Новый метод биометрии: биоакустическая подпись
Южнокорейские учёные изобрели новый метод биометрической идентификации: по звуковым волнам, проходящим через тело (палец). Оказывается, этот сигнал достаточно уникален у каждого человека. И лишён главной уязвимости оптических методов биометрии, таких как сканирование отпечатков пальца, радужной оболочки глаза или лица. Все эти методы по своей сути подвержены спуфингу с фотографированием «биометрического материала». Со звуковыми волнами так не выйдет, их нельзя сфотографировать.
Разработанная система биоакустической частотной спектроскопии модулирует микровибрации, которые распространяются через тело и генерируют уникальную спектральную характеристику. В тестах характеристика сохранялась в течение двух месяцев и обеспечила точность верификации 41 субъекта на уровне 97,16%.
По прогнозам, по мере распространения Интернета вещей и умных вещей биометрическая идентификация личности будет приобретать всё большее значение. Обычная биометрическая аутентификация опирается на изображения человеческого тела. Но как уже сказано выше, эти изображения могут быть скопированы злоумышленниками. Отпечатки пальцев подделать проще всего.
Отпечатки пальцев человека можно сфотографировать на стеклянной поверхности, на смартфоне, дверной ручке или другой гладкой поверхности, распечатать, вытравить на печатной плате, затем сделать копию из желатина — и «искусственный палец» готов.
Более надёжный вариант с использованием кальки и столярного клея, который срабатывает против Apple TouchID:
- Отпечаток фотографируется или сканируется с разрешением 2400 dpi. Сканировать можно напрямую с поверхности сенсора TouchID, положив смартфон в сканер.
- В фоторедакторе изображение конвертируется в чёрно-белую картинку, инвертируется и зеркалируется.
- Изображение распечатывается на прозрачной кальке с разрешением 1200 dpi.
- Полученная маска экспонируется на светочувствительную печатную плату в ультрафиолете.
Структуры, защищенные от ультрафиолета чёрными участками, не затвердевают, и их можно удалить. Это создает форму, которая служит шаблоном для искусственных отпечатков пальцев.
- На форму наносится тонкий слой графита для лучшего взаимодействия с ёмкостными датчиками TouchID.
- Затем на форму наносится столярный клей.
Он служит материалом-носителем, напоминающим кожу. Такая накладка на палец позволяет обмануть сканеры отпечатков.
Системы распознавания на основе радужной оболочки глаза считаются более точными, хотя поддельная радужная оболочка также изготавливается по фотографии человека с помощью принтера высокого разрешения и обычных контактных линз (см. видео со спуфингом сканера радужной оболочки глаза Samsung Galaxy S8).
Для копирования радужной оболочки достаточно фотографии человека, сделанной со средней дистанции в ночном режиме съёмки (для инфракрасного спектра). Фотография распечатывается на лазерном принтере с таким расчётом, чтобы размер радужной оболочки соответствовал размеру контактной линзы. Затем контактная линза накладывается на лист — и телефон разблокируется по этой фотографии.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи предлагают альтернативные методы биометрии, в том числе аутентификацию по отпечатку ладони, рисунку вен, по контуру уха, отпечаткам костяшек пальцев, носовым порам, а также комбинированные подходы мультимодальной биометрии. Тем не менее, все эти технологии по-прежнему зависят от структурных характеристик полученного оптического изображения и поэтому подвержены подделке с использованием скопированных биометрических данных.
Новая платформа для биометрической аутентификации работает принципиально иначе. Она основана на биодинамической реакции пальца в акустическом спектре. Это первая научная работа, которая предлагает использовать биакустику таким образом. Прежние акустические методы ограничивались распознаванием голоса и звуковыми сигнатурами дыхания, в то время как другие варианты оставались относительно неисследованными.
Ниже — схематическая иллюстрация платформы и концепции акустической идентификационной системы, в которой используется передача характеристик вибрационных сигналов через кости и ткани пальца.
(а) концепция; (b) анатомическое строение пальца, расположение микрофона и преобразователя (передатчика) на дистальной фаланге и пястной кости; © схема системы: cинусоидальный сигнал поступает на вход преобразователя и передаётся через палец, воспринимается микрофоном, демодулируется с помощью опорного сигнала, фильтруется фильтром нижних частот и оцифровывается аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера; (d) фотография руки на устройстве; (е) рентгеновский снимок кисти c расположением датчиков; (f) карта магнитуд эмпирически измеренного акустического сигнала от преобразователя, расположенного в конце пястной кости
На иллюстрации показано, как работает предложенная схема биоакустического зондирования. Когда люди прикасаются рукой к какому-то объекту, микровибрации распространяются через пальцы и руку, неся информацию относительно объектов, с которыми они взаимодействуют. Акустический сигнал передаётся по-разному из-за анатомических особенностей каждого тела. Таким образом, сигнал содержит анатомическую информацию о структуре тела, а именно о костной, хрящевой, сухожильной и мышечной ткани — и полагается на их геометрию, а также на биомеханические свойства.
Для аутентификации пользователь помещает палец на платформу, на которой передатчик сигнала (transducer) и акустический сенсор. Места возбуждения и зондирования выбираются таким образом, что акустический сигнал проходил через проксимальную и среднюю фаланги пальца. В частности, акустический сенсор расположен на 3 мм выше передней дистальной межфаланговой складки, которая является нижним концом дистальной фаланги. Передатчик расположен на расстоянии 50 мм от акустического сенсора, полностью покрывая длину средних фаланг пальца.
Эксперименты показали, что индивидуальная форма сигнала сохраняется при разной силе нажатия пальцем.
Повторяемость © и форма сигнала при разной силе нажатия (d)
Измерение производилось в диапазоне от 100 Гц до 3 кГц с шагом 10 Гц, что занимает 15 секунд. Возможно, с совершенствованием аппаратной части эти характеристики можно будет оптимизировать.
Начиная эксперимент, учёные беспокоились, что из-за изменения тканей и клеток сигнал будет изменчивым. Поэтому опыты повторили трижды с интервалом 30 дней. Они с удивлением обнаружили, что биоакустическая подпись совершенно не изменилась за это время. Хотя можно предположить, что по мере взросления и старения человека его анатомическая структура всё-таки достаточно значительно изменяется, чтобы повлиять на форму сигнала.
Это исследование дало и неожиданный эффект. Биоакустическая частотная спектроскопия оказалась настолько точной в анализе тканей, что изобретатели начали изучать возможность её применения даже для диагностирования скелетно-мышечных заболеваний.
Научная статья с описанием биоакустической подписи опубликована в журнале IEEE Transactions on Cybernetics (doi: 10.1109/TCYB.2019.2941281).
На правах рекламы
Воплощайте любые идеи и проекты с помощью наших серверов с мгновенной активацией на Linux или Windows. Сервер готов к работе через минуту после оплаты!
