Wstęp

Testowanie żywotności w biometrii od lat pozostaje ważnym i wciąż nie w pełni rozwiązanym zagadnieniem. Na problematykę testu żywotności zwrócono szczególną uwagę w roku 2002 po publikacji wyników [1] pozytywnej akceptacji sztucznych obiektów z wykorzystaniem uznanych na rynku systemów biometrii twarzy, odcisku palca i tęczówki (badania wykonano w Instytucie Fraunhofera w Darmstad przy współpracy z Niemieckim Federalnym Instytutem ds. Bezpieczeństwa w Systemach IT (BSI)). Dla przykładu, system biometrii tęczówki Panasonic ET100 wyposażony w oprogramowanie PrivateID firmy Iridian został z powodzeniem oszukany niezbyt wyrafinowanymi wydrukami tęczówki.

Podobne eksperymenty, wykorzystujące dodatkowe - w stosunku do eksperymentów przeprowadzonych w Niemczech - kamery dla biometrii tęczówki, wykonano w Japonii na Uniwersytecie w Jokohamie, a wyniki zaprezentowano podczas jednej z największych na świecie wystaw technologii biometrycznych w Londynie [4] w 2004 r. W testach wykorzystano trzy kamery (OKI IrisPass-h, Panasonic Authenticam ET100 oraz OKI IrisPass-WG). Tylko jedna z kamer (OKI IrisPass-WG) nie pozwoliła na rejestrację fałszywych wydruków tęczówki, natomiast wszystkie testowane systemy zaakceptowały wydruki tęczówki w fazie weryfikacji.

W Pracowni Biometrii NASK wykonano testy dwóch systemów komercyjnych podobne do eksperymentów przeprowadzonych w Japonii. Wyniki tych eksperymentów wykazały, iż system Panasonic ET100 (zakupiony w 2003 r.) wyjątkowo łatwo akceptuje wydruki tęczówki o rozdzielczości 600 dpi (ponad 70% akceptacji fałszywych wydruków). Podobne testy z bardziej zaawansowanym systemem Panasonic ET300 (zakupiony w 2004 r.) pokazały, iż również ten system nie jest wyposażony w metody będące w stanie odróżnić fałszywych obiektów od żywych oczu (ponad 15% akceptacji fałszywych wydruków).

Powyższe eksperymenty wykazały alarmujący brak zabezpieczeń przed tego typu atakami w znanych komercyjnych systemach biometrycznych. Niniejszy opis systematyzuje możliwe fałszerstwa systemów biometrii tęczówki z wykorzystaniem nieautentycznych obiektów, przytacza znane pomysły przeciwdziałania tego typu atakom oraz prezentuje zaprojektowane w Pracowni Biometrii NASK i przetestowane metody testu żywotności oka.

Systematyka fałszerstw i sposobów przeciwdziałania.

Od obrazu oka do żywego oka.

Papierowy wydruk tęczówki nie jest wyrafinowanym sposobem oszustwa w biometrii tęczówki, choć - jak się okazało - jest skuteczny w przypadku wiodących systemów komercyjnych. Kolejnym krokiem w zaawansowaniu technik oszustwa jest przygotowanie filmu, który imituje naturalne zachowanie oka, np. mruganie, ruchy gałki ocznej, chwilowe reakcje źrenicy na zmiany świetlenia (dynamika oka). Film realizujący z góry określony scenariusz zachowania się oka jest stosunkowo łatwy do rozpoznania. Możemy się jednakże spodziewać, iż oszust będzie mógł reagować w czasie pomiaru na polecenia systemu i prezentować odpowiednią dla sytuacji dynamikę zmian zdjęcia oka.

Idąc dalej ze złożonością możliwych sposobów oszustwa, możemy spodziewać się sztucznego oka z wydrukiem struktury tęczówki na jego powierzchni. Ruchy takiego obiektu mogą imitować nie tylko zachowanie się gałki ocznej jako całości, ale również procesy związane z akomodacją oka (np. deformację mięśnia tęczówki podczas jego kurczenia się). Ze ‘’sztucznym okiem’’ będziemy mieli również do czynienia w sytuacji wydruku odpowiedniego obrazu tęczówki na szkle kontaktowym. Trudno też wykluczyć drastyczną metodę polegającą na wykorzystaniu martwego oka w celu identyfikacji tożsamości - szczególnie biorąc pod uwagę, że biometria tęczówki coraz częściej wykorzystywana jest w kontroli dostępu do szczególnie cennych zasobów.

Na końcu rozważań dochodzimy do najtrudniejszej w identyfikacji sytuacji, w której osoba weryfikowana zostaje zmuszona do pomiaru biometrycznego wbrew jej woli. Propozycją metody ochrony w takim przypadku jest, prezentowana w dalszej części tej pracy, metoda wykorzystująca model dynamiki źrenicy. Skuteczność takiego rozwiązania zależy od wyników badań związanych z analizą korelacji pomiędzy przyjętym modelem a stanem psychofizycznym badanej osoby. Oczywiście trudne i bardzo czasochłonne jest przeprowadzenie odpowiednich testów.

Klasyfikacja metod ochrony przed fałszerstwami.

Problem testu żywotności podjęty został w literaturze po raz pierwszy przez Johna Daugmana [5,6]. Klasyfikacja idei związanych z możliwością zabezpieczeń kamer dla biometrii tęczówki pozwala na systematyczne podejście do konstrukcji właściwych metod testu żywotności. W dalszej części tekstu klasyfikujemy metody testu żywotności oka według stopnia złożoności, od najprostszych choć mało skutecznych do najskuteczniejszych, ale zaawansowanych.

Do pierwszej grupy zaliczymy metody analizujące zewnętrzne cechy oka. Analiza taka może być realizowana w sposób pasywny lub aktywny. Sposób pasywny dotyczy np. analizy częstotliwościowej zdjęcia tęczówki. Taka analiza wykazuje istnienie fałszywych częstotliwości związanych ze sztuczna regularnością, wprowadzoną do zdjęcia podczas fałszowania obiektu. Możemy zwiększyć wymiarowość obserwacji i dokonać trójwymiarowego pomiaru obiektu, lokalizując np. odblaski dodatkowych źródeł światła (najczęściej w podczerwieni), których położenie przy znanej krzywiźnie rogówki jest łatwe do obliczenia. Sposób aktywny pozwala na pomiar zmiennej charakterystyki oka, trudnej do imitacji przez fałszerza w czasie rzeczywistym. Przykładem takiej metody jest opisywana w dalszej części analiza stymulowanych odbić podczerwieni od rogówki.

Drugą grupę stanowią techniki analizujące wewnętrzną strukturę oka. Do tej grupy zakwalifikować można dwie propozycje Daugmana [6]. Pierwsza dotyczy analizy własności spektralnych melaniny, odpowiedzialnej za kolor oka; jej brak w sztucznych obiektach prowadzi do istotnie innej charakterystyki spektralnej. Druga propozycja wykorzystuje zjawisko odbić Purkiniego, polegających na odbiciach światła od wewnętrznych i zewnętrznych warstw rogówki i soczewki (razem cztery odbicia dla jednego źródła światła). Analiza zdjęć w dostępnych bazach danych pokazuje jednak, iż cztery odblaski mogą być jednocześnie obserwowane jedynie dla kilku procent zdjęć, co poddaje w wątpliwość niezawodność tej metody. Zwykle, przy większej niż wymagana dla celów rozpoznawania tożsamości, rozdzielczości pomiaru i odpowiedniej głębi ostrości obserwujemy dwa odbicia (od zewnętrznych warstw rogówki i soczewki), rys. 1.

Rysunek 1. Przykładowe dwie pary odbić Purkiniego (zdjęcie wykonane kamerą IrisCUBE skonstruowaną w Pracowni Biometrii NASK).

Metody ochrony zaliczane do trzeciej grupy bazują na dynamice oka. Podobnie jak poprzednio, możemy rozpatrywać tu pomiar pasywny i aktywny. W literaturze spotykamy się z informacją, iż średnica źrenicy oscyluje z częstotliwością 0.5 Hz, nawet w stałych warunkach oświetleniowych. Zjawisko to, tzw. hippus, może być pasywnie obserwowane i rozpoznawane w przypadku pomiaru żywego oka, rys. 2. Jednakże z naszych obserwacji wynika, iż amplituda tych oscylacji nie zawsze wystarczająco przewyższa amplitudę szumu obecnego w pomiarach, co może obniżyć dokładność takiej metody.

Rysunek 2. Przykład spontanicznych oscylacji średnicy źrenicy (górna krzywa) i zmiana średnicy źrenicy podczas typowej reakcji oka na jednostkowe skoki oświetlenia (dolna krzywa) [3,4]. Pomiary wykonane zostały kamerą IrisCUBE. Kolejne obrazy pobierane były w odstępie 125 ms.

Wydaje się więc, iż dynamika oka, którą chcemy obserwować, powinna być wynikiem współpracy użytkownika z urządzeniem. Takie podejście realizuje pomiar aktywny, a sama współpraca użytkownika z urządzeniem może być dwojaka. Osoba badana może w sposób świadomy reagować na polecenia kamery (np. podążać wzrokiem zgodnie z wymaganiami urządzenia), co jednak może okazać się niewygodne dla użytkowników, gdyż taki system wymagałby specjalnego treningu przed jego wykorzystaniem. Poza tym takie podejście byłoby trudne w implementacji w tzw. systemach negatywnej identyfikacji (rozpoznanie osób, które nie mają praw do chronionych zasobów). Wydaje się więc zasadne, aby wymuszona przez urządzenie reakcja oka pozostawała poza naszą kontrolą i nie interferowała z procesem rozpoznawania tożsamości. Takie podejście jest możliwe przy wykorzystaniu modelowania dynamiki źrenicy wywołanej zmiennym oświetleniem. Znanych jest wiele badań dotyczących odruchu warunkowego jakim jest reakcja źrenicy, a wyniki tych badań wykorzystywane są głównie w diagnostyce wybranych chorób neurologicznych. W latach 60-tych ubiegłego wieku rozpoczęto również badania zmierzające do stworzenia matematycznego modelu dynamiki źrenicy. Jeden z pierwszych (nieliniowych) modeli, zaproponowanych przez Clynes’a i Kohn’a w 1967 r. [7] modeluje dynamikę zmian średnicy źrenicy dla dodatniego i ujemnego jednostkowego skoku oświetlenia. Ten model zastosowany został do konstrukcji nowej metody testu żywotności opisanej w kolejnym rozdziale.

Wybrane metody testu żywotności dla biometrii tęczówki.

Niniejszy rozdział prezentuje trzy metody testu żywotności dla biometrii tęczówki skonstruowane w Pracowni Biometrii NASK. W jedną z tych metod (bazującą na analizie stymulowanych odbić podczerwieni) została wyposażona kamera IrisCUBE, druga natomiast (wykorzystująca model dynamiki źrenicy) jest w fazie patentowania międzynarodowego.

Bazy danych wydruków tęczówek.

W chwili obecnej nie istnieją ogólnodostępne bazy zdjęć wydruków (lub innych fałszerstw) tęczówek, które mogłyby posłużyć do konstrukcji i oceny metod testowania żywotności. Dla celów niniejszej pracy zostały więc przygotowane bazy zdjęć wydruków tęczówek dla 57 różnych tęczówek pochodzących od 29 osób.

Pomiary wszystkich tęczówek posłużyły do stworzenia bazy dla celów estymacji metod. W bazie tej zebrano 569 wydruków wykonanych różnymi technikami drukarskimi (wydruki kolorowe i czarno-białe, na nośnikach papierowych i folii transparentnej). W celu porównania jakości działania zaproponowanych metod z rozwiązaniami komercyjnymi, sześć osób, losowo wybranych spośród wszystkich uczestników testu, zostało zaproszonych na dodatkową sesję pomiarową, której celem było przeprowadzenie testów urządzeń komercyjnych oraz konstrukcja bazy testowej wydruków tęczówek. Baza testowa składa się z 144 wydruków 12 różnych tęczówek. Dodatkowo, każdy wydruk przeznaczony do testowania metod posiadał otwór w miejscu źrenicy - taki zabieg pozwala na oszukanie mechanizmów lokalizacji źrenicy stosowanych w kamerach.

Oczywiste jest, iż każdy z przygotowanych wydruków odznaczał się naturalnymi dla tęczówki rozmiarami. Rys. 3 prezentuje zdjęcia przykładowych wydruków o rozdzielczości 600 dpi wykonanych na trzech różnych nośnikach.

Rysunek 3. Przykładowe wydruki oka na różnych nośnikach (od lewej: papier matowy, papier błyszczący i folia transparentna) wykorzystane w testach urządzeń komercyjnych i zaprojektowanych metod testu żywotności.

Analiza częstotliwościowa (Frequency Spectrum analysis - FS)

Spektrum częstotliwościowe sygnału jest dobrym nośnikiem informacji o regularnych zakłóceniach występujących w sygnale (np. raster drukarki w obrazie tęczówki). Idea analizy częstotliwościowej obrazu pod katem fałszerstwa przed fazą rozpoznania tożsamości została zaproponowana w literaturze [5,6], jednakże jak dotąd nie powstało rozwiązanie materializujące pomysł istniejący od lat.

Prezentowana analiza częstotliwościowa ma ważną zaletę polegającą na braku konieczności ingerencji w konstrukcje istniejących kamer, gdyż wykorzystywane jest tutaj to samo zdjęcie tęczówki, które następnie służy rozpoznaniu tożsamości. Prosta metoda ma jednak wadę wynikającą z teorii Shanona: metoda zawiedzie w momencie gdy rozdzielczość wydruku jest co najmniej dwa razy większa od rozdzielczości kamer wykonujących zdjęcie tęczówki. Rozdzielczość tych ostatnich jest natomiast, wbrew obiegowej opinii, niewielka - standard ISO [9] słusznie klasyfikuje rozdzielczość na poziomie 10 linii na mm za wystarczającą dla potrzeb rozpoznania tęczówki.

Proponowana metoda bazuje na analizie amplitudy częstotliwości w pewnym, właściwie dobranym, zakresie częstotliwości, w którym spodziewamy się istotnego występowania „sztucznych częstotliwości” wynikających z wydruku, rys 4.

Rysunek 4. Zdjęcie i widmo amplitudowe autentycznej tęczówki (po lewej) i jej wydruku (po prawej). Widmo amplitudowe wydruku tęczówki wykazuje wyraźne fałszywe częstotliwości wynikające z możliwości drukarki.

Aby ocenić poziom ‘’sztucznych częstotliwości’’ w badanym obrazie, będących wynikiem możliwości maszyny drukującej, należy wybrać właściwy zakres częstotliwości. Intuicja podpowiada trzy podejścia:

1. Znajdujemy taki zakres częstotliwości, startując od składowej stałej (ale jej nie uwzględniając) aby osiągnąć maksymalnie rożne wyniki procentowej zawartości widma amplitudowego dla zdjęć wydruków i autentycznych tęczówek w wybranym zakresie.
2. Odwracamy ideę 1: znajdujemy taką procentową zawartość widma amplitudowego aby zakresy częstotliwości wynikające z tego wyboru maksymalnie różniły się dla zdjęć wydruków i autentycznych tęczówek.
3. Metodę 1. stosujemy dla okna częstotliwości nie rozpoczynającego się od składowej stałej.

Metoda 3 ma o jeden stopień swobody więcej niż metody 1 i 2, jednakże w przeprowadzonych eksperymentach okazała się ona najdokładniejsza ze względu na wyższą selektywność analizowanych częstotliwości.

Analiza stymulowanych odbić podczerwieni (Controlled Light Reflection analysis - CLR)

Idea analizy stymulowanych odbić podczerwieni wynika z prostego założenia o kulistości gałki ocznej i wilgotności rogówki. W celu konstrukcji i przetestowania metody, kamera IrisCUBE wzbogacona została o dodatkowe diody podczerwieni ulokowane w równych odległościach po obu stronach obiektywu. W niniejszej pracy użyto dwóch dodatkowych źródeł podczerwieni, co daje cztery możliwe stany odbić obserwowanych w obrazie tęczówki, rys. 5. Przy zastosowaniu N dodatkowych źródłach światła mamy oczywiście możliwość wygenerowania 2^N możliwych stanów.

Rysunek 5. Cztery możliwe stany odbić podczerwieni jakie można zaobserwować przy wykorzystaniu IrisCUBE. Widoczny odblask w centralnej części źrenicy jest wynikiem stosowania stałego oświetlenia tęczówki na potrzeby pomiaru.

Liczba dodatkowych źródeł podczerwieni jest w tej metodzie mniej istotna niż ich prawidłowe umiejscowienie - dodatkowe odblaski nie powinny pojawiać się w obrębie źrenicy, gdyż tak jak w przypadku systemów komercyjnych, wykonanie otworu w miejscu źrenicy pozwoliłoby na łatwe pominięcie tego zabezpieczenia. Dodatkowo odblaski powinni pojawiać się w miejscach, których zasłonięcie przez powieki czy rzęsy jest mało prawdopodobne.

Lokalizacja odbić, wykorzystująca laplasjan gaussowski, wymaga nieskomplikowanych i szybkich obliczeń. Zarówno zaobserwowany podczas pomiaru jak i wymagany obraz są następnie kodowane (z wykorzystaniem 2 bitów). Wykonując sekwencję pomiarów otrzymujemy zatem binarny kod dla obserwacji (wzorzec żywotności tęczówki) oraz kod reprezentujący zadane przez system konfiguracje odbić. Wymagana zgodność kodów (wyznaczona eksperymentalnie) aby uznać obiekt za autentyczną tęczówkę to 50%.

Analiza dynamiki źrenicy (Pupil Dynamics analysis - PD).

Modelowanie dynamiki

Model reakcji źrenicy na jednostkowe skoki oświetlenia zaproponowany w [7] składa się z dwóch torów zdefiniowanych przez transmitancje oraz nieliniowość w jednym z torów, których suma daje sygnał odpowiedzi, rys 6.

Rysunek 6. Model reakcji źrenicy na jednostkowe zmiany oświetlenia zaproponowany przez Manfreda Clynesa i Michaela Kohna [7].

Dolny kanał (inercyjny) z elementem opóźniającym reprezentuje długoterminowe zmiany średnicy źrenicy w wyniku pobudzenia, po którym kanał ten ustala nową średnicę źrenicy ze stałą czasową T3. Kanał górny (różniczkująco-inercyjny) modeluje zmiany krótkoterminowe i jest aktywny tylko dla dodatniego skoku oświetlenia (zwiększenie jasności) i modeluje zmniejszanie się średnicy źrenicy w pierwszej fazie a następnie jej powolne rozszerzanie do poziomu wyjściowego ze stałymi czasowymi T₁ i T₂.

Przyjęty model bierze pod uwagę fakt braku symetrii reakcji źrenicy na zwiększanie i zmniejszanie oświetlenia. Rysunek 7 prezentuje przykładowe wyjścia obu torów (linia przerywana) i ich sumy (linia ciągła) dla modelu zidentyfikowanego dla jednego pomiaru.

Rysunek 7. Przykładowe wyjście modelu dopasowanego do danych eksperymentalnych (linia ciągła). Linie przerywane reprezentują wyjścia torów.

Wyznaczanie cech żywotności tęczówki

Technika pomiarowa w przypadku każdego z uczestników eksperymentu nie odbiegała (poza czasem trwania) od techniki stosowanej podczas rejestracji lub weryfikacji tęczówki. System czeka 4 sek. aby zapewnić ustalenie się rozmiaru źrenicy po procesie akomodacji oka. Przez następne 4 sek. oko stymulowane jest widzialnym światłem o stałym natężeniu a proces reakcji źrenicy rejestrowany jest z częstotliwością 25 obrazów na sek. Taki scenariusz jest wystarczający do obserwacji dynamiki źrenicy dla celów testowania autentyczności. Eksperymenty wykonywane były w typowych warunkach w jakich pracują systemy biometrii tęczówki, w szczególności bez zachowania dbałości o niezmienność oświetlenia panującego w pomieszczeniu.

Pomiary prowadzą do szeregów czasowych reprezentujących zmiany źrenicy w czasie stymulacji. Dla każdego szeregu wyznaczane są (z wykorzystaniem znanych metod identyfikacji modeli) cechy żywotności tęczówki, którymi tutaj są parametry założonego modelu: stałe czasowe T₁, T₂, T₃, stałe opóźnień tau₁, tau₂, oraz wzmocnienia torów K_r i K_i.

Klasyfikacja

Dla danych wykorzystanych w tej pracy, wzmocnienia torów K_r i K_i okazały się parametrami najbardziej rozróżniającymi autentyczne obiekty od fałszywych wydruków. Powodem tego jest fakt, iż w przypadku fałszywego obiektu modelowany jest wyłącznie szum pomiarowy. Stąd zasadnym wydaje się wprowadzenie dwuetapowej procedury klasyfikacji. W pierwszej fazie sprawdzamy czy obiekt reaguje (w ogóle) na zadaną zmianę oświetlenia. Weryfikacja takiej hipotezy jest niezwykle prosta i polega na sprawdzeniu ograniczeń kostkowych dla parametrów K_r i K_i. Druga faza ma za zadanie rozstrzygnięcie czy przy zadanej stymulacji obiekt reaguje jak ludzkie oko. Klasyfikacja w drugim etapie wymaga zwykle użycia klasyfikatorów nieliniowych w przestrzeni wszystkich cech żywotności. W niniejszej pracy wykorzystano dwuwarstwową sieć neuronową z nieliniowymi funkcjami aktywacji neuronów zarówno w warstwie ukrytej jak i wyjściowej.

Przedstawiona metoda analizy dynamiki źrenicy jest (od września 2006) przedmiotem postępowania patentowego: krajowego (‘’Sposób testowania żywotności oka i urządzenie do testowania żywotności oka’’, P380581) i międzynarodowego (‘’Method of Eye Aliveness Testing and Device for Eye Aliveness Testing’’, PCT/PL2007/000063).

Wyniki

W celu przetestowania zaproponowanych metod, stosowany był protokół pomiarów identyczny dla zaprojektowanych metod i dla systemów komercyjnych, a w szczególności zachowane były te same warunki pomiaru, ta sama grupa ochotników, ten sam zestaw wydruków (opisana wcześniej baza testowa) i identyczna liczba powtórzeń. Testowane systemy komercyjne skonfigurowane zostały zgodnie z zaleceniami producentów. Testy pokazują (tab. 1), iż żadna z proponowanych metod nie zaakceptowała wydruków. Metody CLR i PD nie odrzuciły też żadnej autentycznej tęczówki. Jest to bardzo dobry wynik na tle wyników dla systemów komercyjnych: system Panasonic ET100 zaakceptował 73% wydruków natomiast system Panasonic ET300 rozpoznał autentyczne tęczówki wśród 15% wydruków.

Podsumowanie

Wyniki otrzymane dla trzech metod testowania autentyczności tęczówki zaproponowanych w pracy (analiza częstotliwościowa, analiza stymulowanych odbić podczerwieni oraz analiza dynamiki źrenicy) wskazują na potencjalną przydatność tych metod w biometrii. Ograniczoną dokładność metod wykorzystujących właściwości częstotliwościowe zdjęcia rekompensuje zaleta jej niekłopotliwej implementacji w istniejących systemach biometrii tęczówki (nie istnieje potrzeba wymiany sprzętu). Implementacja dwóch pozostałych metod nie wydaje się jednak ani kosztowna, ani skomplikowana, a zysk w postaci znacznie większego poziomu bezpieczeństwa tych systemów jest nie do przecenienia. Możliwe jest też łączenie zaprezentowanych metod w celu rozpoznawania bardziej zaawansowanych form ataku z wykorzystaniem np. martwego oka. Dokładny opis wszystkich zaproponowanych metod zainteresowany Czytelnik odnajdzie w [8].

Literatura