不同电容屏上的电子签名笔迹特征规律*

邹亦 王相臣 栾仪

（中国刑事警察学院，辽宁 沈阳110035）

引言

近年来，电子签名的使用日益普及，从检验鉴定的角度研究电子签名的笔迹特征规律颇有必要。

电子签名须使用电子签名板，电子签名板按照原理不同可分为三种：电阻屏、电磁屏及电容屏。电阻屏因为灵敏度不高早已被淘汰，电容屏和电磁屏使用相对比较广泛。电容屏常用在很多工作和交易中，例如：工作确认完成、合同签批等等，近几年广泛使用的POS机也由原来的电阻屏更换为电容屏。本文主要研究的是电容屏上的电子签名的笔迹特征规律。

1 电容屏与电容笔的原理

1.1 电容屏的原理

电容屏也叫电容式触摸屏，其原理是对人体的电流进行热感应，从而进行成像的一类电子屏。当手指触摸屏幕时，由于人体的电场，手指和导体之间形成了一个耦合电容，触摸屏四角上的电极与手指触点的电流互成比例，利用控制器对四个电流的比例进行精确计算，即可得出触摸点的位置。

电容屏与电磁屏不同，只有笔迹形态的呈现，并不会产生任何参数。

1.2 电容笔的原理

电容触控笔是利用导体材料（模仿人体）制作的具有导电特性，用来触控电容式屏幕完成人机对话的辅助装置，分为主动式电容笔和被动式电容笔。

主动式电容笔内部有传感器，可以吸收和转变电流，通过与屏幕接触改变电流来运作，笔尖不需要很粗就可以引起反应，精度较高，例如：Apple pencil、M-Pen。

被动式电容笔主要是利用导体材料模仿人体（通常是手指）的接触效应，只要笔尖足够影响电容变化即可，所以笔尖较大、精度差。

本实验使用的主要是主动式电容笔。

2 实验设计

2.1 实验器材

2.1.1 书写载体

普通书写纸、iPad Air、iPad2018版、华为M5青春版。

2.1.2 书写工具

水性笔、手指、iPad2018版原装笔Apple pencil、华为M5青春版原装笔M-Pen。

2.1.3 书写工具规格参数

水性笔：晨光黑色水性笔0.5mm。

华为M-Pen：笔尖至笔帽尾部的长度为134.4mm、直径为8.5mm、重量约14g、压力感应级为4096级。

Apple pencil：笔尖至笔帽尾部的长度为175.7mm、直径为8.9mm、重量约20.7g、压力感应级未知。

2.2 实验设计与样本收集

选定20名在校生为实验书写人，书写工具分别为水性笔、手指、Apple pencil、M-Pen，分别在普通书写纸（纸质）、iPad Air、iPad2018版、华为M5青春版上书写自己的签名。其中手指在iPad Air上书写简称H，用Apple pencil在iPad2018版上书写简称为A，用M-Pen在华为M5青春版上书写简称为M。

实验主要收集每个实验书写人在坐姿状态下的3种书写速度（正常速度、快速、慢速），基于不同的载体每种条件书写3次，得到样本720份。

3 结果与分析

3.1 在不同电容屏上书写的电子签名笔迹特征比较

比较不同电容屏之间的电子签名笔迹特征规律，为保证条件的唯一性，此处选取正常速度书写的情况作为比较样本。

3.1.1 相同点

在三种电容屏上所签字迹的基本形态、字间距基本一样，单个字的笔顺基本保持不变。

3.1.2 不同点

iPad 2018版：Apple Pencil电容笔感应最为灵敏，书写速度快，比iPad Air的连笔特征增多，字迹的笔锋等细小特征都可以在签名中显现出来。签名字迹压力基本不变，笔画粗细变化较少，多体现在起收笔以及笔画连接处。

iPad Air：用手指书写，因其感应不灵敏，在书写时要增大书写压力，导致字迹字形整体放大，同时还会丢失一些细小笔迹特征（例如：起收笔特征）。

华为M5青春版：M-Pen感应能力不如Apple Pencil，书写水平明显降低，运笔紊乱，连笔增多。少数人签名的字行方向还会有不同程度的向上或向下倾斜。签名字迹的压力变化和笔画粗细表现更为明显。如表1所示。

表1 不同电容屏电子签名笔迹特征比对列表

3.2 在电容屏和纸张上书写的签名笔迹特征比较

表2 不同电容屏电子签名笔迹与纸张上签名笔迹特征比对表

3.2.1 相同点

虽然载体和书写工具改变，但是笔顺特征基本上没有改变。字的宽窄、大小比例基本一致。

3.2.2 不同点

iPad2018版：在iPad2018版上正常速度的书写签名与在纸张上快速的书写签名字迹的运笔形态最为相似（除了本人签名有快速的特殊写法）；字行方向与纸张上签名基本保持一致，基本无变化；起收笔特征会比纸张上签名明显。

iPad Air：压力增大导致丢失了较多起收笔特征；笔画变短；搭配比例特征也会有所改变，例如笔画的长短比例、相邻笔画之间的距离；有些笔画会变短或被简化，例如“宇”字中“丶”变短或被简化为“.”。

华为M5青春版：使用M-Pen在华为M5青春版电容屏上书写的签名字迹会比纸张上签名略显潦草，书写水平有所降低。运笔形态是在三种电容屏上表现最完整的，例如起收笔特征等都能显现出来。笔画的长短变化影响着字的宽窄，在华为M5青春版上签名的某些字中会出现笔画变短的情况，使得签名中的字也会随之变窄。如表2所示。

3.3 不同书写速度对不同电容屏电子签名笔迹特征的影响

书写速度不同，书写者呈现出的签名形式也有所不同。不过不论是在纸张上还是在电容屏上签名，有特殊书写习惯的人，在快速书写中都会使用特殊写法。如图1所示。例如艺术字等。对于没有特殊书写习惯的人，在快速书写中只是在正常速度的基础上加快速度书写签名。所以对于有特殊习惯书写的人，只能与纸张上的签名对比，发现其特征规律。此处仅讨论在不同电容屏上减慢和加速书写签名之间的对比。

图1 实验书写人在iPad 2018版上快速书写

3.3.1 慢速书写

iPad 2018版：连笔笔画多能较好地反映出来，运笔特征的表现会比华为M5青春版稍好一些，“朱”字的连笔笔画可以如实反映，“仓”字收笔向上提的笔锋明显。

iPad Air：由于书写人的笔画有时难以控制，导致字形偏大，部分起收笔形态消失，连笔减少，有些笔画之间距离变大，如“仓”字的“人”字头。

华为M5青春版：与iPad 2018版近似，连笔笔画都能较好地反映出来，但有些笔画的细节特征不能很好地表现出来，如“仓”字的第一笔小回勾消失，末笔收笔的提笔笔锋尖锐感消失。如表3所示。

表3 不同电容屏电子签名慢速书写笔迹特征比对列表

3.3.2 快速书写

iPad2018版：快速书写的笔迹普遍比较凌乱，连笔特征明显，有些笔画会被省略、或变形；起收笔特征明显。

iPad Air：因手指书写不够流畅，所以在快速签名中会丢失了一些连笔特征，整体会比其他两种电子签名板显得更为规整。如在“周”字的中的“吉”，基本可以看出完整的笔迹形态，没有完全连笔。

华为M5青春版：字形、字间距等与iPad2018版基本一致，但有时更稍凌乱一些，且不存在在iPad Air上一笔一划书写的形态，运笔流畅，起、收笔特征反映不充分。

表4 不同电容屏电子签名快速书写笔迹特征比对列表

4 结论

4.1 相比于普通纸张，在电容屏上书写时，载体和书写工具都不是日常书写所经常使用的，会对书写的字迹产生一定干扰。所以在普通纸上的签名比电容屏上的签名书写水平更高、字迹相对工整。而在电容屏上书写电子签名时总是会丢失一些特征，尤其是用手指在iPad Air上的签名。

4.2 检验鉴定时，应了解确认检材笔迹的形成方式。不同的电容屏及不同的书写工具，其灵敏度和其他参数均不相同，从而影响了签名字迹的形态及特征。本文讨论的三种电容屏中，iPad 2018版最为灵敏，华为M5青春版次之；使用Apple Pencil在iPad 2018版上的签名与在普通纸张上的签名特征最为相似，而用手指在iPad Air上的签名则会丢失较多细节特征。