Биометрическая аутентификация

При рассмотрении систем биометрической аутентификации особое внимание должно быть уделено точностным характеристикам:

• вероятности ошибочного отказа сотруднику (False Reject Rate, FRR);

• вероятности ошибочного пропуска злоумышленника (False Acceptance Rate);

• ординате точки пересечения кривых FRR и FAR (Equal Error Rate).

Рисунок радужной оболочки. Радужная оболочка (окрашенная часть, ирис) каждого глаза абсолютно уникальна. Даже у однояйцовых близнецов рисунки радужек разные. Радужная оболочка защищена от внешней среды роговицей и тканевой жидкостью; в отличие от сетчатки, однако, радужная оболочка ясно видна на расстоянии. Случайные рисунки ириса созданы сплетением сетчатой структуры соединительной ткани и других видимых признаков (слоев, борозд, корон, впадин, пятен и т. п.) Рисунок ириса стабилен в течение всей жизни. Пример рисунка ириса показан на рис.5.2 (с сайта www.iriscan.com).

  Рис. 5.2. Рисунок ириса

Система System 2000EAC фирмы IriScan использует технологию анализа радужной оболочки. Основной режим работы системы – идентификация. Процесс идентификации по ирису начинается с получения изображения глаза. Для считывания пользователю достаточно посмотреть на специальное отверстие с расстояния примерно 1 м. Далее на изображении выделяются границы зрачка и радужки, исключаются зоны, прикрытые веком, устраняются блики, определяется фокус для обработки изображения. Затем изображение ириса обрабатывается и кодируется. Поиск в базе данных осуществляется в реальном времени, поэтому скорость идентификации достаточно высока (при 10 тыс. зарегистрированных пользователей она составляет 2 сек). Непосредственно в устройстве может храниться информация о 1500 пользователей. При хранении данных на компьютере число пользователей не ограничено. Для работы в режиме аутентификации возможно подключение считывателей.

Очки и контактные линзы не являются помехой работе системы. Реакция ириса на свет и естественное колебание зрачка делают невозможным обмануть систему при помощи подстановки фотографии.

Основные характеристики системы приведены в табл.5.2.

Таблица 5.2. Основные характеристики системы аутентификации по рисунку ириса глаза

Название продукта	Уровень FRR, %	Уровень FAR, %	Значение EER, %	Цена, долл.
System 2000EAC	0,00066	0,00078	0,00076

Расположение кровеносных сосудов сетчатки глаза. Ряд биометрических систем проводит автоматическую аутентификацию человека на основании уникальной картины расположения кровеносных сосудов сетчатки глаза (глазного дна). Исследованиями подтверждена уникальность рисунка кровеносных сосудов сетчатки глаза.

При работе подобных систем пользователи должны смотреть в видоискатель прибора. Участок сетчатки сканируется неполяризованным светом низкой интенсивности, испускаемым ИК - диодами. Различная интенсивность отраженного света отображает расположение кровеносных сосудов.

Продукт Icam 2001 компании EyeDentify относится к разряду рассматриваемых продуктов. Основные характеристики этой системы приведены в табл.5.3.

Таблица 5.3. Основные характеристики системы аутентификации на основании уникальной картины расположения кровеносных сосудов сетчатки глаза

Название продукта	Уровень FRR, %	Уровень FAR, %	Значение EER, %	Цена, долл.
Icam 2001	0,4	0,001	-

Системы аутентификации на основе анализа особенностей глаза обладают очень высокой точностью. В частности, система фирмы IriScan считается самой точной биометрической системой в настоящее время. Недостатки подобных систем - высокая цена и неудобство использования. Процесс получения изображения глаза неприятен пользователям – многие стараются избежать аутентификации, защищая свои глаза.

Область применения технологий аутентификации по особенностям глаза – объекты высокой степени секретности.

Папиллярные узоры. Кожа человека состоит из двух слоев. Наружный слой называется эпидермисом, а второй, более глубокий, - дермой. Поверхность дермы, прилегающая к эпидермису, образует многочисленные выступы - так называемые дермальные сосочки. На ладонных поверхностях кистей, в частности пальцев, дермальные сосочки складываются в ряды. Поэтому эпидермис, повторяющий строение внешнего слоя дермы, на этих участках тела образует небольшие складки, отображающие и повторяющие ход рядов дермальных сосочков. Эти складки называются папиллярными линиями и отделяются друг от друга неглубокими бороздками. Папиллярные линии, особенно на поверхностях пальцев кисти, образуют различные узоры, называемые папиллярными узорами.

Рисунок папиллярного узора на протяжении всей жизни человека остается неизменным, размер узора окончательно фиксируется к 18 – 20 годам. Папиллярный узор каждого пальца любого человека индивидуален и присущ только этому пальцу. После любых повреждений эпидермиса, не затрагивающих сосочков дермы, папиллярный узор в процессе заживления восстанавливается в прежнем виде. Если повреждены сосочки дермы, то образуется рубец, в определенной мере деформирующий в этом месте узор, но не изменяющий его первоначального общего рисунка и деталей строения в других местах.

Для ввода образа отпечатка пальца используется несколько типов датчиков. Существуют датчики, измеряющие электроемкость выступов и впадин на коже пальца. Действие оптических датчиков основано на том факте, что зоны контакта выступающих папиллярных линий имеют более низкий коэффициент отражения света. Ультразвуковые датчики позволяют минимизировать влияние на результат распознавания грязи и пыли. Перспективна технология получения, обработки и хранения голограмм отпечатков.

Характеристики наиболее популярных систем аутентификации по отпечаткам пальцев приведены в табл. 5.4.

Таблица 5.4. Основные характеристики системы аутентификации по отпечаткам пальцев

Название продукта	Уровень FRR, %	Уровень FAR, %	Значение EER, %	Цена, долл
TouchLock II	< 1	0,0001	-
TouchStone	-	-	-	-
FIC-2000I	1,0	0,0001	-
Puppy Logon System	< 1	< 0,1	-
NRIdentity	-	-	1,0?	400?
Ultra-Scan 500 series	-	-	-	-
U.are.U		0,01	-
Identicator DFR-90	-	-	-	-
SecureTouch	-	-	-
Securex	-	-	-	-
SACcat	0,2	0?	-	600-700
Кордон	1,0	0,0001	-	-
ЛОМО Интэк	< 2	< 0,001	-
Академмедфонд	-	-	0,01?
FAT01		-	0,01	-
Fin-Net	-	-	0,01	-
AFIS	-	-	0,01

В некоторых системах предусмотрена корректировка изображения в соответствии с состоянием кожи пальца – возможны настройки контрастности и яркости и регулировка уровня белого.

Папиллярные узоры ладоней имеют меньше уникальных черт, чем узоры пальцев. Однако несколько продуктов, использующих такой принцип идентификации, находятся в стадии разработки или уже выходят на рынок. Все они разрабатываются для объектов с невысокими требованиями к уровню безопасности.

Достоинства систем идентификации по папиллярным узорам - небольшие размеры устройств, удобство (можно встраивать сканеры даже в клавиши), невысокая (и постоянно снижающаяся) стоимость систем, высокая точность. К недостаткам технологии следует отнести возможность влияния на результат следов предыдущего отпечатка, порезов, грязи. В отечественных источниках указывают на психологическую проблему при применении дактилоскопии – у большинства людей снятие отпечатков пальцев устойчиво ассоциируется с криминалистикой.

Области применения технологии – управление доступом в режимные помещения, к источникам информации (в т. ч. к компьютерам и вычислительным сетям), юридическое подтверждение права на использование различных документов и пластиковых карт.

Форма кисти руки. В некоторых биометрических системах при аутентификации человека анализируется форма кисти руки, пальцев. Ведутся исследования в области автоматического измерения геометрических характеристик руки целиком.

Несмотря на изменение формы кисти как с течением жизни человека, так и за относительно короткие сроки, практически постоянными остаются отношения размеров, форма пальцев, расположение суставов. В современных системах распознавания по форме руки применяется компенсация – образец корректируется при каждой успешной аутентификации. Принцип аутентификации по кисти руки человека поясняет рис. 5.5, а некоторые характеристики наиболее распространенных систем приведены в табл. 5.5.

  Рис. 5.5. Аутентификация по форме кисти руки  

Система Digi-2 фирмы BioMet Partners, Inc. идентифицирует человека по форме и трехмерным характеристикам двух пальцев (указательного и среднего), расположенных в форме латинской буквы V.

Устройство ID3D HandKey фирмы Recognition Systems, Inc. анализирует ширину ладони и пальцев в нескольких местах, длину, ширину и толщину пальцев. Рука освещается инфракрасными лучами, а установленная сверху видеокамера регистрирует ее вид. В поле зрения камеры оказываются также боковое зеркало, дающее информацию о толщине ладони. В случае, когда сканирование полной кисти невозможно (например, отсутствует палец), устройство может работать с частью кисти. Ошибка первого рода составляет для устройства 0,1%, а на испытаниях, проведенных Сандийской Национальной лабораторией, вероятность трехкратного отказа зарегистрированному пользователю составила 0,03%. Возможное количество пользователей для автономного устройства – 20736, при хранении базы на компьютере число пользователей не ограничено.

Существует отечественный аналог этого устройства - "ГЕОР".

Таблица 5.5. Основные характеристики систем аутентификации по кисти руки

Название продукта	Уровень FRR, %	Уровень FAR, %	Значение EER, %	Цена, долл
Digi-2	0,01	0,01	0,01	-
HandKey ID3D	0,1 (0,03)	0,1	0,1

Системы аутентификации по форме руки просты и удобны в эксплуатации. К недостаткам следует отнести громоздкость считывателей и меньшую, чем, например, у сканеров отпечатков пальцев, точность. Области применения – аутентификация посетителей в офисах, производственных помещениях, т. е. в местах, где из-за грязи затруднено применение сканеров отпечатков пальцев.

Особенности лица. Наиболее распространенный метод аутентификации лиц основан на так называемых картах линий одинаковой интенсивности. Эти карты состоят из линий, соединяющих элементы изображения с равным уровнем яркости (интенсивности отраженного света). Аутентификация человека выполняется путем сравнения формы линий одинаковой интенсивности. Метод имеет ряд достоинств: легко реализуется программными и аппаратными средствами, позволяет отражать в описании трехмерную структуру лица, обеспечивает высокую точность распознавания личности, даже если человек в очках или с бородой.

Применяется метод аутентификации человеческого лица по профилю, извлеченному из трехмерных данных изображения лица. Точность распознавания в данном методе слабо зависит от расстояния между наблюдаемым объектом (лицом) и камерой, а также от угла поворота головы.

В табл. 5.6 приведены некоторые характеристики наиболее распространенных систем аутентификации по лицу.

Таблица 5.6. Основные характеристики систем аутентификации по лицу

Название продукта	Уровень FRR, %	Уровень FAR, %	Значение EER, %	Цена, долл.
	TrueFace Logon	-	-	-	Порядка 100-300 долл., включая стоимость видеооборудования
	FaceIt PC	< 1	< 1	-
	Face Guardian	-	-	-
	Face-Rec	-	-
	-	-	-	1,2
	-	-	-	6,7

Программа TrueFace Logon компании Miros Software сравнивает изображение с видеокамеры с эталонным, записанном, например, на смарт-карте. Слабая освещенность или цвет кожи программе не помеха. Алгоритм приспосабливается к изменениям прически, наличию или отсутствию очков, выражению лица и т. д. Программа разрабатывалась для аутентификации пользователей в корпоративных вычислительных сетях.

Программа FaceIt PC для ОС Windows 95 корпорации Visionics Corp. сканирует изображение лица в режиме реального времени, что увеличивает стоимость оборудования (требуется плата захвата видеоизображения и предъявляются повышенные требования к производительности компьютера). Программа способна анализировать движущиеся лица, может выделять лицо в группе людей. Утверждается, что предусмотрена защита от обмана системы посредством предъявления фотографии. Время идентификации в режиме «движущегося изображения» составляет 0,1-0,2 сек, а в режиме «статического изображения» - 3 сек.

Системы аутентификации, анализирующие особенности лица, отвечают практически всем требованиям, предъявляемым к биометрическим системам. Такие БС просты и удобны в использовании, имеют приемлемую скорость работы, хорошо воспринимаются пользователями, дешевы. Недостатки – возможность ввести систему в заблуждение, сильная зависимость точности распознавания от освещенности.

Области применения - криминалистика, сфера компьютерной безопасности.

Термографическая карта лица. Метод лицевой термографии базируется на результатах исследований, показавших, что вены и артерии лица каждого человека создают уникальную температурную карту. Специальная инфракрасная камера сканирует фиксированные зоны лица. Результат сканирования – термограмма – является уникальной характеристикой человека. Даже у однояйцовых близнецов термографическая картина различается. На точность системы не влияет ни высокая температура тела, ни охлаждение кожи лица в морозную погоду, ни естественное старение организма человека. Термограмма сохраняется после пластической операции, не зависит от освещенности (можно проводить идентификацию даже в темноте).

Компания Technology Recognition Systems разработала аппаратно – программную систему идентификации человека по термографической карте лица. Система обладает очень высокой надежностью. Главный недостаток системы - очень высокая стоимость инфракрасных видеокамер (комплект для предприятия предлагается за 55 тыс. долл).

Рисунок вен за запястье. Рисунок сухожилий и сосудов на запястье человека индивидуален. На этом основано устройство аутентификации, сканирующее поверхность запястья с помощью инфракрасного излучения.

Преимущество предлагаемой технологии – невозможность случайного или умышленного повреждения рисунка сосудов запястья, в отличие, например, от рисунка отпечатков пальцев.

В настоящий момент надежность и практичность указанной технологии не доказана.

Форма уха. Результаты исследований, опубликованные в Европе, США и Японии, показывают, что уши людей сильно различаются по морфологическим и анатомическим признакам. Параметры ушей в целом формируются в возрасте 16–17 лет. Несмотря на то, что уши немного изменяются и далее на протяжении всей жизни человека, для практических приложений этим изменением можно пренебречь.

В настоящее время проблема наследования особенностей ушей носит лишь теоретический характер.

Особенности голоса. Использование технологии распознавания человека по голосу основано на анализе таких характеристик голоса, как тембр, спектр сигнала, акцент, интонация, сила звука, скорость речи, вибрации в гортани, носовые звуки и т.д.

В зависимости от того, необходима ли идентификация (узнавание) или аутентификация (подтверждение) личности, применяются различные методы распознавания.

Существуют методы идентификации говорящего, как зависимые от содержания речи, так и не зависимые от него. В некоторых методах точность распознавания увеличена благодаря использованию текстовой подсказки, когда проверяемый человек повторяет фразу, «произнесенную» машиной.

Существует так называемый гибридный метод анализа речи. С помощью данного метода можно объединять акустическую и лингвистическую обработку (т. е. обработку звука и выделение слов и фраз).

В других комбинированных методах параллельно с анализом голосовых признаков обрабатываются изображения формы рта. В качестве признаков речевого сигнала используется спектр мощности сигнала, а в качестве дополнительной информации - признаки геометрической формы рта.

Основная техническая проблема при распознавании голоса – зашумленность сигнала.

Характеристики некоторых биометрических систем голосовой аутентификации приведены в табл 5.7.

Таблица 5.7. Основные характеристики систем голосовой аутентификации

Название продукта	Уровень FRR, %	Уровень FAR, %	Значение EER, %	Цена, долл.
	Voice Guardian				Определяется стоимостью программного обеспечения и составляет в среднем 50 – 200 долл.
	SpeakerKey	4,3	0,66
	«Кристалл»	2-4	0,7	-
	Texas Instruments	-	-	2-3

Системы аутентификации по голосу позволяют на базе обычного телефонного оборудования и недорогих звуковых плат проводить аутентификацию удаленных пользователей. Аутентификация по голосу оказалась наиболее подходящей биометрической технологией для системы платежей по кредитным картам проекта CASCADE.

Достоинством таких систем является низкая цена оборудования (причем необходимое аппаратное обеспечение входит в стандартную комплектацию современных компьютеров). Недостатки - малая скорость работы, более низкая надежность по сравнению с большинством биометрических методов. На результатах проверки может сказываться небрежность, физическое и эмоциональное состояние человека, болезнь и т. п. (это относится ко всем биометрическим системам, основанным на анализе психологических параметров организма).

Область применения технологии - управление удаленным доступом в закрытые программные системы.

Особенности почерка. Методы распознавания по особенностям почерка делятся на две группы: анализ только изображения и анализ изображения вместе с анализом динамики письма.

При анализе почерка выполняются такие этапы работы, как считывание и оцифровывание знаков, сегментация (в процессе сегментации производится сглаживание, устранение помех), подавление шумов, выделение непроизводных элементов, распознавание, идентификация символов. Сначала выделяются отдельные строки текста, затем отдельные знаки, а на последнем этапе - признаки выделенных знаков.

При анализе почерка интерес представляют такие его особенности, как расположение точек над знаками, палочек у символов, точек поворота, положение мест отрыва пера от бумаги, точек пересечения, петель, прямолинейных участков, сегментов, длины и положения линий подъема и спуска и т. п. В качестве признаков могут использоваться такие структурные характеристики знаков, как отверстия, вогнутости контура, концевые точки.

При анализе особенностей динамики письма сбор информации может происходить двумя способами. Во-первых, может использоваться перо со средствами восприятия силы его нажима на поверхность. Во-вторых, информация может быть получена при использовании чувствительной пластины со средствами восприятия положения точки на поверхности пластины. При появлении на поверхности написанных от руки символов регистрируются одновременно динамические усилия, воздействующие на кончик узла при письме, и положение наносимых обозначений относительно точки отсчета. Далее могут анализироваться такие динамические характеристики письма, как скорость, ускорение, порядок штрихов и т. д.

Табл. 5.8 содержит данные о некоторых биометрических системах аутентификации человека по почерку.

Ручка SmartPen разработана фирмой IMEC. Ручка беспроводная, в нее вмонтирован радиопередатчик с криптографической защитой. Ручкой можно расписываться на обычной бумаге.

Ручка, разработанная фирмой IBM, имеет три пьезоэлектрических датчика: один измеряет давление вдоль оси пера, два других – ускорение. За 12,5 сек выполняется около 1000 измерений параметров.

Таблица 5.8. Основные характеристики биометрических системах аутентификации человека по почерку

Название продукта	Уровень FRR, %	Уровень FAR, %	Значение EER, %	Цена, долл.
	PenOp	-	0?	-	Порядка 100-300 долл.
	ID-007	-	-	1,0
	SmARTwriter	-	-	-
	«Кристалл»	1-3	1,0 (0,001)	-
	IBM	0,2	0,4	-

Известны биометрические системы, анализирующие до 42 статических и динамических параметров подписи.

Системы аутентификации по почерку имеют относительно невысокую стоимость. Недостатком таких систем является то, что на результатах распознавания может сказываться физическое и эмоциональное состояние человека. Системы имеют невысокую скорость работы.

Области применения этих БС – удостоверение подписей и подтверждение личности в банковской и компьютерной сфере.

Динамические характеристики работы на клавиатуре. Рассматриваемая биометрическая технология основана на уникальности динамических характеристик («клавиатурного почерка») каждого человека.

В системах аутентификации по динамическим характеристикам измеряются промежутки времени между нажатиями клавиш, длительности их удержания и взаимного перекрытия.

Приближенная оценка вероятностей ошибок первого и второго рода для данной биометрической технологии составляет соответственно FRR=9%, FAR=8%.

Недостаток биометрической технологии лежит в юридической области - при использовании программного обеспечения, анализирующего клавиатурный почерк, возможен скрытый контроль над сотрудниками (наблюдение за активностью их работы на компьютере). Другой недостаток – система может быть эффективно использована только лицами, обладающими устойчивым клавиатурным почерком и имеющими достаточно высокую скорость ввода.

Область применения – системы управления доступом к компьютерам и терминалам.

Вопросы для самоконтроля

1. Основные задачи, которые решает подсистема контроля и управления доступом (СКУД).

2. Модель управления доступом.

3. Что такое идентификация и аутентификация?

4. Требования к аппаратурным элементам СКУД.

5. Методы и средства аутентификации (парольная, жетонная, удостоверения, штриховой код).

6. Методы и средства аутентификации (карты с магнитной полосой, проксимити-карты, смарт-карты, электронные ключи).

7. Методы и средства аутентификации (оптический код, магнитный точечный код, виганд-карты).

8. Методы биометрической аутентификации (рисунок радужной оболочки глаза, расположение кровеносных сосудов сетчатки глаза).

9. Методы биометрической аутентификации (папиллярные узоры, форма кисти руки, рисунок вен на запястье).

10. Методы биометрической аутентификации (особенности лица, термографическая карта лица, форма уха).

11. Методы биометрической аутентификации (особенности голоса, особенности почерка, динамические характеристики работы на клавиатуре).

12. Какова роль считывателей, управляющих и преграждающих устройств в системах контроля и управления доступом?

13. Назовите способы защиты кодонаборников от подсматривания.

14. Каковы принципиальные недостатки систем аутентификации, основанных на измерении биологических характеристик человека?

15. Каковы принципиальные достоинства биометрических систем аутентификации?

16. Приведите примеры преграждающих устройств.

Дата добавления: 2015-07-08