電子簽名筆跡數(shù)據(jù)的處理與特征分析

鄭小艷 于 彬

(中國刑事警察學院，遼寧·沈陽 110035)

引言

電子簽名筆跡是一種新的筆跡類型，是由書寫人通過電子觸控筆在電子設備上書寫形成，它是書寫活動的一種數(shù)字化表現(xiàn)形式。(1)朱裴.電子簽名鑒定研究[D].華東政法大學,2018.根據(jù)電子簽名筆跡的數(shù)據(jù)信息結構可知，電子簽名筆跡是由電子數(shù)據(jù)信息和電子圖像信息兩部分組成。(2)涂舜.電子簽名筆跡中電子數(shù)據(jù)的Excel表格分析法[J].中國刑警學院學報,2018，(05).電子數(shù)據(jù)信息是指電子設備所記錄的、與整個書寫過程有關的、由一系列數(shù)字組成的數(shù)據(jù)組；電子圖像信息是指通過保存截圖或者導出pdf、jpg、png等方式，將電子簽名筆跡的輪廓形態(tài)記錄下來，從而體現(xiàn)電子簽名筆跡形態(tài)特征的圖像信息。

電子數(shù)據(jù)信息(如圖1所示)與圖像信息不同(如圖2所示)，不能直觀的、形象化的展示出來，只是以數(shù)據(jù)列表的形式顯現(xiàn)出來，不利于檢驗鑒定人員對筆跡特征的分析與認識。因此本文利用WPS軟件對電子簽名筆跡的電子數(shù)據(jù)信息進行還原、圖譜生成與顯示、特征分析。

圖1 電子簽名筆跡的電子數(shù)據(jù)

圖2 電子簽名筆跡的電子圖像

一、電子簽名筆跡的數(shù)據(jù)信息

目前主流的電子簽名書寫設備主要有電磁屏和電容屏，兩者都有后臺的電子簽名筆跡數(shù)據(jù)信息，但由于最為普及的IPAD、華為等電容屏書寫設備的筆跡數(shù)據(jù)信息是封閉的，數(shù)據(jù)信息提取比較困難，不利于電子簽名數(shù)據(jù)信息的研究。而以磐度為代表的電磁屏書寫設備的筆跡數(shù)據(jù)信息容易提取，便于進行電子簽名數(shù)據(jù)信息的研究。

(一)電磁屏書寫筆跡信息產生的原理

電磁式數(shù)位屏書寫筆跡產生信息的技術原理，書寫是靠電磁筆操作過程中面板下的感應器產生磁場變化來判別。(3)陳維娜.電子簽名筆跡量化檢驗的可行性探究[J].刑事技術,2018,(04).依據(jù)電磁式感應原理，其硬件主要是由一塊有橫豎均衡排列的電路板構成，通電后，板面上方能產生均衡的縱橫交錯的磁場，電磁筆為訊號發(fā)射端，天線板為訊號接收端。當電磁筆接近觸摸屏時,觸摸屏背后的電磁感應板會感應到筆的電磁信號，筆尖在數(shù)位板上移動的時候，切割磁場，從而產生電信號。通過多點定位，芯片就可以精確的確定筆尖的坐標位置。

(二)電磁屏電子簽名數(shù)據(jù)的結構

書寫設備不同，可記錄的電子簽名數(shù)據(jù)信息存在差異。以電磁屏為例，當電子觸控筆接觸數(shù)位板時，數(shù)位板會以固定的頻率采集電子觸控筆在數(shù)位板上的位置坐標點，并將采集的每一個點以X、Y坐標的形式表示出來。與此同時，數(shù)位板中的壓力傳感器會測得每一個坐標點的壓力值。以上數(shù)據(jù)會以直觀的WPS表格形式展現(xiàn)出來，還有一部分數(shù)據(jù)需要經(jīng)過簡單的分析計算得出。電子簽名筆跡書寫過程中，從起筆到收筆經(jīng)歷的時間，即電子簽名筆跡總時長，可根據(jù)每個采集點對應的采集時間計算得出；書寫完成上一個筆畫的收筆至開始下一筆畫的起筆，電子觸控筆筆尖會短暫離開數(shù)位板，即書寫人經(jīng)過了一次抬筆，這個過程中每個采集點的壓力值為0，通過查找壓力值0的組數(shù)，即可判斷電子簽名筆跡的抬筆次數(shù)；電子簽名筆跡中，每個字都有一個重心，重心的連線構成了電子簽名筆跡的趨勢線。綜上，電子簽名筆跡的電子數(shù)據(jù)，記錄了書寫軌跡的位置坐標及書寫力度，據(jù)此可判斷速度、加速度、簽名總時長、抬筆次數(shù)、趨勢線等要素，為電子簽名筆跡的檢驗提供了重要依據(jù)。

二、實驗

(一)實驗目的

利用WPS軟件對電子簽名筆跡數(shù)據(jù)進行處理，對電子簽名筆跡特征進行分析，總結歸納電子簽名筆跡特征數(shù)據(jù)的相關規(guī)律。

(二)實驗器材

PendoTeach(磐度)智能書寫本PH-1820-A；PendoTeach(磐度)電子觸控筆；戴爾臺式機。

PendoTeach具有手寫輸入功能和電子輸出功能的電磁屏書寫設備(如圖3所示)。該設備采用無源無線電磁壓感技術，無須特殊紙張，使用專用出墨電磁筆書寫。該設備的書寫區(qū)域為210×297mm，讀取速度為 200點/秒，壓感級別為2048級。

圖3 PendoTeach(磐度)PH-1820-A

(三)實驗設計

以30名中國刑事警察學院研究生作為實驗對象,年齡在20至28歲之間。書寫人在正常坐姿書寫條件下使用PendoTeach(磐度)電子觸控筆書寫本人簽名六次，共收集180份電子簽名筆跡作為實驗樣本。

為了保證實驗樣本的真實性，保證書寫人的筆跡特征在采集樣本時能夠穩(wěn)定的重復出現(xiàn)，避免實驗人因對電子簽名書寫工具不熟悉而導致的書寫誤差，在進行書寫實驗之前，讓實驗人使用電子簽名書寫工具進行書寫練習，在其充分掌握適應之后再進行書寫實驗。

三、利用WPS分析電子簽名筆跡數(shù)據(jù)信息

(一)電子簽名筆跡數(shù)據(jù)的二維還原

首先，把采用PendoTeach(磐度)智能書寫本A4書寫的“沈琳”正常坐姿數(shù)據(jù)用WPS表格打開，復制X、Y、Z軸的數(shù)據(jù)。在其上新建一個空白表格，導入X、Y、Z軸，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)導入圖

其次，在篩選中取消壓力為0的數(shù)據(jù)，鼠標橫向選中X、Y軸數(shù)據(jù)插入散點圖，在Y軸坐標軸選項中選中逆序刻度值。因為筆跡軌跡是倒向的，逆序刻度值有利于還原成正向的筆跡，如圖5、圖6所示。

圖5 未選中逆序刻度值圖6 選中逆序刻度值

最后，圖三生成的圖片由于未做細化處理所以導致X、Y軸坐標最小值偏大，沈琳二維簽名還原圖不夠直觀。調整X軸坐標最小值為3000，調整Y軸坐標最小值為1500。數(shù)據(jù)標記選項內置類型為圓形，大小為2，如圖7所示。數(shù)據(jù)0代表了PendoTeach(磐度)電子觸控筆離開PendoTeach(磐度)智能書寫本A4的過程，當書寫人提筆或書寫意連筆畫時, 采集點壓力值就顯示為0。通過查找一組0的出現(xiàn)次數(shù), 則可計算書寫人在書寫該簽名時, 經(jīng)過了幾次提筆, 也就明確了整個簽名有多少“筆畫”。0代表書寫筆畫之間的間斷，不刪除0不利于書寫軌跡的觀察，如圖8所示。

圖7 X軸Y軸數(shù)據(jù)(刪除0數(shù)據(jù))圖8 X軸Y軸數(shù)據(jù)(未刪除0數(shù)據(jù))

(二)電子簽名筆跡數(shù)據(jù)圖譜的生成

1.速度圖譜顯示

書寫速度是指書寫人書寫筆畫的快慢, 利用WPS表格的圖表功能，插入速度折線圖，其中橫坐標代表的是時間，縱坐標代表的是速度值，從速度圖譜中我們可以清晰地看出速度隨時間的變化，利用圖表的數(shù)據(jù)跟隨功能，我們可以得出最大速度值、最小速度值以及所對應的具體點的位置，如圖9所示。

圖9 速度圖譜

2.加速度圖譜顯示

加速度就是指書寫速度變化的快慢, 利用WPS表格的圖表功能，插入加速度折線圖，其中橫坐標代表的是時間，縱坐標代表的是加速度值，從加速度圖譜中我們可以清晰地看出加速度隨時間的變化，也可以間接反映出速度變化的快慢，利用圖表的數(shù)據(jù)跟隨功能，我們可以得到最大加速度值、最小加速度值以及所對應的具體點的位置，如圖10所示。

圖10 加速度圖譜

3.壓力圖譜顯示

壓力是指書寫人在書寫時的執(zhí)筆力度。當壓感筆接觸到書寫本的一瞬間，書寫人對筆尖施加一定的壓力開始書寫，直到完成書寫而收筆。書寫人在起筆、行筆、收筆、連筆過程都在發(fā)生壓力的變化。利用WPS表格的圖表功能，插入壓力折線圖，其中橫坐標代表的是時間，縱坐標代表的是壓力值，從壓力圖譜中我們可以清晰地看出壓力隨時間的變化，利用圖表的數(shù)據(jù)跟隨功能，我們可以得出最大壓力值、最小壓力值以及所對應的具體點的位置，如圖11所示。

圖11 壓力圖譜

四、利用WPS對電子簽名筆跡特征的分析

1.簽名筆跡總時長特征

簽名總時長特征是指一個人在簽名時用的時間長度。通過PendoTeach(磐度)智能書寫本簽名的過程中, 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。采集頻率是可知的，在壓力列不取消0值點時，書寫總時長就等于時間最后一個數(shù)減第一個數(shù)。時間列采集點的序號越多說明采集簽名耗用的時長越久。我們對“沈琳”進行簽名總時長的計算，得出簽名總時長為3675ms，如圖12所示。出于示范目的，選擇了部分實驗人簽名總時長樣本供參考，如表1所示。

圖12 “沈琳”簽名總時長

表1 部分實驗人簽名總時長匯總表(單位：ms)

2.簽名筆跡抬筆次數(shù)特征

抬筆次數(shù)是書寫電子簽名從起筆到收筆整個過程中PendoTeach(磐度)電子觸控筆筆尖離開PendoTeach(磐度)智能書寫本的次數(shù)，我們可以用WPS中壓力一列的數(shù)值來計算抬筆次數(shù)。如果一個點處的壓力值不為0說明該點存在壓力，如果一個點處的壓力值為0該點不存在壓力。具體計算方法如下：假設壓力值在WPS表格中的G列，在一空白列插入函數(shù)“=IF(G2=0,0,1)”將壓力值不為0的各點重新賦值使其壓力為1，壓力值為0的各點不變保存于O列，數(shù)據(jù)經(jīng)過以上處理之后，數(shù)值為1的數(shù)據(jù)段代表完成一次書寫，數(shù)值為0的數(shù)據(jù)段代表電子觸控筆抬筆懸空。為了統(tǒng)計壓力值為0數(shù)據(jù)段的個數(shù)(抬筆次數(shù))，另起一空白列插入公式“=O3-O2”，將重新賦值后相連兩點的壓力值相減，將相減的結果-1、0、1三個數(shù)值保存于P列，其中數(shù)值1的個數(shù)即為抬筆次數(shù)。另起一空白列插入統(tǒng)計函數(shù)“=COUNTIF(Px1:Px2,1)”來統(tǒng)計P列中數(shù)值為1的個數(shù)并將數(shù)值保存于Q列，其中Px1代表起始單元格，Px2代表末尾單元格，Q列中的數(shù)值即為抬筆次數(shù)。使用以上方法對“沈琳”進行抬筆次數(shù)的計算，得出抬筆次數(shù)為11，如圖13所示。為了驗證以上方法的可行性，選取三十人進行抬筆次數(shù)的計算，準確率達100%，部分實驗人抬筆次數(shù)計算如表2所示。

圖13 “沈琳”抬筆次數(shù)

表2 部分實驗人抬筆次數(shù)匯總(單位：次)

3.簽名筆跡速度特征

4.簽名筆跡加速度特征

5.簽名筆跡壓力特征

與傳統(tǒng)筆跡不同，電子簽名筆跡是書寫人用電子觸控筆在電子數(shù)位板上書寫形成，電子數(shù)位板中帶有壓力傳感器，當筆尖與數(shù)位板表面接觸時會產生壓力，電子數(shù)位板后臺自動采集每個點的壓力值以此形成電子簽名筆跡的整體壓力特征。

6.簽名筆跡趨勢線特征

趨勢線方向與字行方向有所區(qū)別，字行方向是指整行字的走向，而趨勢線是指整行字重心的走向。書寫人在PendoTeach(磐度)智能書寫本A4書寫本上書寫時上面的襯墊物是一張沒有格線的白色A4紙，在WPS中我們引入趨勢線特征來表示簽名筆跡字行重心的走向。為了區(qū)別趨勢線特征與字行走向特征，對“甲申由”分別進行標注，趨勢線特征如圖14所示，字行走向特征如圖15所示。

圖14 趨勢線特征圖15 字行走向特征

五、結語

本文通過實驗對電子簽名筆跡的數(shù)據(jù)信息與特征有了全面的認識，不僅介紹了電子簽名筆跡的數(shù)據(jù)組成，還利用WPS表格進行了電子數(shù)據(jù)與圖譜的轉換，最后對電子簽名筆跡的特有特征進行了分析與計算。

通過分析實驗結果，對電子簽名筆跡的數(shù)據(jù)處理與特征分析得出以下結論：