CN100533469C - 基于纸面的手写签名电子化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纸面的手写签名电子化方法，该方法基于UD纸实现。UD纸具有能够书写和印刷的表面，所述表面附着有编码信息。所述编码信息与所述UD纸之间具有一一对应的绑定关系。电子笔在上述UD纸上书写，电子笔上的摄像机记录书写的信息，电子笔可以将载有书写信息的电子镜像纸传输到网络信息终端之中，电子镜像纸上的信息可以在信息终端中显示出来。该信息是在笔内同时生成在电子镜像纸上的与UD纸上笔墨产生的书写信息特征完全镜像的信息。本方法除了具有身份确认性、不可否认性、不可篡改性、机密性等特性以外，还具有方便、易用、直观的优点。

Description

基于纸面的手写签名电子化方法

技术领域

本发明涉及一种手写签名电子化方法，特别涉及一种在纸面上进行签名，同时将书写的笔迹和过程生成电子化镜像，从而保证数字环境下的电子签名的真实性和安全性的方法，属于数字技术领域。

背景技术

俗话说“字如其人”，书写的字体反映了书写者的个性、气质和内心世界。运用语言学、文字学、心理学、生理学、物理学和化学等社会科学和自然科学的知识与方法观察、分析签名的笔迹，可以判断书写者的气质、性格、才智、情感甚至健康状况。每个人的签名，除了其外在的不同，还隐含着因书写时的角度、力度、速度等物理因素而造成的不同。长期的书写，使每个人的字体所隐含的这些不同成为定式。并且很难改变。如此，通过一定的技术手段辨别笔迹，很容易分析出某人签名的真伪。总之，以签名为代表的文字书写作为展现个性的重要手段，具有唯一性和不可模仿性，因此，签名可以作为识别身份的有效手段。

在当前信息化蓬勃发展的时代，电子化签名已经成为发展的大趋势，电子签名法也有望在近期出台。届时，电子签名将具有与手写签名一样的法律地位。但是，由于长期形成的习惯难于一时改变，加上很多场合还是只认可书写在纸面上的手写签名，广大用户既希望沿用传统的纸面手写签名，又希望能够将其应用到信息系统中，使法律认可的纸面签名特性得到自然延伸。

为此，人们开展了很多研究，努力实现签名的电子化与纸面手写签名的结合。目前，这方面的技术以手写板和声位笔为典型代表。但是，这种手写电子签名本质上还是靠密码来实现的，手写设备仅是为提取签名笔迹的图样提供了方法，该方案与传统的纸面签名完全不同。实践证明，简单地将书写笔迹数字化并不能成为纸面手写签名的电子化解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于纸面的手写签名电子化方法。该方法可以为用户提供将纸面签名平滑过渡到基于UD纸的电子签名，使该种电子签名的签名习惯、法律认可度得到自然延续。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种手写签名电子化方法，基于UD纸实现，所述UD纸为附着有特定编码信息的纸张，所述特定编码信息存于网络信息终端之中，形成该纸张的电子镜像纸，其特征在于包括如下的步骤：

(1)电子笔在所述UD纸上书写，电子笔上的摄像机记录书写的信息，并将载有书写信息的电子镜像纸传输到网络信息终端之中；

(2)所述电子镜像纸上的书写信息在所述网络信息终端中显示；该书写信息在所述电子笔内生成，并与UD纸上笔墨产生的书写信息形成同步的镜像；

(3)用户在所述UD纸上手写签名的信息作为水印签名存放在所述网络信息终端之中；

(4)别的用户在需要对签名进行真伪检验时，从计算机中调出所述水印签名，与用户的待验签名进行静态比对和动态比对，从而获得待验签名的真伪信息。

其中，

所述电子笔包括一个具有实际书写功能的笔和一个摄像机，所述摄像机安装在笔尖处的正上方，实时读取包括UD纸上的编码信息和笔书写痕迹在内的信息。

所述水印签名信息经过加密处理。

根据待验签名所在的UD纸上的用户标识信息或使用的电子笔上的标识信息辨识用户，由此从所述网络信息终端中调出所述用户存储的水印签名以进行比对。

需要进行文件跨地域审批时，本地信息系统将合成了本地审批信息的电子镜像纸通过互联网发送到对方审批地，审批地信息系统收到所述电子镜像纸之后，进入本地审批流程，审批地审批结束后，审批地信息系统将合成了审批地审批信息的电子镜像纸通过互联网发送回请求审批地的信息系统。

在所述网络信息终端中显示书写信息时，通过笔画的粗细反映用户书写力度的信息，通过笔迹灰度变化反映用户书写速度的信息。

本发明所述的基于纸面的手写签名电子化方法通过手写工具将手写信息写到信息系统中的电子镜像纸上，笔迹可以随着电子镜像纸在网络中传输、在数据库中存储。并且接收方可以很容易辨识签名，识别身份。本手写电子签名方法除了具有身份确认性、不可否认性、不可篡改性、机密性等特性以外，还具有方便、易用、直观的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为Anoto的二维点阵编码方案的示意图。

图2为Anoto笔的结构示意图。

图3为利用“水印签名UD纸”采集签名信息的方案示意图。

图4是使用本发明所提供的电子签名方法进行笔迹比对的过程示意图。

图5为笔迹动态比对过程的示意图。

图6为利用本手写签名电子化方法进行原件跨地域审批的流程示意图。

具体实施方式

实施本发明所述的基于纸面的手写签名电子化方法的第一个关键技术在于生成UD纸。UD纸是本专利发明人独立提出的一个新概念，它是指附着有特定编码信息的纸张，该特定的编码信息可同时存在于数字设备之中，形成该纸张的电子镜像。象这样附着有编码信息，并且该编码信息与实际纸张形成一一对应的绑定关系的纸就称为UD纸，而存在于数字设备中的编码信息就是该UD纸的电子镜像，我们将之命名为电子镜像纸。概括地说，UD纸是实际纸张和电子镜像纸的复合。实际纸张与电子镜像纸的绑定关系一经确定就是固定的，不可能再更改。上述的编码信息可以由专用读码设备进行读取，并且该专用读码设备与载有电子镜像纸的数字设备相连接，可以实现纸面上的信息与电子镜像纸的信息保持一致。

在生成该UD纸的过程中，最大的技术难点在于编码方案的确定。由于电子镜像纸和实际的UD纸是一一对应的，在实际使用中，不应该也不可能限制用户在实际纸张上书写的位置，因此，编码信息应该分布在纸张的各个角落。另一方面，出于安全防伪和方便性的考虑，UD纸上附着的编码信息应该在很大的范围内不会重复，即范围内每一张UD纸都可以具有自己独有的编码信息，通过读取编码信息即可确定是哪一张UD纸。本发明人经过研究，认为采用二维条码编码方案比较适合实现本发明。

二维条码分为两类，其中一类是由矩阵码和点代码组成，其数据是以二维空间的形态编码的，通称为矩阵码，另一类是包含重叠的或多行条码符号，其数据以成串的数据行显示，通称为层排式二维码。对本发明而言，采用矩阵码是一种比较理想的方案。矩阵码是把图文和数据编码后，转换成一个二维排列的多格黑白小方块图形。这种码的住处由数据小方格来表达。这种矩阵码也称ID矩阵码。一般可输入2000个以下任何国家的文字或各种数据、密码。依需要，矩阵图像可大可小，大可至14平方英寸，最小可至0.001平方英寸。印在标识或商品上的矩阵码通过摄像机将码的图形输入计算机，经图形识别处理后可在计算机上显示矩阵图形所有存储的信息。

现有的矩阵码编码方案有很多种，包括快速响应矩阵码(简称QR码)，Vericode码、Data matrix码等。它们都可以用来实施本发明。瑞典Anoto公司在申请号为00813598.3的PCT国际申请中提供了一套二维点阵编码方案。该方案是实现本电子镜像纸的较为理想的技术方案。概括地说，该编码方案是这样的：使用第一循环数列，此数列的特征是每个为预定长度的数字序列在数列中的位置被无歧义地确定；在表面上多次打印出第一循环数列，使用第一循环数列的不同循环移位，从而在相邻的数列之间出现预定量的位移；在编码打印过程中，把物体表面分成在第一方向上的多个第一编码窗口，每个编码窗口都包括至少三个第一循环数列并且有一个数列重叠在相邻第一编码窗口的一个数列上；以及，当打印出第一循环数列时，使用第一循环数列的此种循环移位，从而通过属于编码窗口的第一循环数列之间的位移来对每个第一编码窗口在第一方向上的位置进行编码。关于该编码方案更详细的说明，请参阅该专利申请的说明书，在此不再赘述。

利用Anoto公司提供的二维点阵编码方案，可以采用普通的印刷技术将该编码印在普通纸上。如图1所示，每6×6个点组成的编码点阵作为最小的信息单元，表示特定的信息。在这个编码点阵之中，每一个点在设定的坐标上有4个方向，点间的距离为0.3mm，这样所有的编码点阵能够表示的面积有欧亚大陆的总面积那么大，相当于1000万亿页A4纸的大小，从而保证电子镜像纸在数量上满足全世界用户的应用需求。

需要特别指出的是，本发明中所说的实际“纸”张只是一种通俗化的说法。编码信息可以附着在任何能够书写和制作的物体表面，如：纸张、木板、金属、塑料等。因此，本发明所述的UD纸并不限于使用实际的纸张，只要能够书写和制作的表面都可以生成上面所述的UD纸。

在解决了UD纸的问题之后，下一步要解决的关键技术是该编码信息的读取问题。前面已经提到，该编码信息可以采用不同的编码方案，对应于不同的编码方案也有不同的编码信息读取设备。但无论是何种读取设备，所采用的无外乎是半导体摄像读取或者激光扫描读取两种方式。读取完毕之后，由处理器进行识别。作为成熟的现有技术，在此就不一一介绍了。

概括地说，实施本发明所使用的编码读取设备可以是一个高速摄像机和一只具有实际书写功能的笔的组合。我们将之简称为电子笔。该高速摄像机可以采用半导体元件如CCD。它安装在笔尖处的正上方，能够实时读取UD纸上的信息，包括UD纸上的编码信息和笔书写的痕迹。

Anoto公司也提供了读取上述Anoto二维点阵编码方案的特有设备—Anoto笔。该Anoto笔如图2所示，内置有高速摄像机、笔芯/压力传感器、处理器、存储器、电池、蓝牙/USB通信单元。它除了具有普通笔的书写功能之外，在笔尖处的正上方安装有一个微型高速摄像头，该摄像头以每秒中70—100帧的速度采集书写的笔迹与纸面上的二维点阵之间的位置关系，由内置的处理器进行处理，通过读取并识别笔所经过的点阵编码，即可获取笔尖在纸面上的运动信息，进而还可以记录每个采样编码的时间戳、压力值。这样，用户签名的书写速度、笔顺、书写压力、起落笔时间差等重要的签名生物特征就可以被识别并记录下来。利用该电子笔尾端的蓝牙/USB通信单元，还可以将这些信息发送给别的网络信息终端如手机，便携式计算机等。

除了上面介绍的电子笔之外，现有的手写板、声位笔等产品在满足一定条件之后也可以成为本发明所述的UD纸和电子笔。该条件就是在板体的表面制做上述二维条码，并且在计算机中存储该二维条码的信息。

上面介绍了实施本电子签名方法所依赖的UD纸和电子笔的有关内容。下面具体说明本电子签名方法的具体步骤和一些应用方案。

实施本电子签名方法所依赖的硬件设备除了包括上面提到的UD纸、电子笔之外，至少还需要具有一台具有一定数据处理能力和存储容量的网络信息终端。该网络信息终端可以是现有的高档智能手机，也可以是PC机。它应该具有有线或者无线通信功能，以方便与电子笔进行连接。

作为本电子签名方法的第一个步骤，首先是采集用户的签名信息。采集签名信息可以有多种方式，但都具有一个共同的特点，就是要使用电子笔在UD纸上书写。前面已经提到，电子笔在UD纸上书写的同时，电子笔上的微型摄像机会以肉眼无法识别的高精度采样UD纸上的编码信息，采样点编码在电子镜像纸上有唯一的位置，电子笔同时记录每个采样点的时间戳、压力值，这样可以在电子镜像纸中产生笔迹的镜象信息及书写特征信息。前面已经提到，UD纸与电子镜像纸是彼此绑定的，而且保持动态同步的关系，因此，电子笔在UD纸上书写的每一笔都在电子镜像纸上存有相应的记录。

在采集笔迹信息的过程中，通过笔画的粗细可以获得用户书写力度的信息，同时也可以获得书写速度信息，通过笔迹灰度变化可以反映书写速度，同时也兼顾书写力度。这样获得的视觉静态特征可以在电子文件中直接显示出来，让用户初步判断签名的真伪。

图3提供了一种利用“水印签名UD纸”采集签名信息的技术方案。该方案是这样的：将印刷有二维点阵编码的纸张设计成如图3所示的样式，即所谓的“水印签名UD纸”。图中的“开始”图标用以清除电子笔内内容，做好签名采样准备，签名区域用于书写用户的签名。当用户在签名区域签名时，电子笔读取并识别笔所经过的点阵编码，并记录每个采样编码的时间戳、压力值。

当用户签名完毕，电子笔将获得的笔迹信息发送给与之连接的网络信息终端。网络信息终端中内置有签名处理软件，它自动调用电子镜像纸的页地址所对应的签名处理模块来处理用户发送来的请求信息。该签名处理模块从接收到的请求信息中提取出签名信息，包括：采样点时间戳、采样点压力值等，加密这些签名信息。加密后的签名信息被称为水印签名。将此水印签名输出给网络信息终端中的数据库保存。

在本电子签名方法中，水印签名具有特殊重要的地位，因此数据库必须采取安全措施，务必确保水印签名的安全性。

使用该方案的系统得到水印签名后，可结合当前设置的水印签名的属主，将此水印签名存放到网络信息终端的数据库中备用，以完成水印签名的制作与存储。

生成水印签名的目的是为了便于以后比对签名。图4是使用本发明所提供的电子签名方法进行笔迹比对的过程示意图。首先，电子笔按照上述的步骤获取用户的水印签名，并存放在数据库中。用户在新的UD纸上书写签名之后，该UD纸上会有用户标识信息，另外，使用的电子笔上也有数字手写设备的标识，根据这些标识信息，可以从数据库中调出存储的水印签名以进行比对。网络信息终端在屏幕中以图像或者动画的方式一方面展现待验手写签名的手写速度、笔顺、压力、起落笔的时间差、书写压力等信息，另一方面也展现水印签名的手写速度、笔顺、压力、起落笔的时间差、书写压力等信息，以供人们进行比对。由此即可获得待验签名的真伪信息。在此，本发明提供了两种类型的签名笔迹比对方案。其一是静态比对方案，其二是动态比对方案，下面分别加以说明。

静态比对方案的核心在于重现电子签名的笔迹。笔迹的显示一定要体现出签名的力度，签名速度变化的特征。为此，首先要提供签名区域中的笔划数据。当网络信息终端中的笔迹重现软件模块接收到包含签名信息的数组后，进行解析，根据用户指定的参数(可以是某个Page Area的名称，也可以是划定的矩形区域)，判断哪些信息是需要提取的，并将需要显示的笔划存储在数组中。上述的数组既可以是程序执行时传递过来的动态数组，也可以从预先存储有签名信息的文件中读取出来。

笔迹重现软件模块进一步解析并提取出笔划的坐标数组和压力、时间基数组，从而得到了每个点的坐标值、压力值以及与上一点的间隔时间。首先根据压力值的大小进行分级，压力值越大等级也越高，从而意味着显示时该点的线宽也要越粗：然后根据间隔时间长短进行判断，与上一点的间隔时间越长，意味着经过该点时书写速度越慢，显示的时候该点的颜色就该越深一些。然而，考虑到书写速度对笔划粗细也是有影响的，对线宽必须根据速度做相应调整。同样，考虑到书写力度对笔划颜色深浅的影响，也要对得到的颜色值做相应调整。

当经过上面两个过程的基本判断后，笔迹重现模块开始在用户指定的输出窗体上进行显示，显示的基本方法是在每一笔各采样点之间进行连线，从而显示出用户书写过的字迹。在各点之间连线的时候也要进行判定：如果两点之间的压力差值过大，两点之间的笔画粗细相差很大，直接连线的时候会出现笔画突然变粗或变细的不协调情况，这时需要在两点之间插入新的点。插入的点数视两点之间压力值差而定，压力相差越大，插入的点也越多。新插入点处的线宽取二者的中间值，这样就保证了点与点之间笔画粗细过渡自然；同样，当两点之间的时间间隔值相差太大时，也会出现颜色突变的情况，这时也需要在中间插人新的点，新点的颜色取二者的中间值，这样就保证了灰度过渡自然。

当每笔中的样点都经过上述处理连线完成之后，整个签字就已经完美地显示出来了。电子文件中有需要显示电子签名的地方，可以调用该笔迹重现软件模块，来实现电子签名的显示。

由于采样点精度可以超过人眼识别范围之内，在数字环境下还原的笔迹是相当平滑细腻的，可以做到真实再现实际纸面上的笔迹。

动态比对的核心在于重现用户签名的过程。不同的人在签名时，由于书写习惯不同，运笔的先后顺序，书写速度等动态参数都会有所不同。有的人尽管善于模仿他人的笔迹，有时也可以做到以假乱真的地步，但是书写的过程却是模仿不来的。本发明利用这一特点，提供签名的动态过程来确保签名不会被伪造。

动态比对的过程如图5所示，用户首先需要给动态比对软件模块传递签名数据。该数据可以是指明包含签字信息文件所在的路径，也可以直接传递数组，动态比对软件模块再根据用户提供的参数(Page area名称或者是指定好的矩形区域)，提取出有用的笔划数组。由此，动态比对软件模块中的播放器获得了需要显示的内容和笔划的数目。

通过播放选择，用户可以选择在看“待验签名”、“水印签名”的书写过程。或者两种同时观看。

当用户点击“播放/暂停”按键时，动态比对软件模块根据用户的选择，对选定的签名按上面中提到的方法进行连线显示，连线时经过每点的时候都会根据该点的间隔时间值停顿等长的时间，这样就保证了连线速度和用户书写速度是一致的。

当用户点击“上一笔”、“下一笔”时，动态比对软件模块会根据选择绘出上一笔还是下一笔笔画。当用户点击“首笔”、“末笔”时，该模块还会根据选择绘出签字的第一笔或是最后一笔。

在上面的整个操作过程中，播放器中的滑动块会自动跟踪当前笔画是整个签名中的第几笔，从而调整到相应的位置。因此，也可以拖动滑动块完成查看笔划定位。

水印签名及待验电子签名中的一切手写生物特征如笔迹、笔顺、压力等，都可以以动画方式真实回放签名过程，以笔迹播放速度反映签名书写的真实速度，以粗细反映书写力度，以灰度变化反映书写速度，将两者所有手写生物特征做比对，就可以达到判定真伪的目的。

本发明所述的电子签名方法除了准确之外，还具有很高的安全性。前面已经提到，签名必须通过UD纸进行。任何更改也要通过UD纸来做，因为UD纸是以普通纸为基础的，所以在UD纸上所做的更改很容易被辨识出来。另外，在UD纸中写下的每一笔在对应的电子镜像纸中都有时间戳信息。这样既保证单纯在数字环境中无法改写电子签名，又可以借助UD纸保留下纸面更改痕迹和电子痕迹。

利用本发明所提供的手写签名电子化方法，可以轻易地实现包括文件原件审批、原件批注等功能。下面就对利用本发明所述方法实现原件审批的过程作一个简单说明。

在实现原件审批的过程中，使用的UD纸是独立印制的同一批次的空白UD纸，即该批次的点阵信息与其他办公场合所使用的UD纸的点阵信息完全不同，这样就能防止纸张被伪造。另外，每一个有权审批的领导都配备一只领导专用的电子笔。该电子笔仅限领导本人或者经领导授权的人员使用，每一位领导使用自己专用的电子笔对打印在空白UD纸上的文件进行审批。

在实际应用中，通常有三种不同的审批方式。

第一种是并行审批方式，它对文件递送的顺序没有严格的限制。在该方式下，由秘书将需要领导批阅的文件打印在上述空白UD纸上，送交目前有空闲批阅文件的领导处。领导收到文件后，像使用普通签字笔一样使用电子笔在文件上批注，圈改。电子笔与计算机以有线或者无线方式相连接，将领导签批的过程记录在与该UD纸对应的电子镜像纸上。这样，不仅能保证审批确实是在原件上进行，而且领导签批的过程也有相应的记录，从而防止有人冒用领导名义进行签批或者擅自删改签批的内容。

第二种方式是串行审批方式，这种方式对文件递送的顺序有严格的限制。在这种方式下，利用本手写签名电子化方法，不仅可以保证签批是在原件上进行的，而且由于领导在UD纸上写下的每一笔都在电子镜像纸中存有时间戳记录，因此领导们审批的顺序也可以通过该时间戳信息重现出来，这样，签批过程是否是遵循上述文件递送的顺序就可以一目了然了。

第三种方式是跨地域审批方式，用于异地审批。该方式在本地域的审批过程与上述两种方式一样，只不过在需要跨地域的时候，如图6所示，本地信息系统将合成了本地审批信息的电子镜像纸通过互联网发送到审批地，审批地信息系统收到发来的电子镜像纸，将该电子镜像纸代表的文件当作本地待审批文件进入本地审批流程，审批地审批结束后，审批地信息系统将合成了审批地审批信息的电子镜像纸通过互联网发送回请求审批地的信息系统。请求审批地的本地信息系统按照流程规定，将发送回的电子镜像纸按照本地审批流程继续流转，直至流转结束。在这种方式中，异地签批通过信息系统交换电子文件来完成，不仅提高了效率，而且也确保了安全性。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (6)

1.一种手写签名电子化方法，基于UD纸实现，所述UD纸为附着有特定编码信息的纸张，所述特定编码信息存于网络信息终端之中，形成该纸张的电子镜像纸，其特征在于包括如下的步骤：

(1)电子笔在所述UD纸上书写，电子笔上的摄像机记录书写的信息，并将载有书写信息的电子镜像纸传输到网络信息终端之中；

(2)所述电子镜像纸上的书写信息在所述网络信息终端中显示；该书写信息在所述电子笔内生成，并与UD纸上笔墨产生的书写信息形成同步的镜像；

(3)用户在所述UD纸上手写签名的信息作为水印签名存放在所述网络信息终端之中；

(4)别的用户在需要对签名进行真伪检验时，从计算机中调出所述水印签名，与用户的待验签名进行静态比对和动态比对，从而获得待验签名的真伪信息。

2.如权利要求1所述的手写签名电子化方法，其特征在于：

所述电子笔包括一个具有实际书写功能的笔和一个摄像机，所述摄像机安装在笔尖处的正上方，实时读取包括UD纸上的编码信息和笔书写痕迹在内的信息。

3.如权利要求1所述的手写签名电子化方法，其特征在于：

所述水印签名信息经过加密处理。

4.如权利要求1所述的手写签名电子化方法，其特征在于：

根据待验签名所在的UD纸上的用户标识信息或使用的电子笔上的标识信息辨识用户，由此从所述网络信息终端中调出所述用户存储的水印签名以进行比对。

5.如权利要求1所述的手写签名电子化方法，其特征在于：

需要进行文件跨地域审批时，本地信息系统将合成了本地审批信息的电子镜像纸通过互联网发送到对方审批地，审批地信息系统收到所述电子镜像纸之后，进入本地审批流程，审批地审批结束后，审批地信息系统将合成了审批地审批信息的电子镜像纸通过互联网发送回请求审批地的信息系统。

6.如权利要求1所述的手写签名电子化方法，其特征在于：

在所述网络信息终端中显示书写信息时，通过笔画的粗细反映用户书写力度的信息，通过笔迹灰度变化反映用户书写速度的信息。

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