數(shù)字手寫簽名的認證功能分析及應(yīng)用建議

周桂雪， 潘自勤

(1.南京森林警察學(xué)院， 國家林業(yè)局森林公安司法鑒定中心， 野生動植物物證技術(shù)國家林業(yè)局重點實驗室，江蘇南京 210023；2.西南政法大學(xué)刑事偵查學(xué)院， 西南政法大學(xué)司法鑒定中心， 重慶 401120)

0 引言

自電子簽名的效力獲得法律確認以來，電子簽名以及其方便、高效、節(jié)約成本的優(yōu)點不僅在電子商務(wù)領(lǐng)域獲得青睞，在金融、保險、醫(yī)療、政務(wù)等多個領(lǐng)域也得到迅速推廣。當(dāng)前電子簽名的研發(fā)和應(yīng)用也主要聚焦于各種加密算法以及數(shù)字簽名證書技術(shù)，身份認證方法少，可投入實踐應(yīng)用的身份認證技術(shù)仍是以數(shù)字認證方式為主，從簽名主體真實身份確認方面，無法滿足身份真實的可靠性要求，從實務(wù)應(yīng)用的角度，已不能滿足各行業(yè)、多種場景[1]的簽名功能需要。因此，針對當(dāng)前普遍應(yīng)用的電子簽名技術(shù)的局限性，恰當(dāng)引入數(shù)字手寫簽名技術(shù)，充分發(fā)揮其在身份認證及意愿認證領(lǐng)域的優(yōu)勢，將增進電子簽名可靠性，進而為電子簽名的法庭確認增加取證路徑。

1 數(shù)字手寫簽名相關(guān)概念解析

在探討數(shù)字手寫簽名功能前，有必要對數(shù)字手寫簽名相同、相近或相關(guān)概念進行厘清，以實現(xiàn)對各自指代功能的充分理解，避免使用中的混淆和困惑。

1.1 在線簽名與離線簽名

根據(jù)采集簽名所能得到的信息不同，可以把簽名分為在線簽名(online signature)和離線簽名(offline signature)。在線簽名是指實時記錄手寫動作，不僅記錄簽名動作留下的靜態(tài)空間形象特征，也實時記錄一些動態(tài)書寫特征，如壓力、時間等信息，進而有助于計算速度、加速度等動作信息，該功能通常借助數(shù)字手寫設(shè)備(如手寫板或觸屏)實現(xiàn)，在線簽名也被稱作聯(lián)機(手寫)簽名[2]或動態(tài)(手寫)簽名[3]。離線簽名是指僅記錄各個簽名點的位置、形狀信息，簽名作為一幅圖像而存在，又稱脫機(手寫)簽名[4]或靜態(tài)(手寫)簽名[5]，因此掃描紙質(zhì)文件上的簽名或者用數(shù)字手寫設(shè)備采集的不含有動態(tài)信息的簽名皆稱為離線簽名。

1.2 數(shù)字手寫簽名稱謂解析

1.2.1 數(shù)字手寫簽名的國內(nèi)相關(guān)稱謂

國內(nèi)首先提出并使用數(shù)字手寫簽名稱謂的是來自于中國政法大學(xué)的兩位學(xué)者，他們所稱謂的“數(shù)字手寫簽名”是指“以電磁(容)筆或其他物體如指尖為書寫工具，在數(shù)字觸控屏或數(shù)字手寫板上形成的筆跡”[6，7]，由此可知，數(shù)字手寫簽名與傳統(tǒng)簽名的不同就在于以觸屏或手寫板為“紙”，以電磁信號為筆，以“數(shù)字墨水”實時呈現(xiàn)簽名筆跡的形象特征。以此概念所指繼續(xù)追索，國內(nèi)關(guān)于數(shù)字手寫簽名的稱謂較多：在數(shù)字手寫簽名筆跡設(shè)備推廣和應(yīng)用中常被稱為原筆跡簽名[8]，也有人將其稱之為手寫數(shù)字簽名[9]、電子化簽名[10]、數(shù)字化簽名[11]、電子手寫簽名[12]。不過從稱謂使用主體所探討的簽名涵蓋內(nèi)容看，后3種稱謂要比“數(shù)字手寫簽名”外延更為寬泛，包含了任何形式的數(shù)字化的簽名，如寫在紙張上的簽名通過掃描或者拍照形成的二維圖像；而從數(shù)字手寫簽名目前的稱謂使用來看，主要指用數(shù)字手寫設(shè)備直接采集的數(shù)字化簽名。

1.2.2 數(shù)字手寫簽名的國外相關(guān)稱謂

圍繞上述手寫簽名內(nèi)涵，國外也呈現(xiàn)出幾種常見的稱謂，包括：handwritten electronic signatures、electronically captured signatures[13]、Electronic Handwritten Signatures[14]、digitalization of signatures、digitized signatures[15]，前兩種稱謂僅指通過數(shù)位板、手機、平板電腦等相關(guān)電子設(shè)備直接采集的數(shù)字化簽名，內(nèi)涵等同于國內(nèi)當(dāng)前定義的數(shù)字手寫簽名。而后兩種稱謂不僅包括數(shù)位板等電子設(shè)備直接采集的數(shù)字化簽名，同時也包括利用數(shù)字化設(shè)備將傳統(tǒng)紙張上簽名筆跡數(shù)字化后的簽名，內(nèi)涵上相當(dāng)于國內(nèi)的“電子化簽名”、“數(shù)字化簽名”等。

1.2.3 數(shù)字手寫簽名稱謂厘定

以上探討的概念都是因使用電子設(shè)備直接或間接采集而數(shù)字化的簽名，稱謂雖多，總體分為兩類：一類稱謂僅指利用電子設(shè)備直接采集的數(shù)字化簽名；另一類稱謂既包括電子設(shè)備直接采集的數(shù)字化的簽名，又包括電子設(shè)備間接采集的數(shù)字化簽名(將已有的傳統(tǒng)簽名轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的簽名)，兩類簽名可以分別理解為狹義和廣義的數(shù)字化簽名。對于此類事物本身先于概念出現(xiàn)的技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)物，稱謂應(yīng)從語詞本身以及技術(shù)應(yīng)用兩個角度考慮科學(xué)命名問題。從字面含義角度，對手寫簽名冠以“數(shù)字”、“數(shù)字化”強調(diào)其生成方式，冠以“電子”、“電子化”在內(nèi)涵簽名數(shù)字化形式的基礎(chǔ)上，強調(diào)其通訊或網(wǎng)絡(luò)傳播用途[16]，而不管是語詞分析還是從實際應(yīng)用角度，“數(shù)字化”、“電子化”作為限定詞比“數(shù)字”、“電子”涵蓋范圍更為廣泛，適合做廣義理解；若取狹義，則以“數(shù)字”、“電子”作為限定詞更佳。從當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域看，電子簽名應(yīng)用領(lǐng)域提及數(shù)字化的簽名一般僅限于通訊和網(wǎng)絡(luò)傳播，而在此領(lǐng)域之外的數(shù)字化的簽名仍有較多應(yīng)用；“數(shù)字”不限定用途，直接從其生成方式角度進行命名。由此，冠以“數(shù)字”的手寫簽名應(yīng)用領(lǐng)域比冠以“電子”的手寫簽名的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。由于當(dāng)前各國電子簽名的法律界定有所差別，同一法律規(guī)制下的電子簽名也存在應(yīng)用情形的差異，此外新技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展使一部分?jǐn)?shù)字化的簽名游離于傳統(tǒng)簽名與法定電子簽名之間，同樣需要真?zhèn)未_認，因此，“數(shù)字”之稱謂應(yīng)比“電子”之稱謂更適合當(dāng)下的技術(shù)應(yīng)用環(huán)境。近年來，國內(nèi)市場上直接采集手寫簽名的電子設(shè)備類型逐年增多，專門用于采集該類簽名的設(shè)備稱為數(shù)位板(digital tablets)，此外較多智能手機、平板電腦皆具有該功能，綜合前述語義分析及該類設(shè)備的功能屬性，我們可將該類設(shè)備統(tǒng)稱為數(shù)字手寫設(shè)備，由該類設(shè)備采集的簽名可以順理成章地稱為數(shù)字手寫簽名。綜合上述分析，該稱謂在語義及當(dāng)前的技術(shù)應(yīng)用環(huán)境下是較為合理的。由此推演出的數(shù)字手寫簽名僅指由數(shù)字手寫設(shè)備直接采集的手寫數(shù)字化簽名，且數(shù)字手寫簽名可能是靜態(tài)簽名，也可能是動態(tài)簽名。本篇接下來皆采用此稱謂。

2 數(shù)字手寫簽名的認證功能分析

2.1 數(shù)字手寫簽名的信息采集功能選擇

當(dāng)前，市場上號稱可以用于電子簽名的數(shù)字手寫簽名采集設(shè)備較多，但各自采集信息的功能有所不同，總體可分為動態(tài)簽名和靜態(tài)簽名兩類采集設(shè)備。動態(tài)簽名采集設(shè)備采集動態(tài)信息的功能也有所不同，有的只能采集各簽名點的時間和位置信息，有的除此之外還能采集壓力信息、書寫時筆的傾斜角和方位角等信息，但采集時間和位置信息應(yīng)是此類設(shè)備的基本功能，如當(dāng)前國內(nèi)市場的漢王、蒙恬兩大公司開發(fā)的一系列附SDK包的電子簽名板即屬于動態(tài)簽名采集設(shè)備。靜態(tài)簽名采集設(shè)備只采集書寫筆跡的二維圖像，不包含動態(tài)信息，此類設(shè)備占有的市場份額和使用比率較高，包括三星Note系列產(chǎn)品、E人E本、蘋果公司的iPad、iPhone 等[7]。

就數(shù)字手寫簽名服務(wù)于電子簽名的功能而言，無非用于電子簽名過程中的身份確認以及電子簽名后追責(zé)中發(fā)生的身份確認問題。要使數(shù)字手寫簽名本身獨立完成兩方面的身份確認功能，必須依賴于動態(tài)軌跡信息的獲取，僅僅采集靜態(tài)簽名筆跡圖像不足以實現(xiàn)身份認證功能，原因如下：

首先，二維圖像的信息缺失和扭曲造成個性化信息的不足。數(shù)字手寫設(shè)備在二維靜態(tài)筆跡圖像采集過程中不光無法采集筆痕、筆壓等立體信息，平面信息的采集和處理過程中也會有不同程度的失真[7]，可供鑒定的筆跡特征信息不足，特別是當(dāng)采集簽名筆跡圖像分辨率較低的情況下，會出現(xiàn)嚴(yán)重的像素化，可供利用的個性化信息更少，可能無法達到人身認定的目的。

第二，靜態(tài)簽名圖像信息防冒用、防篡改、防抵賴性差，人身確認能力不足。二維圖像信息易通過復(fù)制方式進行冒用，易通過圖像處理進行篡改。由于二維圖像簽名所含個性化信息有限，也易進行仿冒而不被發(fā)現(xiàn)，簽名人也可以此為由進行抵賴。

當(dāng)然，在推進金融無紙化進程中，也會使用身份證讀卡器、攝像頭、時間戳、地點等信息配合靜態(tài)手寫簽名采集設(shè)備共同實現(xiàn)簽名人身份確認，形成完整的證據(jù)鏈[17]，確保事中安全，防止事后抵賴，如VTM自助業(yè)務(wù)受理無紙化簽名、移動營銷中的無紙化簽名[8]。但可以肯定，靜態(tài)手寫簽名在其中發(fā)揮作用甚微，主要在于事后身份確認，而通過采集的靜態(tài)圖像是否能實現(xiàn)事后身份確認全不可知；簽名過程中也只起到完成程式化確認流程和對當(dāng)事人的震懾作用，而手寫簽名應(yīng)有的人身確認功能在技術(shù)應(yīng)用上卻被架空。部分與數(shù)字簽名結(jié)合使用的靜態(tài)手寫簽名也處于同樣的“技術(shù)無能”的境地，在不能確保防復(fù)制、防篡改、防冒用的情況下，將手寫簽名替換成任意其他圖形對原有電子簽名功能的實現(xiàn)并無影響。目前國內(nèi)外手寫簽名身份認證技術(shù)相當(dāng)部分都采用動態(tài)簽名認證技術(shù)[18]，如美國有許多百貨商店使用這些技術(shù)設(shè)施讓消費者簽署信用卡，說明動態(tài)簽名實現(xiàn)人身確認技術(shù)已經(jīng)較為成熟。在履行數(shù)字手寫簽名作為身份認證或意愿認證手段時，動態(tài)筆跡信息信息棄之不用，就基本失去了數(shù)字手寫簽名獨立認定人身的功能，簽名過程流于形式，實為可惜；與其如此，不如替換成其他生物特征。所以本篇接下來探討的數(shù)字手寫簽名皆指動態(tài)簽名。

2.2 數(shù)字手寫簽名的身份認證功能分析

數(shù)字手寫簽名用于身份驗證的核心在于通過一定生物特征采集裝置獲取手寫筆跡個性化特征，并將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，存儲于計算機中，利用可靠的匹配算法來完成驗證與識別個人身份過程，作為一種方便與安全的識別技術(shù)，借助于計算機技術(shù)實現(xiàn)自動化管理[19]。數(shù)字手寫簽名的身份認證功能優(yōu)越性如下。

首先，數(shù)字手寫簽名作為身份認證技術(shù)具有生物特征身份鑒別技術(shù)的普遍優(yōu)點：既能克服密碼、口令、數(shù)字認證不能與人身直接關(guān)聯(lián)的障礙，又可以防丟失、防遺忘，不易偽造，具備較強的攜帶方便、用戶專屬的特性。因此，目前將生物特征識別技術(shù)與PKI技術(shù)聯(lián)用成為一種理想的電子簽名模式，以生物特征信息構(gòu)造密鑰乃至代替數(shù)字證書完成身份認證，可以克服單一數(shù)字簽名本身的身份認證間接性以及密鑰托管系統(tǒng)被攻破帶來的風(fēng)險[20]。

第二，數(shù)字手寫簽名相對于其他生物特征簽名具有優(yōu)越性。其一，數(shù)字手寫簽名記錄的是行為特征，同一人每一次簽名都存在一定的量變，不可能完全重合，因此相對于指紋、虹膜等生理結(jié)構(gòu)特征具有不易被復(fù)制的特點。其二，數(shù)字手寫簽名作為一種行為特征輸出，具有不易被盜用、防脅迫使用的特點：數(shù)字手寫簽名不能在昏迷、醉酒、死亡等無意識狀態(tài)下被人盜用；數(shù)字手寫簽名特征穩(wěn)定性受到情緒影響，如果在被脅迫等驚恐狀態(tài)下書寫，可能無法順利完成驗證。其三，聯(lián)機簽名技術(shù)是目前各類研究的行為特征識別技術(shù)中技術(shù)相對成熟、識別準(zhǔn)確率最高的生物識別技術(shù)。擊鍵識別技術(shù)、步態(tài)識別技術(shù)不夠成熟，尚處于研發(fā)階段，相較于擊鍵識別技術(shù)、步態(tài)識別技術(shù)更為成熟的語音識別技術(shù)錯誤率較高，可達到29%[21]，而根據(jù)聯(lián)機簽名的誤接受率和誤拒絕率的統(tǒng)計情況，錯誤率遠低于此數(shù)值[2]。其四，用于身份認證中的數(shù)字手寫簽名匹配數(shù)據(jù)可以很好地實現(xiàn)業(yè)物留痕，保證事后的可追溯性，而不僅僅依據(jù)其他電子數(shù)據(jù)交換信息證成簽名身份的真實。

當(dāng)然當(dāng)前數(shù)字手寫簽名技術(shù)作為身份認證技術(shù)存在的不足也不容忽視：其相對指紋等生物特征識別技術(shù)存在識別率低、易受情緒、書寫條件因素干擾、技術(shù)應(yīng)用成熟度低的缺陷，還有許多技術(shù)層面的問題未得到解決。

2.3 數(shù)字手寫簽名的意愿認證功能分析

意愿認證是實現(xiàn)電子簽名的重要組成部分，特別在無紙化辦公流程中較多地強調(diào)意愿認證。在意愿認證方面，生物特征相對于回退密碼等依賴于設(shè)備相關(guān)性的認證方式具有能直接代表人身、不易被盜取和遺忘的優(yōu)越性；數(shù)字手寫簽名由于具有動態(tài)變化、每次輸出各異的特點，較其他生理結(jié)構(gòu)特征簽名具有更強的防復(fù)制功能，很好地保證電子簽名具有一事一簽、不可重復(fù)的特性，此外數(shù)字手寫簽名同時留下靜態(tài)簽名圖像和動態(tài)軌跡信息，既可以與相關(guān)文檔、其他信息共同合成可視電子憑證，又可以通過留存靜態(tài)和動態(tài)軌跡信息實現(xiàn)事后身份查實、確認，具有較強的人身可追溯性，業(yè)務(wù)留痕性好。

從技術(shù)應(yīng)用角度，數(shù)字手寫簽名的意愿認證功能優(yōu)于其身份認證功能。首先，作為意愿認證的數(shù)字手寫簽名，多在事后追責(zé)過程中涉及到人身確認，因此省去了身份認證過程中需事前大量采集當(dāng)事人樣本并存儲的環(huán)節(jié)，不必在節(jié)約儲存空間和滿足匹配樣本數(shù)量的二難境地之間糾結(jié)于采集多大的樣本量是合適的，也避免了因多次采集樣本造成的用戶體驗性差的困境；事后追責(zé)過程中再進行樣本采集，不具有普遍性，只是發(fā)生于存在責(zé)任糾紛的個體之間，此時當(dāng)事雙方為促進糾紛解決，在收集樣本過程中也多表現(xiàn)為積極配合，至少不會因采集樣本數(shù)量多而產(chǎn)生怨言。其次，作為身份認證的數(shù)字手寫簽名在認證過程中往往面臨一對多的鑒別(identification)過程，而意愿認證的人身查實多是處理一對一的身份確認(verification)，會大大降低技術(shù)難度，匹配的準(zhǔn)確率得以提升。此外，事后身份認證過程可以通過人工介入使認定更為準(zhǔn)確可靠，而人工輔助認證在身份認證中很難實現(xiàn)，從技術(shù)上難以做到，從保密和效率角度也不可行。

3 數(shù)字手寫簽名的應(yīng)用建議

3.1 數(shù)字手寫簽名與數(shù)字簽名聯(lián)用加強認證可靠性

基于如上分析，將表征生物行為特征的數(shù)字手寫簽名與基于PKI的數(shù)字簽名技術(shù)聯(lián)用可以增強電子簽名的可靠性。數(shù)字手寫簽名在聯(lián)用技術(shù)中根據(jù)不同的應(yīng)用場景可以發(fā)揮兩種認證功能：身份認證和意愿認證。

3.2 數(shù)字手寫簽名與其他生物技術(shù)聯(lián)用增強身份認證效能

在數(shù)字手寫簽名用于身份認證時，面臨的最大問題是識別準(zhǔn)確率得不到保證，易受書寫環(huán)境和書寫者自身因素影響。因此與其他生物認證方法聯(lián)用作為身份認證手段是一種很好的解決方案，既可以彌補單一生物識別技術(shù)的缺陷，又可以提高識別準(zhǔn)確率。如一項數(shù)據(jù)庫測試表明，原本數(shù)據(jù)庫中聯(lián)機簽名與人臉真?zhèn)握J證的等誤率分別為3.5%和2.2%，二者融合后得到了0.47%的等誤率[2]。

3.3 關(guān)注采集設(shè)備采集參數(shù)的種類和質(zhì)量

數(shù)字手寫簽名對于電子病歷、電子保單、政務(wù)審批等無紙化辦公的意愿認證環(huán)節(jié)是很好的選擇，但欲保證數(shù)字手寫簽名本身具有真正的責(zé)任認定功能，務(wù)必采集并存儲滿足人身鑒別的動態(tài)軌跡信息。同時記錄簽名的靜態(tài)圖像和動態(tài)軌跡信息正是當(dāng)前數(shù)字手寫簽名意愿認證實踐中所缺乏的。目前數(shù)字手寫簽名雖然應(yīng)用廣泛，但是有相當(dāng)部分采集設(shè)備只采集簽名筆跡二維圖像，沒有采集、存儲動態(tài)軌跡信息；且采集設(shè)備的分辨率、書寫區(qū)尺寸沒有統(tǒng)一要求，有的采集設(shè)備明顯采集不到正常書寫的筆跡，并且采集的簽名圖像像素化嚴(yán)重——如很多服務(wù)終端的POS機上的數(shù)字手寫簽名采集設(shè)備，這種情況很可能使采集到的簽名筆跡無法實現(xiàn)責(zé)任認定功能。因此數(shù)字手寫簽名責(zé)任認定功能的發(fā)揮有賴于靜態(tài)圖像信息與動態(tài)軌跡信息的保質(zhì)保量地采集。靜態(tài)信息的采集主要依賴于采集設(shè)備的分辨率、感應(yīng)靈敏度、記錄軟件的準(zhǔn)確性；動態(tài)信息采集的種類和數(shù)量取決于采集設(shè)備的采集能力，同時也決定于記錄、分析軟件的性能[13]。此外，無論靜態(tài)信息還是動態(tài)軌跡信息的采集都要求設(shè)備有利于書寫者書寫習(xí)慣的正常發(fā)揮，因此可參照傳統(tǒng)簽名的常規(guī)條件完善數(shù)字手寫設(shè)備的采集條件。根據(jù)如上條件要求，亟需研究建立數(shù)字手寫簽名采集設(shè)備及記錄軟件的標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 完善法庭證明方法

在數(shù)字手寫簽名用于身份認證或意愿認證的糾紛解決機制中，取證方法不夠完善。從當(dāng)前與電子簽名服務(wù)商合作的司法鑒定機構(gòu)性質(zhì)來看，主要是提供數(shù)字簽名鑒定服務(wù)，強調(diào)證明簽名過程的數(shù)據(jù)真實、無篡改的原始電子數(shù)據(jù)，沒能利用生物特征與人身的直接關(guān)聯(lián)性進行鑒定，對標(biāo)識個人信息的生物特征棄之不用實為可惜，特別是對作為意愿認證的數(shù)字手寫簽名，責(zé)任認定中若不加以利用，其認證功能就沒有實現(xiàn)，若加以利用可確定簽名與具體責(zé)任人的直接關(guān)聯(lián)。在數(shù)字手寫簽名實現(xiàn)人身鑒定的可行性方面，國外已有理論驗證和實務(wù)應(yīng)用。一些西方國家在2015年的能力驗證中穿插進包含靜態(tài)圖像、xy軸位點、壓力等動態(tài)信息的數(shù)字手寫簽名鑒定任務(wù)，結(jié)果證明文件檢驗專家在鑒定該類數(shù)字手寫簽名的表現(xiàn)并不比傳統(tǒng)簽名筆跡效果差，它保持了與傳統(tǒng)簽名筆跡鑒定相當(dāng)?shù)恼_率；并且參與該次能力驗證的文件檢驗人員對該次數(shù)字手寫簽名鑒定任務(wù)的總體難度系數(shù)評價為中等[13]。這說明，盡管當(dāng)前世界各國對數(shù)字手寫簽名鑒定方法仍然處于探索階段，當(dāng)前文件檢驗人員已有的文件檢驗知識和技能能夠確保該新型簽名的鑒定質(zhì)量。另外，在采取廣義電子簽名立法模式的美國，數(shù)字手寫簽名的鑒定在法庭科學(xué)實踐中已經(jīng)展開，對鑒定方法的探索也更為活躍，如Heidi H. Harralson在2013年就對數(shù)字手寫簽名的應(yīng)用、鑒定方法、標(biāo)準(zhǔn)等問題進行了詳細論述和思考[15]，美國文件檢驗學(xué)專家Linton博士2015年在中國做的關(guān)于數(shù)字手寫簽名的演講體現(xiàn)了對動態(tài)簽名參數(shù)分析較為成熟的思路。

因此，數(shù)字手寫簽名的鑒定既有現(xiàn)實需要又具備可行性，在電子簽名真?zhèn)舞b定中，可作為交換數(shù)據(jù)的有力補充，甚至作為優(yōu)先選擇，起到更直接的證明作用。因此建議在包含數(shù)字手寫簽名的電子簽名責(zé)任人確定問題上，同時對數(shù)字手寫簽名和其他電子數(shù)據(jù)加以利用進行鑒定，這需要計算機技術(shù)人員與筆跡鑒定人員協(xié)作完成鑒定任務(wù)。在取證時，數(shù)字手寫簽名應(yīng)作為不可忽視的證據(jù)材料進行提取。