التحقق البيومتري عن طريق طحن الأسنان

اقترحت أبحاث حديثة من الولايات المتحدة والصين حلًا جديدًا للتحقق من هوية الأسنان: مجرد طحن أو عض الأسنان قليلاً، وسوف يعرف جهاز يُلبس في الأذن (سماعة أذن) النمط الصوتي الفريد الناتج عن تآكل البنية السنية، وسيولد شهادة بيومترية صالحة لنظام التحدي المجهز بشكل مناسب.

أجهزة سماعة الأذن النموذجية المختلفة للنظامين. مصادر: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2204/2204.07199.pdf (ToothSonic) و https://cis.temple.edu/~yu/research/TeethPass-Info22.pdf (TeethPass)

كانت الطرق السابقة للتحقق من هوية الأسنان (أي للأشخاص الأحياء، وليس للتعرف على الهوية القضائية) تحتاج إلى أن يبتسم الشخص أو يكشف عن أسنانه لكي يمكن للنظام التأكد من أن أسنانه تتوافق مع السجلات البيومترية. في صيف عام 2021، قام فريق بحثي من الهند بتقديم نظام بعنوان DeepTeeth.

جاء النظامان المقترحان الجديدان، وهما ToothSonic و TeethPass، من تعاون أكاديمي بين جامعة ولاية فلوريدا وجامعة روتجرز في الولايات المتحدة؛ و EFFORTS المشتركة بين الباحثين في معهد بكين للتكنولوجيا، وجامعة تسينغهوا، وجامعة بكين للتكنولوجيا، بالتعاون مع قسم علوم الحاسوب والمعلومات في جامعة تمبل في فيلادلفيا.

ToothSonic

تم اقتراح نظام ToothSonic بالكامل في الولايات المتحدة في الورقة Ear Wearable (Earable) User Authentication via Acoustic Toothprint.

يذكر مؤلفو ToothSonic ما يلي:

‘يستفيد ToothSonic من تأثير الصوت الناتج عن حركات الأسنان التي يقوم بها المستخدمون للتحقق من هوية سماعة الأذن. وبخاصة، نقوم بتصميم إيماءات أسنان ممثلة يمكنها إنتاج موجات صوتية فعالة تحمل معلومات البصمة السنية للتحقق من الهوية.’

‘للتأكد من 捕获 البصمة السنية الصوتية، يستفيد من تأثير الإغلاق في قناة الأذن والميكروفون المواجه للداخل في سماعات الأذن. ثم يستخرج سمات صوتية متعددة المستويات لتعكس معلومات البصمة السنية الأصلية للتحقق من الهوية.’

عوامل التأثير التي تساهم في تشكيل بصمة صوتية فريدة مسجلة في جهاز يُلبس في الأذن. مصدر: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2204/2204.07199.pdf

يشير الباحثون إلى عدد من المزايا لنمط بصمات الأسنان / الجمجمة الصوتية، والتي تنطبق أيضًا على المشروع الصيني في المقام الأول. على سبيل المثال، سيكون من الصعب بشكل استثنائي محاكاة أو التلاعب بالبصمة السنية، التي يجب أن تعبر عبر بنية الأنسجة الفريدة في الرأس وقناة الجمجمة قبل الوصول إلى “قالب” مسجل يمكن اختباره في عمليات التحقق من الهوية في المستقبل.

بالإضافة إلى ذلك، لا يلزم نظام التحقق من هوية الأسنان المستخدمين بالابتسام أو التعبير عن مشاعرهم لكاميرا محمولة أو مثبتة، ويزيل الحاجة للمستخدمين إلى الانشغال بأي نشاطات قد تكون حرجة، مثل تشغيل المركبات.

علاوة على ذلك، يعتبر هذا الأسلوب مناسبًا ل许多 أشخاص مع إعاقات حركية، ويمكن دمج الأجهزة في سماعات الأذن التي تستخدم في المقام الأول لاستخدامات أكثر شيوعًا (أي الاستماع إلى الموسيقى وإجراء المكالمات الهاتفية)، مما يزيل الحاجة إلى أجهزة تحقق من الهوية مخصصة أو منفصلة، أو اللجوء إلى تطبيقات الهاتف المحمول.

علاوة على ذلك، يتم إزالة إمكانية إعادة إنتاج أسنان شخص ما في هجوم التزوير (أي عن طريق印 طباعة صورة من منشور غير مقيد على وسائل التواصل الاجتماعي)، أو حتى تكرار أسنانه في السيناريو غير المحتمل للحصول على قوالب أسنان معقدة و كاملة، بسبب حقيقة أن الأصوات التي تآكل الأسنان تتم ترشيحها من خلال الهندسة الداخلية الخفية للفك وقناة السمع.

من ورقة ToothSonic، يؤدي تأثير الإغلاق في قناة الأذن إلى جعل الإعادة أو التزوير غير فعّال بشكل فعّال.

كوسيلة لهجوم، تظل الفرصة الوحيدة المتبقية (باستثناء الإكراه الجسدي القسري للمستخدم) هي الحصول على وصول إلى قاعدة بيانات نظام الأمان المضيف وتعويض البصمة الصوتية المسجلة للمستخدم بأسلوب المهاجم (منذ الحصول غير المشروع على بصمة سنية شخص ما لن يؤدي إلى أي طريقة عملية للتحقق من الهوية).

سير عمل ToothSonic.

على الرغم من وجود فرصة صغيرة للمهاجم لتشغيل تسجيل لحركة المضغ في فمهم، وجد المشروع الصيني أن هذا ليس فقط نهجًا ملحوظًا ولكن أيضًا نهجًا غير محظوظ للغاية، مع فرصة نجاح طفيفة (انظر أدناه).

ابتسامة فريدة

يوضح ورقة ToothSonic العديد من الخصائص الفريدة في بنية الأسنان للمستخدم، بما في ذلك فئات الإغلاق (مثل الإطباق الزائد)، وكثافة المينا والرنين، ومعلومات الأذن المفقودة من الأسنان المخلوعة، والخصائص الفريدة للتحويلات الخزفية والمعدنية (من بين مواد أخرى محتملة)، وشكل التاج، من بين العديد من الخصائص المميزة الأخرى.

يشير المؤلفون إلى ما يلي:

‘تتم 捕获 موجات الصوت الناتجة عن بصمات الأسنان عبر قناة الأسنان والأذن الخاصة بالمستخدم. لذلك، نظامنا مقاوم للهجمات المتقدمة والمحاكاة والتشغيل مرة أخرى، لأن قناة الأسنان والأذن الخاصة بالمستخدم تأمن موجات الصوت، والتي من غير المحتمل أن يتم الكشف عنها من قبل الأعداء.’

نظراً لأن حركة الفك لها نطاق محدود من الحركة، يتخيل المؤلفون عشرة تحركات ممكنة يمكن تسجيلها كبصمات بيومترية قابلة للتطبيق، موضحة أدناه باسم “إيماءات أسنان متقدمة”:

بعض هذه الحركات أكثر صعوبة في التنفيذ من غيرها، على الرغم من أن الحركات الأكثر صعوبة لا تؤدي إلى أنماط أكثر أو أقل سهولة في التكرار أو التزوير من الحركات الأقل تحديًا.

تتم استخراج الخصائص الكبيرة لمواقف الأسنان باستخدام نظام مخلوط گاوسي (GMM) لنظام تحديد المتحدث. يتم الحصول على معاملات السعة الترددية الميلان (MFCCs)، والتي تمثل الصوت، لكل من الحركات الممكنة.

ستة إيماءات انزلاقية مختلفة لنفس الموضوع خلال استخراج MFCC تحت نظام ToothSonic.

الموجة الصوتية الفريدة التي تشكل البصمة البيومترية الفريدة معرضة للغاية لبعض اهتزازات الجسم البشري؛ لذلك يفرض ToothSonic مرشحًا بين 20-8000Hz.

تتم Segmentة الموجة الصوتية عبر نموذج ماركوف الخفي (HMM)، وفقًا لأعمال سابقة من ألمانيا.

للمodel التحقق من الهوية، يتم تغذية الخصائص المشتقة إلى شبكة عصبونية متصلة بالكامل، وتجاوز طبقات مختلفة حتى التنشيط عبر ReLU. تستخدم الطبقة المتصلة بالكامل الأخيرة دالة Softmax لتوليد النتائج وال标籤 المتوقعة لسيناريو التحقق من الهوية.

تم الحصول على قاعدة بيانات التدريب عن طريق طلب من 25 مشاركًا (10 إناث، 15 ذكور) ارتداء سماعة أذن مُعدلة في بيئات العالم الحقيقي، وإجراء أنشطتهم العادية. تم إنشاء سماعة الأذن النموذجية (انظر الصورة الأولى أعلاه) بتكلفة بضع دولارات مع الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية، وتمتلك شريحة ميكروفون واحدة. يؤكد الباحثون أن التنفيذ التجاري لجهاز كهذا سيكون من السهل جدًا إنتاجه.

تكون نموذج التعلم من تصنيفات الشبكات العصبونية في MATLAB، مدربة بسرعة تعلم 0.01، مع LBFGS كدالة الخسارة. كانت طرق التقييم للتحقق من الهوية FRR, FAR و BAC.

كان الأداء العام ل ToothSonic جيدًا جدًا، اعتمادًا على صعوبة الإيماءة الداخلية للفم التي يتم أداؤها:

تم الحصول على النتائج عبر ثلاث درجات من صعوبة إيماءة الفم: مريح، أقل راحة، و صعوبة. واحدة من الإيماءات المفضلة للمستخدم حقق معدل دقة 95%.

فيما يتعلق بالقيود، يقر المستخدمون بأن التغييرات في الأسنان بمرور الوقت سوف تتطلب من المستخدم إعادة تسجيل البصمة السنية الصوتية، على سبيل المثال بعد عمل أسنان ملحوظ. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتحلل جودة المينا أو تتغير بمرور الوقت، ويقترح الباحثون أن يُطلب من الأشخاص المسنين تحديث ملفاتهم الشخصية بشكل دوري.

كما يقر المؤلفون بأن سماعات الأذن متعددة الاستخدامات من هذا النوع سوف تتطلب من المستخدمين إيقاف الموسيقى أو المحادثة أثناء التحقق من الهوية (مثل TeethPass الصيني)، وأن العديد من سماعات الأذن المتاحة حاليًا لا تمتلك القدرة الحاسوبية اللازمة لدعم مثل هذا النظام.

على الرغم من ذلك، يلاحظون*:

‘مشجعًا، الإصدارات الحديثة من شريحة Apple H1 في AirPods Pro و QCS400 من Qualcomm (QCOM ) قادرة على دعم الذكاء الاصطناعي القائم على الصوت على الجهاز. هذا يعني أن تنفيذ ToothSonic على سماعة الأذن يمكن أن يتحقق في المستقبل القريب.’

ومع ذلك، يقرر الورقة بأن هذه المعالجة الإضافية قد تؤثر على عمر البطارية.

TeethPass

تم إصدار المشروع الصيني الأمريكي في الورقة TeethPass: Dental Occlusion-based User Authentication via In-ear Acoustic Sensing.

يعمل النظام على مبادئ عامة متشابهة جدًا مع ToothSonic، مع مراعاة عبور الصوت المميز من تآكل الأسنان عبر قناة السمع والهياكل العظمية المتداخلة.

تتم إزالة ضوضاء الهواء في مرحلة جمع البيانات، مع إضافة خفض الضوضاء وفرض مرشح ترددي مناسب للبصمة الصوتية، كما هو الحال في نهج ToothSonic.

هندسة نظام TeethPass.

تتم استخدام الخصائص النهائية المستخرجة من MFCC لتدريب شبكة عصبونية سيامية.

بنية الشبكة العصبونية السيامية لنظام TeethPass.

كانت معايير التقييم لنظام TeethPass هي FRR و FAR و مصفوفة الارتباك. كما وجد أن النظام مقاوم لثلاثة أنواع من الهجمات الممكنة: التمثيل، والتشغيل مرة أخرى، والهجوم الهجين. في حالة واحدة، حاول الباحثون هجومًا عن طريق تشغيل صوت حركة الأسنان داخل فم مهاجم، باستخدام مكبر صوت صغير، ووجدوا أن هذا الأسلوب الهجومي الهجين له فرصة نجاح أكبر من 1% عند مسافات أقل من 20 سم.

في جميع السيناريوهات الأخرى، يجعل عائق محاكاة بنية الجمجمة الداخلية لل目标، على سبيل المثال خلال هجوم إعادة التشغيل، يجعل سيناريو “الاختراق” واحدًا من أقل مخاطر الهجوم في إطار العمل البيومتري القياسي.

أظهرت التجارب الشاملة أن TeethPass حقق معدل تحقق من الهوية متوسطًا يبلغ 98.6%، ويمكنه مقاومة 98.9% من هجمات التزوير.

* تحويلي لمراجع المؤلفين إلى روابط.

نُشر لأول مرة في 18 أبريل 2022. تم تحديثه في 19 أبريل الساعة 8:30 صباحًا بالتوقيت الشرقي الأوروبي لتصحيح الإسناد الخاطئ للصور.