手写签名作为一种基于生物特征的身份认证具有潜在应用价值。通过对书写过程中的信息进行实时获取，鉴定书写者身份真伪，是在线签名鉴别的主要研究内容。采用书写过程中的轨迹信息进行识别研究的工作比较多，包括书写位置及其衍生特征。与书写图像和轨迹等信息相比，书写力信息是隐藏的，不能被肉眼感知，难以被模仿，因此，基于书写力信息的身份认证比基于轨迹信息的鉴别具有更大的安全性。但是单独采用书写力信息进行签名鉴别是否可行仍是未知问题。对书写力信息的分析和特征提取是签名鉴别的关键，而力信息的获取则离不开硬件平台的设计。因此，如何设计合理的书写工具获取书写力信息，是首先需要解决的问题。为此，本文在北京市自然科学基金“面向签名防伪的力觉特征识别新技术研究”的资助下，以自主研发的签名数字笔硬件系统为对象，从数字笔测量原理入手，分析了动态坐标系、倾角信息和模板构造方法等设计因素对签名鉴别系统性能的影响，提出了提高系统识别率的方法。基于本文的实验得到的结果，从多个角度为基于力信息的数字笔工具的设计提供了理论依据。本文的主要内容包括：(1) 发现了现有数字笔存在动态坐标系的固有特性，提出了基于书写摩擦力方向的特征提取方法，并将三维书写力大小特征和方向特征有机结合用于签名鉴别。目前，数字笔的投影线在书写平面内的方位角变化无法获取，这是数字笔签名工具相对于书写板工具的固有缺陷。本文通过寻找书写力在动态坐标系下的变化规律，提出书写摩擦力方向这一新的特征，改善动态坐标系对系统识别率的不利影响。(2) 定量分析了数字笔设计中引入二维倾角信息的价值。由于数字笔的测量坐标系固连在笔身，因此要求使用者在每次签名时都要采取一致的初始握笔姿态，从而保证三维力信息测量标准的一致性。尽管现有数字笔通过一些措施能够保证使用者的初始握笔姿态，但是增加了数字笔复杂性和书写过程复杂性。为了消除初始握笔姿态的限制，本文通过引入二维倾角传感器，分析倾角信息在自由握笔姿态和固定握笔姿态方面对于系统的性能影响，有效消除了对书写者初始握笔姿态的限制。(3) 扩充了数字笔姿态信息，对比分析不同维数倾角信息对签名鉴别效果影响。在前期的三维书写力信息和二维倾角信息的数据库中，引入第三个角度信息，即方位角，建立六维书写信息数据库，包括三维笔尖接触力信息和书写笔的三维空间姿态信息，探究基于书写笔工具的签名鉴别系统中，引入第三维倾角信息的价值。结果表明，获得数字笔书写过程中的三维倾角信息，则可以固定数字笔的书写坐标系，完全消除动态坐标系的影响。本文从基于力信息的签名鉴别需求出发，建立了测量三维书写力和三维倾角信息的实验平台，并建立了一定规模的签名力觉信息数据库。基于所建立的实验系统，深入分析了硬件系统的若干设计要素对签名鉴别性能的影响，相应的研究结果为合理设计书写工具以及改进设备提供了参考依据，为进一步开展面向签名防伪的力觉特征模式识别算法研究奠定了基础。