“ iPad mini 2” 平板电脑、“ IQS” 牌主动式电容笔; “ Wacom CTL-471” 电磁数位手写板、配套电磁数位压感笔; Epson V500扫描仪; 晨光GP-1008黑色碳素签字笔、70 g/m² A4打印纸。

邀请60名大学专科以上学历成年人, 在光线明亮的室内, 端坐于书桌前以平和心态书写签名。

签名者分别使用电容触控笔在平板电脑、使用电磁数位压感笔在电磁感应式手写板上书写三遍本人签名, 通过软件对书写者操作实时捕获, 生成电容式和电磁式签名笔迹。

签名者使用黑色碳素签字笔在A4打印纸上书写三遍本人签名（书写时衬垫有20张相同A4纸）, 取得纸笔签名笔迹。使用扫描仪, 以600 dpi的分辨率扫描纸笔签名笔迹, 使用软件截取签名笔迹图片。

以上笔迹分别按照书写者、书写类型、书写顺序依次编号, 以PNG格式保存。分别收集三类实验材料各160份, 总计480份。

2.1.1 书写次数对签名笔迹的影响

通过观察同一人连续三次书写电子签名笔迹后发现, 首次使用电磁笔、电容笔签名, 书写者对于新的书写工具不太适应, 运笔较拘谨, 书写速度较慢, 部分起收笔的和连笔特征没有体现, 随着书写次数的增加, 书写人运笔渐渐舒展, 起收笔、连笔特征得以重现, 如表1所示。考虑到书写次数对两种电子签名笔迹特征的影响, 后续比较电磁式、电容式电子签名笔迹与纸笔签名笔迹特征时, 均选用书写者第一次书写的电磁式、电容式电子签名的样本作为比对样本。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同书写次序电子签名笔迹比对表 Table 1 Handwriting comparison among the signatures written from three continuous times

表1 不同书写次序电子签名笔迹比对表 Table 1 Handwriting comparison among the signatures written from three continuous times

2.1.2 视觉监督对签名笔迹的影响

电磁式触屏电子签名系统由电磁笔、电磁式手写板与电脑组成, 电脑中Windows ink工作区实时捕获书写者操作, 在显示屏上同步显示签名笔迹轨迹。此种书写方式在视觉监督方面存在局限性。在收集电磁式签名时, 发现书写者目视显示屏和同时目视显示屏与手写板的情形下, 书写的签名超出电磁式手写板书写范围的概率远大于目视手写板, 说明视觉监督的局限性导致书写者无法像纸笔签名一样熟练把握签名过程。为考查不同视觉监督模式对电磁签名笔迹特征的影响, 本文随机邀请数名书写者进行三种模式的书写实验, 分别是同时目视显示屏与手写板书写; 目视手写板, 余光不视电脑显示屏书写; 目视电脑显示屏, 余光不视手写板书写, 每种模式均书写三次签名。为排除书写熟练程度对笔迹特征的影响, 每两组笔迹的收集时间间隔为15 d。如表2所示, 在概貌特征上, 三种模式下的电磁式签名笔迹在字迹形态、字间搭配比例等特征上均有差别, 书写者仅目视手写板书写时签名更加舒展; 对签名书写的把握上和书写熟练程度上, 目视显示屏所书签名要弱于另外两种情形; 仅目视手写板和同时目视显示屏与手写板的签名笔迹在倾斜方向相近, 与仅目视显示屏的签名笔迹有明显差异。在细节特征上, 三种模式下的电磁式签名的邻位笔画搭配比例、偏旁间搭配比例、行笔等特征上存在差异, 笔顺、起收笔、连笔等特征点方面表现基本一致。观察到大多数书写者都习惯同时目视显示屏与手写板, 为排除视觉监督模式对笔迹特征的影响, 在后续的实验中, 要求实验者在书写电磁式签名笔迹时均采用同时目视显示屏与手写板这种方式进行。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同视觉监督模式下电磁式签名笔迹特征比对表 Table 2 Handwriting comparison among electromagnetic signatures written under different visual distractions

表2 不同视觉监督模式下电磁式签名笔迹特征比对表 Table 2 Handwriting comparison among electromagnetic signatures written under different visual distractions

观察电磁式、电容式签名的笔迹特征, 分别与纸笔签名进行笔迹特征比较, 记录、统计签名的笔迹特征变化占总体触屏签名笔迹的比例, 统计情况见表3。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 电磁式签名笔迹与电容式签名笔迹特征变化率（%） Table 3 Handwriting characteristic changing rates of either the electromagnetic or capacitive signature (%) 笔迹特征 电磁式签名笔迹 电容式签名笔迹 书写水平 83.3 83.8 签名布局 49.4 92.2 签名字间搭配比例 21.1 100 笔顺特征 2.2 8.8 起笔特征 23.3 27.7 行笔特征 26.6 88.7 收笔特征 24.4 87.7 连笔特征 1.4 45.5 笔痕特征 100 100

表3 电磁式签名笔迹与电容式签名笔迹特征变化率（%） Table 3 Handwriting characteristic changing rates of either the electromagnetic or capacitive signature (%)

2.2.1 字迹清晰度

书写电容式、电磁式签名时采用手写互动软件均为Wacom（和冠）公司所开发, 但是在视觉上, 电磁式签名笔迹明显比电容式签名笔迹清晰, 这是因为书写电磁式签名笔迹的电磁式手写板读取分辨率为2 540 LPI, 换算约相当于显示屏的1 693 PPI分辨率, 远高于书写电容式签名笔迹的326 PPI分辨率的电容式触摸屏。同部位笔迹图片放大六倍, 如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 触屏电子签名分辨率对比图 （a：电容式签名; b：电磁式签名）Fig.1 Resolution of touch-screen electronic signature (a/b: capacitive/electromagnetic signature)

2.2.2 书写水平

书写水平, 即写字技能的高低。主要从单字的结构、运笔和全篇字的布局三方面来考察。相对于纸笔签名, 电磁式、电容式签名均属于书写条件变化字迹, 书写者的签名熟练程度会降低, 导致笔迹发生书写水平降低现象。

2.2.3 签名布局

相对于纸笔签名笔迹, 触屏签名书写者的控笔技能减弱, 导致触屏签名出现与纸笔签名不同的倾斜角度, 而电磁式签名书写过程更接近纸笔签名, 因此其变化程度较电容式签名要小些。详见图2, 较深色笔迹为纸笔签名, 并以实线标记。

图2

Fig.2

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	图2 笔迹倾斜特征变化图 （a：电容式签名与纸笔签名重叠对比; b：电磁式签名与纸笔签名重叠对比）Fig.2 Tilting characteristics of handwriting (a/b: capacitive/electromagnetic signature overlapped onto the paper-pen one)

2.2.4 签名字间搭配比例

电容式签名笔迹书写过程需要刻意悬腕, 因而字间搭配比例全部发生变化; 电磁式签名除视觉监督上有局限性, 书写过程较纸笔签名几乎相同, 但对新的书写工具、条件的不适应, 也导致了一部分书写者的签名笔迹字间搭配比例发生改变。详见图3, 较深颜色笔迹为纸笔签名笔迹, 由实线标记。

图3

Fig.3

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	图3 笔迹字间搭配比例特征变化图 （a：电容式签名与纸笔签名重叠对比; b：电磁式签名与纸笔签名重叠对比）Fig.3 Characteristic matching proportions between the written words (a/b: capacitive/electromagnetic signature overlapped onto the paper-pen one)

2.2.5 行笔形态特征

电容式、电磁式签名笔迹与纸笔签名笔迹相比, 行笔方向较少发生改变, 在行笔形态特征上存在差异。在书写笔与书写载体间的摩擦系数上, 触屏电子签名要小于纸笔签名, 加上电容式签名书写时的悬腕动作, 使得行笔转折弧度变大, 笔画棱角分明现象消失, 与其纸笔签名笔迹相比, 笔迹形态显得“ 圆润” ; 部分书写者在书写电磁式签名时也会出现偶然悬腕动作, 使得笔迹中部分笔画也出现“ 圆润” 现象, 棱角分明现象减少。纸笔签名中的顿点, 在电磁式签名笔迹中多变为折、撇点或“ 弯线” ; 在电容式签名笔迹中多变“ 小钩” 或“ 弯线” , 详见图4。

图4

Fig.4

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	图4 行笔特征对比图 （a：纸笔签名, b：电磁式签名, c：电容式签名）Fig.4 Characteristic conformations of pen movement (a/b/c: paper-pen/electromagnetic/capacitive signature)

2.2.6 起笔特征

纸笔签名中侧起笔“ 露锋” 特征和回转起笔的“ 回锋钩” 在电容式签名中体现得不明显, 甚至消失, 而在电磁式签名中得以较好的体现, 详见图5。

图5

Fig.5

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	图5 侧起笔特征对比图 （a：纸笔签名; b：电磁式签名; c：电容式签名）Fig.5 Characteristic start strokes of handwriting (a/b/c: paper-pen/electromagnetic/capacitive signature)

2.2.7 收笔特征

收笔特征主要有顿压收笔、回转收笔及直收笔^[6]。在电磁式签名笔迹中, 收笔时较明显的压力变化能被电磁数位压感笔所感知, 所以笔锋现象得到了保持; 而电容式签名笔迹的笔锋消失。纸笔签名中的“ 回锋钩” 特征在电磁式签名中均能得到体现, 而纸笔签名中的回转收笔“ 藏锋” 现象在电磁式签名中则消失或表现为“ 回锋钩” 。书写电容式签名时, 悬腕动作使书写者书写习惯不易保持, “ 回锋钩” 特征不明显, 没有笔锋, 甚至大多数电容式签名没有出现“ 回锋钩” 特征, 详见图6。

图6

Fig.6

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	图6 笔迹收笔特征对比图 （a：纸笔签名; b：电磁式签名; c：电容式签名）Fig.6 Characteristic end strokes of handwriting (a/b/c: paper-pen/electromagnetic/capacitive signature)

如果签名者在书写电磁式签名时, 顿压收笔的压力变化不大, 而采集签名时的电磁数位压感笔的压感较低（1024压感级）, 对较轻微的压力变化灵敏度不佳, 则电磁式签名笔迹收笔顿压“ 圆钝” 特征不明晰或消失, 多表现为直收; 电容式签名不具备压力感知能力, 顿压收笔特征均消失, 表现为直收。

2.2.8 连笔特征

电磁式签名笔迹的书写过程与纸笔签名笔迹相似, 因而部分笔迹连笔特征“ 断连” “ 实连” 现象基本保持, 部分笔迹出现“ 实连” 增多; 书写电容式签名时因悬腕动作, 书写速度减缓, 纸笔签名笔迹中“ 断连” 特征变成“ 实连” , 详见图7。

图7

Fig.7

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	图7 连笔特征对比图 （a：纸笔签名; b：电磁式签名; c：电容式签名）Fig.7 Characteristic written connections (a/b/c: paper-pen/electromagnetic/capacitive signature)

2.2.9 笔痕特征

电磁式、电容式签名的书写笔外形结构与传统纸笔签名的书写笔类似, 但不具备纸笔签名书写笔的微观结构, 笔尖无圆珠且无油墨导出; 电容屏和电磁式手写板也不像纸张一样因压力产生形变, 因此纸笔签名笔迹中墨点、白点、白线、划痕、压痕等特征, 在电容式、电磁式签名笔迹中均完全消失。

纸笔签名笔迹的笔画粗细一般为圆珠直径的三分之二, 笔痕特征会因笔的供墨系统和书写人作用力大小不同而变化; 而两种触屏签名笔迹的笔画粗细变化的原理与其不同。

电磁式签名所使用的电磁数位压感笔能感知书写者运笔的压力变化。运笔压力变化在笔迹中以不同笔画粗细的方式展现, 压力大则笔画粗, 压力小则笔画细, 见图8。电容笔则分为两种情况, 市面上部分电容笔安装了压感模块, 笔画粗细也随着书写压力的变大而变大, 与电磁笔签名类似; 另一部分主动式电容笔不能感应运笔压力变化（如本实验所用的电容笔）, 但手写互动软件会对书写者的书写相对速度进行捕获操作, 因而在笔迹中, 书写速度变化能以笔画粗细不同的方式展现：相对书写速度快则笔画细, 相对书写速度慢则笔画粗, 详见图9。

图8

Fig.8

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	图8 电磁式签名笔画粗细随压力变化示意图Fig.8 Strokes’ width changing with writing pressure from electromagnetic signature pen

图9

Fig.9

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	图9 电容式签名笔画粗细随书写速度变化示意图Fig.9 Strokes’ width changing with writing speed from capacitive signature pen