电阻触摸屏的屏体部分是一块多层复合薄膜, 由一层玻璃或有机玻璃作为基层, 表面涂有一层氧化金属（ITO氧化铟）导电层^[4]; 导电层上盖有一层玻璃或是外表面硬化处理的光滑的塑料层, 它的表面也涂有一层ITO导电层^[5]; 在两层导电层之间有许多细小（小于千分之一英寸）的透明隔离点把它们隔
开^[6]; 书写时, 通过手指、指甲或触笔施加压力, 使两层ITO发生接触, 电阻发生变化, 控制器根据检测到的电阻变化来计算接触点坐标, 再依照这个坐标来进行相应的操作^[7]。

电容触摸屏的屏体是由一块四层复合玻璃构成的, 当手指触摸在触摸屏上时, 由于人体电场、用户和触摸屏表面形成一个耦合电容, 对于高频电流来说, 电容是直接导体, 于是手指从接触点吸走一个很小的电流^[8]。这个电流分别从触摸屏四角上的电极中流出, 并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比, 控制器通过对这四个电流比例的精确计算, 得出触摸点的位置信息, 得到接触点的坐标。

基本原理是通过一支电磁触控笔发射电磁信号, 和显示屏幕背后的电磁感应板进行交互, 当触控笔靠近触控屏时, 触控屏后面的电磁感应板会感应到笔的电磁信号从而使电磁感应板下的感应线产生变化, 根据水平方向和垂直方向的天线阵列接收信号, 通过磁通量的变化计算获得笔所在的坐标位置。

目前, 数字化手写技术被广泛地应用于手机、平板电脑、阅读器、签字板、手绘板等设备之中。电子签名笔迹就是通过数字化手写技术形成的, 书写人利用指尖或触控笔在触摸屏上书写签名字迹, 系统检测坐标位置、触摸压力等相关信息, 通过A/D转换将书写运动轨迹记录为一连串数据信息。这种签名可通过采集系统的屏幕进行显示, 可保存于签名所含、所附的电子文档之中, 可远程传输、可调档查看, 适用于政企、医疗、教育和金融等行业, 极大地推动了无纸化办公。

电子签名笔迹的书写工具和书写载体均有别于传统签名笔迹, 但其也是签名人通过书写自己的姓名、姓氏、名字或代表其姓名的文字符号来表征身份、表示认可的一种行为。签字过程中形成的运动轨迹蕴含了表征个人书写习惯和书写技能的各种征象, 因此电子签名笔迹也应具有传统签名笔迹的各种特征, 并体现出相对稳定性和总体特殊性。

电子签名笔迹的外化形式是个人签名字迹的形貌, 如图1所示是签名人在不同的设备上书写的本人签名。其中, 图1a是用电磁笔在电磁屏上书写, 速度适中、运笔流畅; 从笔迹检验学的原理出发, 可从中发现并选取签名笔迹检验中常用的笔迹特征, 如书写方向及倾斜角度、字间组合、单字的写法、搭配比例、笔顺、运笔以及通过笔画的粗细浓淡反映出的笔力分布等。这种电子签名笔迹相较于传统签名其笔迹特征未发生变化, 因此也称为“ 原笔迹手写” 。但不可否认, 电子签名笔迹的特征反映有时会受到限制, 甚至发生变化, 如图1b、图1c所示。图1b是用手指在电容屏上书写, 由于皮肤和玻璃屏幕之间存在较大的阻力, 导致书写速度下降、字迹笔画书写不流畅, 起收笔细节动作消失, 偶有运笔中断和转折不畅等现象, 且看不出书写力度的变化, 使得笔迹特征的反映存在局限性; 与图1a相比较, 部分笔迹特征也发生了变化。图1c是用特制触笔在电阻屏上书写, 由于接触不良加之采点分辨率低, 使得笔画之间缺少应有的衔接和照应, 个人笔迹特征不能得到较好的反映。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 电子签名笔迹（a:电磁屏书写; b:电容屏书写; c.电阻屏书写）Fig.1 Images of HES (a: written on electromagnetic screen; b: written on capacitive screen; c: written on rheostatic screen)

由此可见, 对于电子签名笔迹, 当其笔迹特征的反映稳定而充分时, 可以通过调取电子文档中所含、所附的签名形貌进行传统的形态学比较检验; 但受到采集系统工作原理和质量等因素的影响, 有时电子签名笔迹的形貌特征反映并不稳定, 这时应用传统的方法进行检验和鉴定会受到一定程度的局限。因此需要挖掘电子签名笔迹的数据特质, 探讨量化检验的可行性。

使用数字手写技术签名时, 系统以固定的采样频率记录触控笔尖或指尖的x、y坐标, 还可记录时间、压力, 笔的倾斜角度和旋转程度等相关信息; 一些采集系统甚至可以捕获触控笔或指尖在触摸屏表面以上的动作（“ 空中笔触” ）。采集的数据信息其类型和质量不仅取决于传感器和捕获设备的控制器, 而且还受到图形软件处理数据过程的影响^{[9, 10]}。电子签名笔迹可以同时保存签名图像和底层数据信息, 通过解析数据拟合出的特定“ 轨迹” 可以看作是一种复原的电子签名图像。如果数据真实、完整, 未经过编辑和篡改, 那么复原后的图像应与签名板采集时屏幕显现和保存的电子签名图像基本吻合, 如图2a所示。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 采集和复原的电子签名笔记（a:采集的电子签名笔迹图像; b:复原的电子签名笔迹散点图; c:复原的签名轨迹线状图）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)

由于离散数据采样的缘故, 电子签名笔迹无法像传统签名笔迹一样拥有连续的线条质量。然而, 电子签名笔迹具有一个主要优势, 即能实时捕获并记录关于签名轨迹的动态特征。只要获取电子签名笔迹时传感器的分辨率和系统的采样率足够大, 那么就可以通过采集到的x、y坐标信息和压力信息等来复原这个电子签名笔迹, 并且还能够解读出比传统签名更丰富的笔迹特征。例如, 从图2b中可反映出签字过程中书写速度的变化, 散点堆积处书写速度较慢, 而散点离散处书写速度较快; 从图2c中可分析笔顺和运笔方向特征, 这有助于帮助检验人员发现签名字迹书写时, 笔画之间的“ 形断意连” 和“ 运笔趋势” 。通过数据的解读, 能够对电子签名笔迹进行更加深入的分析和检验。

通过数字手写技术签名的过程中, 采集系统一般等时间间隔采点, 并将这些点位以序号的形式记录下来。因此, 可在签名时长与采点个数之间建立起一个对应关系, 即书写完成某一笔画、某一签名的时长与系统的采点个数成正比; 采点个数越多, 签名所需时间越长。图2a中的电子签名笔迹包含946个点位的数据对, 由系统每秒采集300个点位的数据对可知书写该电子签名耗时约3.15 s。该签名实际书写笔画数为8, 每一连续笔画分别包含104、40、119、31、159、23、23、393个数据对, 耗时分别约0.35、0.13、0.4、0.1、0.53、0.08、0.08和1.31 s。

通过提取、分析签名过程中系统采集的压感信息可以绘制出签名过程中的书写力度变化的曲线（图3a）, 图中的横轴为采集点位, 纵轴时表示该点位的压感级。从图中可以反映出每一个采点部位的书写力度, 进而分析书写每一个特定笔画时运笔力度的变化规律, 对签字时运笔的轻重变化进行量化分析。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 书写变化曲线（a:书写力度变化曲线; b: 书写速度变化曲线）Fig.3 Changing curve in writing process (a: of pressure; b: of speed)

x、y的坐标值是采点时刻系统感知的书写位置信息, 通过对绝对位置信息的计算, 根据公式（1）可以得到等时间隔的相对位移, 即量化了的书写速度。图3b是根据计算结果绘制出的书写速度变化曲线, 从中可反映出签字时运笔的快慢变化。

式中：x_n、y_n分别为采集点位的横、纵坐标值。

数据解析的结果表明, 电子签名笔迹形成过程中生成的数据信息与书写活动有着密切的联系, 它不仅记录下整个签名的动作轨迹, 还反映出在传统签名笔迹检验中只能依靠专家感知但却难以量化的书写力度、书写速度等信息, 它以可读取、可分析计算的数据形式, 诠释出书写活动所蕴含的“ 轻重急徐” 和富于变化的“ 节奏感” , 为电子签名笔迹的量化检验提供了数据支持。