用傳統(tǒng)的方法進行檢驗和鑒定會受到一定程度的局限。因此需要挖掘電子簽名筆跡的數(shù)據(jù)特質(zhì)，探討量化檢驗的可行性。

2.2 電子簽名筆跡的數(shù)據(jù)特質(zhì)

使用數(shù)字手寫技術(shù)簽名時，系統(tǒng)以固定的采樣頻率記錄觸控筆尖或指尖的x、y坐標，還可記錄時間、壓力，筆的傾斜角度和旋轉(zhuǎn)程度等相關(guān)信息；一些采集系統(tǒng)甚至可以捕獲觸控筆或指尖在觸摸屏表面以上的動作（“空中筆觸”）。采集的數(shù)據(jù)信息其類型和質(zhì)量不僅取決于傳感器和捕獲設(shè)備的控制器，而且還受到圖形軟件處理數(shù)據(jù)過程的影響[9-10]。電子簽名筆跡可以同時保存簽名圖像和底層數(shù)據(jù)信息，通過解析數(shù)據(jù)擬合出的特定“軌跡”可以看作是一種復(fù)原的電子簽名圖像。如果數(shù)據(jù)真實、完整，未經(jīng)過編輯和篡改，那么復(fù)原后的圖像應(yīng)與簽名板采集時屏幕顯現(xiàn)和保存的電子簽名圖像基本吻合，如圖2a所示。

圖2 采集和復(fù)原的電子簽名筆記（a:采集的電子簽名筆跡圖像; b:復(fù)原的電子簽名筆跡散點圖；c:復(fù)原的簽名軌跡線狀圖）Fig.2 The collection and restoration of HES (a: acquired image of HES; b: reconstructed image of scattering HES; c: reconstructed linear image of HES)

由于離散數(shù)據(jù)采樣的緣故，電子簽名筆跡無法像傳統(tǒng)簽名筆跡一樣擁有連續(xù)的線條質(zhì)量。然而，電子簽名筆跡具有一個主要優(yōu)勢，即能實時捕獲并記錄關(guān)于簽名軌跡的動態(tài)特征。只要獲取電子簽名筆跡時傳感器的分辨率和系統(tǒng)的采樣率足夠大，那么就可以通過采集到的x、y坐標信息和壓力信息等來復(fù)原這個電子簽名筆跡，并且還能夠解讀出比傳統(tǒng)簽名更豐富的筆跡特征。例如，從圖2b中可反映出簽字過程中書寫速度的變化，散點堆積處書寫速度較慢，而散點離散處書寫速度較快；從圖2c中可分析筆順和運筆方向特征，這有助于幫助檢驗人員發(fā)現(xiàn)簽名字跡書寫時，筆畫之間的“形斷意連”和“運筆趨勢”。通過數(shù)據(jù)的解讀，能夠?qū)﹄娮雍灻P跡進行更加深入的分析和檢驗。

3 電子簽名筆跡的信息內(nèi)容

利用電子簽名筆跡的數(shù)據(jù)特質(zhì)，可進一步對數(shù)據(jù)信息進行分析和處理。以圖2a的電子簽名筆跡為例，該簽名的采集系統(tǒng)使用電磁感應(yīng)技術(shù)，分辨率5080點/英寸，1秒可采集300個點位的數(shù)據(jù)對。根據(jù)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可分析出簽名時長、書寫力度和書寫速度的變化等更豐富的信息內(nèi)容。

3.1 簽名時長

通過數(shù)字手寫技術(shù)簽名的過程中，采集系統(tǒng)一般等時間間隔采點，并將這些點位以序號的形式記錄下來。因此，可在簽名時長與采點個數(shù)之間建立起一個對應(yīng)關(guān)系，即書寫完成某一筆畫、某一簽名的時長與系統(tǒng)的采點個數(shù)成正比；采點個數(shù)越多，簽名所需時間越長。圖2a中的電子簽名筆跡包含946個點位的數(shù)據(jù)對，由系統(tǒng)每秒采集300個點位的數(shù)據(jù)對可知書寫該電子簽名耗時約3.15 s。該簽名實際書寫筆畫數(shù)為8，每一連續(xù)筆畫分別包含104、40、119、31、159、23、23、393個數(shù)據(jù)對，耗時分別約0.35、0.13、0.4、0.1、0.53、0.08、0.08 和 1.31 s。

3.2 書寫力度

通過提取、分析簽名過程中系統(tǒng)采集的壓感信息可以繪制出簽名過程中的書寫力度變化的曲線（圖3a），圖中的橫軸為采集點位，縱軸時表示該點位的壓感級。從圖中可以反映出每一個采點部位的書寫力度，進而分析書寫每一個特定筆畫時運筆力度的變化規(guī)律，對簽字時運筆的輕重變化進行量化分析。

圖3 書寫變化曲線（a:書寫力度變化曲線； b: 書寫速度變化曲線）Fig.3 Changing curve in writing process (a: of pressure; b: of speed)

3.3 書寫速度變化

x、y的坐標值是采點時刻系統(tǒng)感知的書寫位置信息，通過對絕對位置信息的計算，根據(jù)公式（1）可以得到等時間隔的相對位移，即量化了的書寫速度。圖3b是根據(jù)計算結(jié)果繪制出的書寫速度變化曲線，從中可反映出簽字時運筆的快慢變化。

式中：xn、yn分別為采集點位的橫、縱坐標值。

數(shù)據(jù)解析的結(jié)果表明，電子簽名筆跡形成過程中生成的數(shù)據(jù)信息與書寫活動有著密切的聯(lián)系，它不僅記錄下整個簽名的動作軌跡，還反映出在傳統(tǒng)簽名筆跡檢驗中只能依靠專家感知但卻難以量化的書寫力度、書寫速度等信息，它以可讀取、可分析計算的數(shù)據(jù)形式，詮釋出書寫活動所蘊含的“輕重急徐”和富于變化的“節(jié)奏感”，為電子簽名筆跡的量化檢驗提供了數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)語

電子簽名筆跡量化檢驗的前提條件是獲取數(shù)字手寫技術(shù)采集的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的分析構(gòu)建個人電子簽名的特有模式，全面分析簽名的形貌、書寫時長、書寫力度和書寫速度，可作為識別個人書寫運動習(xí)慣的一種新方式。電子簽名筆跡有別于傳統(tǒng)的簽名筆跡，在檢驗時，將簽名過程中采集的大量數(shù)據(jù)信息作為研究重點，在“無形的數(shù)據(jù)”和“有形的簽名”之間搭建橋梁，對電子簽名筆跡開展量化檢驗是切實可行的。

對電子簽名筆跡進行量化檢驗時需要獲取簽字過程中系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息。通過數(shù)據(jù)復(fù)原的電子簽名筆跡形貌可進行傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)比較分析，利用筆跡特征的異同進行筆跡鑒定。同時通過分析個人簽名過程中的書寫時間、書寫壓力和書寫速度等變化規(guī)律，能夠更為科學(xué)、客觀和深入地對電子簽名筆跡進行量化檢驗。

需要指出的是，傳統(tǒng)的筆跡檢驗方法在電子簽名檢驗中依然發(fā)揮著重要作用；在對電子簽名數(shù)據(jù)進行解讀的過程中，必須要考慮書寫活動的動態(tài)變化，進而對數(shù)據(jù)處理的結(jié)果進行分析和評斷。