书写速度对电磁式触屏电子签名笔迹特征的影响.pdf

中国人民公安大学学报(自然科学版)2023 年第 3 期 No.3 2023Journal of People蒺s Public Security University of China(Science and Technology)总第 117 期 Sum117书写速度对电磁式触屏电子签名笔迹特征的影响李浩宇1,摇 韩丹岩1,摇 王静雯2,摇 吴文权1(1.中国刑事警察学院刑事科学技术学院,辽宁沈阳摇 110035;2.苏州市公安局,江苏苏州摇 215000)摘摇 要摇 为了研究不同书写速度下电磁式电子签名笔迹特征的变化规律,选取 40 名实验人员采用坐姿形式在水平桌面上分别用慢速、常速、快速书写电子签名,并对收集到的签名采用数据统计、速度压力颜色映射图、压力曲线方法进行分析。通过形态学检验可知,改变速度前提下签名的静态特征主要在书写水平、字间距、转折部位形态、连笔数量、字体方面发生变化。签名的动态特征在书写速度由慢到快改变时,签名的平均压力减小、抬笔次数减少。因此,在鉴定电子签名时应考虑书写速度对电子签名特征的影响,尽量收集速度相同相近的签名样本。当检材和样本上签名笔迹的书写速度存在差别时,要运用书写速度对电子签名笔迹特征影响的规律去分析研究特征,并综合运用静态、动态特征,以提升鉴定的准确性。关键词摇 电子签名笔迹;书写速度;静态特征;动态特征;统计分析中图分类号摇 D918郾 92文献标志码摇 A收稿日期摇2023鄄03鄄01基金项目摇中国刑事警察学院研究生创新能力提升项目(2022YCYB38)。第一作者简介摇李浩宇(1999),男,河北石家庄人,在读硕士研究生。研究方向为文件检验。通信作者摇韩丹岩(1965),女,教授,硕士生导师。E鄄mail:Effect of Writing Speed on the Handwriting Characteristics ofElectromagnetic Touch Screens for Electronic SignaturesLI Haoyu1,摇 HAN Danyan1,摇 WANG Jingwen2,摇 WU Wenquan1(1.School of Criminal Science and Technology,Criminal Investigation Police University of China,Shenyang 110035,China;2.Suzhou Public Security Bureau,Suzhou 215000,China)Abstract:To investigate the changing rules of electromagnetic signature handwriting characteristics at dif鄄ferent writing speeds,40 experimenters were selected to write electronic signatures on a horizontal table ina seated form using slow,constant,and fast speed,respectively.The signatures were collected and ana鄄lyzed using data statistics,speed鄄pressure color mapping,and pressure curve methods.According to mor鄄phological test,the static features of signature under the condition of changing speed mainly changed inwriting level,word spacing,turning part morphology,number of consecutive strokes,and font.As forthe dynamic features of the signature,the average pressure of the signature and the number of pen liftsdecreased when the writing speed changed from slow to fast.Therefore,the impact of writing speed onthe characteristics of electronic signatures should be considered when identifying electronic signatures,and signature samples with the same or similar speed should be collected as much as possible.Whenthere were differences in the writing speed of the examination material and samples,the law for the im鄄pact of writing speed on the characteristics of electronic signature handwriting should be used to analyzeand study the characteristics,and the static and dynamic characteristics should be comprehensively used01李浩宇等:詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬书写速度对电磁式触屏电子签名笔迹特征的影响to improve the accuracy of identification.Key words:electronic signature handwriting;writing speed;static characteristics;dynamic characteris鄄tics;statistical analysis0摇 引言近年来,随着科技进步,电子签名笔迹作为个人身份识别的重要信息,在多行业多领域落地开花,已基本覆盖金融、电子政务、医疗、房地产等行业,应用于人们日常生活的方方面面。涉及电子签名的案件越来越多,检验电子签名笔迹的任务在文件检验领域愈发重要。欧阳国亮研究了不同触屏手写系统之间形成的文字能否进行对比检验;检材和样本一方是纸笔手写,而另一方是触屏手写的情况下能否进行鉴定;触屏手写电子签名在法律层面如何规避风险等问题,同时强调文检界应当重视电子签名,并探索其检验方法1。为了探索条件变化对电子签名的影响并验证二者之间是否具有相关性,国内外进行了大量的研究,例如,涂舜研究了不同视觉状态下的书写设备对电子签名的影响,探索同一人在不同视觉状态的书写设备上签名的易变和不易变特征,从而为电子签名笔迹检验提供实践依据2。在此基础上涂舜对电子签名与普通签名特征进行了分析,明确同一人书写的电子签名笔迹与传统签名笔迹在书写水平、字体字形、笔画形态、笔顺等笔迹特征上的稳定性和变化性3,解决了电子签名检验样本不足以及易受书写设备影响等问题;刘新磊等人研究了站姿对电磁式电子签名特征的影响,提出电子签名鉴定过程中应考虑站姿、坐姿的不同,以及书写水平、速度、身高因素的影响4;Dziedzic 从静态、动态特征中分析躺姿对签名笔迹的影响5;陈维娜等人验证了电子签名量化的可行性,得出电子签名笔迹的量化检验方法具有可行性的结论,为检案实践提供指导和帮助6;Li 等人通过构建数学模型,对电子签名的笔压进行量化分析7;Marzinotto 和 Rosales 等人采用量化方法验证随年龄变化导致的笔迹特征改变,并通过可视化方法将笔迹书写速度表现出来8。目前法庭科学领域内对于电磁式触屏电子签名最常见的变量 书写速度没有针对性研究。为此,本文开展了一系列书写实验,首先收集了 3 种不同书写速度下(慢速、常速、快速)的电子签名笔迹样本(以下简称签名),然后对签名的静、动态特征变化规律进行量化分析,探究不同书写速度下同一人书写电子签名的特征及变化规律,以便在案件鉴定中,客观地分析评断差异点的性质,进而得出科学的鉴定意见。1摇 实验内容1郾 1摇 实验方法选取中国刑事警察学院 20 28 岁的 40 名学生使用 Wacom 压感笔在 Wacom 数位板上分别以常速、慢速、快速三种速度书写自己的签名各 4 次。为了保证实验的准确性并排除书写熟练度对实验的影响,采集实验样本时,实验人员统一采取坐姿多次书写,直至签名稳定后收集,共收集 480 份签名样本。用 Movalyzer 分析软件导出签名样本对应的 x、y 点对应的坐标及相应压力与速度,采取 Origin 软件绘制签名图像并生成压力、速度曲线,利用 SPSS Statis鄄tics 26 对特征变化进行数据分析。1郾 2摇 笔迹特征的选取笔迹静态特征包括:概貌特征、局部安排特征、写法特征、错别字特征、搭配比例特征、笔顺特征、运笔特征、笔痕特征、书面言语特征9。由于电磁式签名不具备纸笔签名中书写笔的微观结构,电磁笔尖无圆珠且无油墨导出,且在书写过程中不会因为书写压力而对纸张造成形变,传统笔迹特征中的墨点、白点、白线、划痕、压痕等笔痕特征完全消失,因此本文不考虑笔迹的笔痕特征。根据书写速度变化可能引起的特征变化,将以下 8 种笔迹静态特征变化作为统计标准:书写水平变化、字体变化、字间距变化、笔顺变化、笔画省略、抖动弯曲、连笔数量变化、转折形态变化。电子签名笔迹的动态特征主要有:书写总时长、运笔时长、空中时长、书写速度、书写压力、抬笔次数等特征。由于本文主要研究不同书写速度下的签名特征变化,书写人主观上增加书写速度会造成笔划之间更为连贯,连笔增多,相应的书写时长也会缩短,因此书写总时长这一动态特征在本文没有体现。本文主要从不同书写速度下压力和速度颜色映射图、书写平均压力数值、签名的抬笔次数 3 个方面对11李浩宇等:詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬书写速度对电磁式触屏电子签名笔迹特征的影响签名的动态特征进行分析。2摇 实验分析2郾 1摇 不同书写速度下静态签名笔迹特征分析本文以常速书写的签名笔迹作为对照组,以慢速、快速书写的签名笔迹作为实验组,在研究电子签名静态特征时,删除了“0冶值,便于分析。2郾 1郾 1摇 签名笔迹静态特征比对分析(1)书写水平特征书写水平特征是人书写技能的集中体现,由于人受到社会因素以及教育水平影响,不同人的书写水平不同。下文主要讨论慢速、快速下的签名与常速签名的书写水平的变化。以图 1“孟飞宇冶“杨尚鹏冶签名为例,“孟飞宇冶正常书写签名时运笔较慢,字体为正楷。因此,故意放慢书写速度条件下,对书写水平影响较小,单字较为方正;快速书写下“孟冶字箭头所示部位上下结构发生变异;“飞冶字体变小,导致快速书写时整体签名书写水平降低,慢速书写签名与常速相比书写水平基本不变。“杨尚鹏冶签名在常速下相对运笔较快,“杨冶与“尚冶 出现笔画交叠现象,在图 1f 所示位置,“尚冶字箭头所示部位搭配异常;“鹏冶 字写法简化,整体观察快写下书写水平降低。慢写签名整体向上倾斜,字体较为方正,考虑为慢写签名书写水平基本不变。图 1摇“孟飞宇冶“杨尚鹏冶在慢速、常速、快速下签名摇摇 摇(2)字体特征高水平书写者具备楷、行、草等字体的书写能力,书写速度由慢到快,签名字迹可能出现简、繁变化。现如今我们从小接受简体字教育,简、繁变化较少出现,但为了书写时流利迅速,书写人常常在快写时选择草书。例如,图 2 签名“赵雪冬冶在慢速到快速时,“冬冶字写法逐渐由楷体转向草书写法。图 2摇“赵雪冬冶在慢速、常速、快速下签名摇摇 摇(3)布局特征整体布局关系特征,是指书写文字在纸面上的空间分布规律,属于宏观层次的特征。人的书写习惯具有能动性,在强制慢速书写时,根据视觉的监督调节作用,可随时调节。相对于常速签名,慢速书写的整体倾斜角度较小,慢速书写过程中缺少连贯性;从部分与部分关系来看,慢速书写时,字与字之间的间距增大。如图 3 签名“王天一冶所示,慢速书写下整体签名趋于水平;“天冶与“一冶字间距,慢写到快写过程中逐渐变小。21李浩宇等:詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬书写速度对电磁式触屏电子签名笔迹特征的影响图 3摇“王天一冶在慢速、常速、快速下签名摇摇 摇(4)连笔形态特征笔画的连笔与转折特征是书写笔迹的微观层次特征,慢写时连笔特征减少甚至消失,但是违背习惯的行为难以持久,因此在多次书写时,仍会出现少量的连笔特征,笔画之间出现关联,又相对独立。由于慢写签名由书写者一笔一画书写,连笔部位实连增多,意连减少或消失,强制慢速书写下,连笔过程较为生硬,棱角较为突出。快速书写时,笔画形态发生变异,为了加快速度,书写过程中会增加连笔,连笔数量增多,且转折部位相较于常速书写棱角更为圆润,连笔动作较为婉转。如图 4,签名“吴栋冶在慢速、常速、快速书写时,“栋冶字体逐渐圆润,且连笔数量增加。图 4摇“吴栋冶在慢速、常速、快速下签名摇图 5摇“肖强冶“徐浩森冶在慢速、常速、快速下签名摇 摇(5)起收笔特征不同人有自己的书写习惯,相对于快速书写,慢写起收笔多为直起笔、直收笔,电子签名由于是电磁笔在数位板上依靠电流感应进行书写,慢速书写收笔时,电磁笔瞬间离开电磁板,电流中断,因此强制慢写时,不会形成或者形成不明显的拖拽痕迹。控制人书写速度进行强制快速书写时,签名各单字部分间距减小,收笔过程形成较为明显的拖拽痕迹,收笔动作多为回转收笔。例如图 5,签名“肖强冶在慢写到快写过程中,“肖冶字在图 5c 箭头所示位置出现笔画省略;“强冶字收笔动作逐渐拉长;签名“徐浩森冶中“森冶字在慢、常速书写时,收笔为直收,快写时形成回转收笔。31李浩宇等:詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬书写速度对电磁式触屏电子签名笔迹特征的影响2郾 1郾 2摇 电子签名静态特征统计分析将收集到的 480 份样本中常速书写样本作为对照组进行统计,根据上文所列的 8 种笔迹静态特征变化(书写水平变化、字体变化、字间距变化、笔顺变化、笔画省略、抖动弯曲、连笔数量变化、转折形态变化)进行归纳,统计结果见表 1。配对样本 t 检验是统计学中参数检验的一种有效途径,可以用来检验两组具有相关性的样本数据是否源自同均值的正态分布总体,即推断两个相关的样本总体其均值有无显著差异。所谓配对样本,可以是物质某属性的“前冶“后冶两种状态,也可以是对某事物两个不同侧面或方面的描述,总之这两种属性或方面必然存在内在的联系10。因此,据表 1 统计书写速度变化下,笔迹特征改变主要发生在书写水平变化、字间距、连笔数量、转折部位形态。通过假设,在 SPSS 软件中我们可以生成一个慢速(before)、快速(after)的书写笔迹数值特征的变量,书写水平降低(配对 1)、字间距减小(配对 2)、转折部位圆滑(配对 3)、连笔数量增多(配对 4)作为四组特征,通过配对样本 t 检验进行验证是否与变量相关。为方便统计这四个特征变化,对上述变化进行赋值为 1,书写水平、字间距、连笔数量、转折部位形态等其他特征变化赋值为 0。摇 摇 表 2 给出了本实验成对样本的配对 t 检验结果,从该表中可以得到提升速度前后所得的平均值、摇 摇表 1摇 坐姿慢速、快速较常速笔迹特征变化序号特征变化慢速书写特征变化快速书写特征变化慢速特征变化率快速特征变化率降低141180郾 087 50郾 737 51书写水平 基本不变134240郾 837 50郾 15提高12180郾 0750郾 112 52字体变化28720郾 1750郾 45增大128140郾 80郾 087 53字间距基本不变6100郾 037 50郾 062 5减小261340郾 162 50郾 837 54笔顺特征32540郾 20郾 337 55笔画省略61240郾 037 50郾 7756抖动弯曲3180郾 193 80郾 057连笔数量增多81420郾 050郾 887 5减少11260郾 70郾 037 58转折部位圆滑81340郾 050郾 837 5形态尖锐98140郾 612 50郾 087 5标准偏差、标准误差平均值、95%的置信区间以及 t检验的值、自由度和 sig 值。配对样本的 t 检验的平均值分别为-0郾 650、-0郾 675、-0郾 837、-0郾 787,且sig=0 常速 快速,对压力进行数值分析,见表 3。从表 3 可得出平均压力均值大小符合慢速(544郾 005 3)常速(459郾 814 2)快速(420郾 936 5),书写速度由慢到图 7摇“王天一冶慢速、常速、快速压力折线摇快,平均压力逐渐减小。表 3摇“王天一冶慢速、常速、快速压力数值速度最小值(去零值)最大值均值慢速书写19790544郾 005 3常速书写49650459郾 814 2快速书写21622420郾 936 551李浩宇等:詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬书写速度对电磁式触屏电子签名笔迹特征的影响摇 摇(3)抬笔次数通过 Origin 绘制签名压力折线图,根据压力为“0冶出现的片段数得出抬笔次数。慢速书写下因为人为强制慢写导致单字与单字之间笔画连贯性降低,连笔动作减少,抬笔次数增加。快速书写下,签名连笔增多,笔画之间连贯性增强,为保证提升速度,电磁笔在空中书写时,电磁笔离数控板距离较近仍能产生电流,导致 z 轴为 0 的值减少。如图 8 所示,以“刘聪冶慢速、常速、快速书写为例,3 次书写抬笔次数分别为 16 次、13 次、2 次,符合书写速度由慢到快,抬笔次数逐渐减少的规律。图 8摇“刘聪冶慢速、常速、快速压力折线摇2郾 2郾 2摇 电子签名动态特征统计分析为了验证上述不同书写速度下是否对签名的平均压力、抬笔次数产生了显著的影响,各书写速度下的平均值差异是否具有统计意义,通过 SPSS对前期收集到的 160 组慢速、常速、快速签名进行单因素分析从而验证实验结论的准确性。由于数据之间的方差是否齐次所对应的分析方法不同,分析方法较多,包括 Bonferroni 法、S-N-K 法、Tam鄄hane爷s T2 法等。为了保证分析结果的准确性,本次实验只考虑一种模型进行分析,实验中对于齐次方差采用 Bonferroni 法;对于非齐次方差采用 Tam鄄hane爷s T2 法分析。摇 摇(1)签名平均压力统计分析表 4 是平均压力值方差齐性检验的结果,从该表中得出方差齐性检验的 P(显著性)值均大于显著性水平 0郾 05,因此认定样本数据之间的方差是非齐次的,采用 Tamhane爷s T2 分析。摇 摇 表 5 是单因素方差分析的结果。从表中可以看出,组间平方和为 845 516郾 898,其中组间平方和的F 值为 33郾 331,相应的显著性为 0,小于显著性水平0郾 05,因此认为不同书写速度的签名对签名的平均压力有显著影响。表 4摇 平均压力的方差齐性检验莱文统计自由度 1自由度 2显著性基于平均值0郾 42424770郾 655平均压力基于中位数0郾 28524770郾 752基于中位数并具有调整后自由度0郾 2852471郾 1160郾 752表 5摇 平均压力的 ANOVA平方和自由度均方F显著性(组合)845 516郾 8982422 758郾 44933郾 3310组间线性项对比835 464郾 2341835 464郾 23465郾 870偏差10 052郾 664110 052郾 6640郾 7930郾 374组内6 050 032郾 44947712 683郾 506总计6 895 549郾 348479摇 摇 表 6 是签名平均压力多重比较的结果。*表示该组均差值是显著的,且显著性均小于 0郾 05,这表明 3 种速度下的平均压力均值差是非常明显的。摇 摇(2)签名抬笔次数统计分析表 7 给出了平均压力值方差齐性检验的结果,从该表中得出方差齐性检验的 P 值均小于显著性水平 0郾 05,证明样本数据之间的方差是齐次的,采用 Bonferroni 分析。摇 摇 表 8 是单因素方差分析的结果。从表中可以看出,组间平方和为 11 802郾 117,其中组间平方和的 F值为 114郾 284,相应的显著性为 0,小于显著性水平61李浩宇等:詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬书写速度对电磁式触屏电子签名笔迹特征的影响摇 摇表 6摇 平均压力的多重比较分析方法(I)速度种类(J)速度种类平均值差值(I-J)标准 错误显著性95%置信区间下限上限慢速常速60郾 804 160 5*12郾 310 180 3031郾 255 04290郾 353 28快速102郾 192 479 8*12郾 723 192 7071郾 651 272132郾 733 687Tamhane爷s T2常速慢速-60郾 804 160 5*12郾 310 180 30-90郾 353 28-31郾 255 042快速41郾 388 319 3*12郾 736 220 50郾 00410郾 815 88571郾 960 754快速慢速-102郾 192 479 8*12郾 723 192 70-132郾 733 687-71郾 651 272常速-41郾 388 319 3*12郾 736 220 50郾 004-71郾 960 754-10郾 815 885表 7摇 抬笔次数的方差齐性检验莱文统计自由度 1自由度 2显著性基于平均值29郾 10324770抬笔次数基于中位数17郾 72324770基于中位数并具有调整后自由度17郾 7232397郾 4190表 8摇 抬笔次数的 ANOVA平方和自由度均方F显著性组间(组合)11 802郾 11725 901郾 058114郾 2840线性项对比11 737郾 013111 737郾 013227郾 3070偏差65郾 104165郾 1041郾 2610郾 262组内24 629郾 87547751郾 635总计36 431郾 9924790郾 05,可以认为不同书写速度对签名的抬笔次数有显著影响。摇 摇 从表 9 抬笔次数的多重比较结果看出,显著性均为 0 0郾 05,慢速、常速、快速下的抬笔次数均值差非常明显。因此得出结论,抬笔次数与书写速度具有相关性。表 9摇 抬笔次数的多重比较分析方法(I)速度种类(J)速度种类平均值差值(I-J)标准 错误显著性95%置信区间下限上限慢速常速5郾 275*0郾 80303郾 347郾 21快速12郾 113*0郾 803010郾 1814郾 04Bonferroni常速慢速-5郾 275*0郾 8030-7郾 21-3郾 34快速6郾 837*0郾 80304郾 918郾 77快速慢速-12郾 112*0郾 8030-14郾 04-10郾 18常速6郾 837*0郾 8030-8郾 77-4郾 913摇 结论通过上述研究,书写速度对电磁式触控签名特征变化的影响结论如下:(1)改变书写速度下静态特征主要表现在书写水平变化、字间距变化、连笔数量、转折形态发生变化,小笔画易省略。对于高水平书写者,笔顺特征易发生变化,字体易由行楷向草体转变。(2)动态特征变化主要表现在平均压力和抬笔次数,书写速度由慢到快,平均压力减小、抬笔次数减少。(3)多笔画签名相较于少笔画签名,在改变速度书写时,动态特征和静态特征的变化均更加明显。(4)书写速度由慢到快,转折部位由尖锐逐渐71李浩宇等:詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬书写速度对电磁式触屏电子签名笔迹特征的影响圆滑,书写速度提升部位主要集中于转折前后的笔画,压力也在此处发生改变,书写速度越快,对应压力减小。此外,书写速度还受外界环境,人物心理生理等因素影响,在连续多次以慢速书写签名会导致书写速度趋于常速,对实验结果产生影响。本实验研究对象均为在校大学生,年龄段单一不能代表整个群体特征,实验结果仍存在不足之处,还需进行更加深入探索不同年龄段人群采用不同书写速度时的书写变化特征,得出更有价值的结论。参考文献1摇 欧阳国亮.文检视域下对触屏手写电子签名若干问题的思考J.中国人民公安大学学报(自然科学版),2017,23(4):31-35.2摇 涂舜.不同视觉状态的书写设备对电子签名笔迹的影响研究J.中国人民公安大学学报(自然科学版),2019,25(4):8-14.3摇 涂舜.电子签名笔迹与普通签名笔迹的笔迹特征比较分析J.中国刑警学院学报,2019(4):89-95.4摇 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