Βιομετρική Αυθεντικοποίηση με το Τρίψιμο των Δοντιών

Δύο πρόσφατες έρευνες από τις Ηνωμένες Πολιτείες και την Κίνα έχουν προτείνει μια νέα λύση για την αυθεντικοποίηση με βάση τα δόντια: απλώς τρίψτε ή δαγκώστε τα δόντια σας λίγο, και μια συσκευή που φοριέται στο αυτί (ένα “earable”, που μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως κανονική συσκευή ακρόασης) θα αναγνωρίσει το μοναδικό ηχητικό μοτίβο που παράγεται από την τριβή των δοντιών σας και θα δημιουργήσει một έγκυρο βιομετρικό “πασ” σε ένα σύστημα πρόκλησης που είναι εξοπλισμένο με την κατάλληλη τεχνολογία.

Διάφορες πρωτότυπες συσκευές που φοριούνται στο αυτί για τα δύο συστήματα. Πηγές: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2204/2204.07199.pdf (ToothSonic) και https://cis.temple.edu/~yu/research/TeethPass-Info22.pdf (TeethPass)

Προηγούμενες μεθόδους αυθεντικοποίησης με βάση τα δόντια (δηλαδή για ζωντανούς ανθρώπους, και όχι για νομική ταυτοποίηση), απαιτούσαν από τον χρήστη να “γυμνώσει” τα δόντια του, ώστε ένα σύστημα αναγνώρισης δοντιών να επιβεβαιώσει ότι τα δόντια του ταιριάζουν με τις βιομετρικές εγγραφές. Το καλοκαίρι του 2021, μια ερευνητική ομάδα από την Ινδία έκανε τους τίτλους με ένα τέτοιο σύστημα, με τίτλο DeepTeeth.

Τα νέα προτεινόμενα συστήματα, με την ονομασία ToothSonic και TeethPass, προέρχονται από μια ακαδημαϊκή συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου της Φλόριντα και του Πανεπιστημίου του Ράτγκερς στις Ηνωμένες Πολιτείες και μιας συνεργασίας μεταξύ ερευνητών από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Πεκίνου, το Πανεπιστήμιο Τσινγκχουά και το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας του Πεκίνου, σε συνεργασία με το Τμήμα Πληροφορικής και Επιστημών του Πανεπιστημίου Temple στη Φιλαδέλφεια.

ToothSonic

Το σύστημα ToothSonic έχει προταθεί στην έρευνα Ear Wearable (Earable) User Authentication via Acoustic Toothprint.

Οι συγγραφείς του ToothSonic αναφέρουν:

‘Το ToothSonic αξιοποιεί την ηχητική επίδραση που προκαλείται από τις κινήσεις των δοντιών για την αυθεντικοποίηση με βάση το αυτί. Συγκεκριμένα, σχεδιάζουμε αντιπροσωπευτικές κινήσεις δοντιών που μπορούν να παράγουν αποτελεσματικά ηχητικά κύματα που μεταφέρουν πληροφορίες για την τριβή των δοντιών.’

‘Για να καταγράψουμε με ασφάλεια την τριβή των δοντιών, αξιοποιούμε την επίδραση της απόκλεισης του αυτιού και του εσωτερικού μικροφώνου των earable. Στη συνέχεια, εξάγουμε πολλαπλά ηχητικά χαρακτηριστικά για να αντανακλούν τις πληροφορίες της τριβής των δοντιών για την αυθεντικοποίηση.’

Παράγοντες που συμβάλλουν στην τριβή των δοντιών και καταγράφονται σε μια συσκευή που φοριέται στο αυτί. Πηγή: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2204/2204.07199.pdf

Οι ερευνητές σημειώνουν μια σειρά από πλεονεκτήματα των ηχητικών/κρανιακών μοτίβων, τα οποία ισχύουν επίσης για το κινεζικό πρόγραμμα. Για παράδειγμα, θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο να μιμηθεί ή να κατασκευαστεί η τριβή των δοντιών, η οποία πρέπει να διασχίσει την μοναδική αρχιτεκτονική των ιστών του κεφαλιού και του κρανιακού καναλιού πριν φτάσει σε ένα εγγεγραμμένο “πρότυπο” με βάση το οποίο θα γίνουν οι μελλοντικές αυθεντικοποιήσεις.

Επιπλέον, η ταυτοποίηση με βάση την τριβή των δοντιών δεν απαιτεί μόνο την απομάκρυνση του πιθανότατου αισχούς του γυμνισμού ή του γρυμίσματος για μια κινητή ή εγκατεστημένη κάμερα, αλλά αφαιρεί επίσης την ανάγκη για τον χρήστη να αποσπάσει την προσοχή του από πιθανώς κρίσιμες δραστηριότητες, όπως την οδήγηση οχημάτων.

Εκτός από αυτό, η μέθοδος είναι κατάλληλη για πολλούς ανθρώπους με κινητικές αναπηρίες, ενώ οι συσκευές μπορούν πιθανώς να ενσωματωθούν σε earbuds, των οποίων η πρωταρχική χρήση είναι πολύ πιο συνηθισμένη (δηλαδή, ακρόαση μουσικής και τηλεφωνικών κλήσεων), αφαιρώντας την ανάγκη για αφιερωμένες, αυτόνομες συσκευές αυθεντικοποίησης ή πρόσβαση σε εφαρμογές κινητών.

Επιπλέον, η πιθανότητα αναπαραγωγής της οδοντικής δομής ενός ατόμου σε μια επίθεση (δηλαδή, με την εκτύπωση μιας φωτογραφίας από μια ανεμπόδιστη ανάρτηση σε μέσα κοινωνικής δικτύωσης), ή ακόμη και την αναπαραγωγή των δοντιών σε μια απίθανη περίπτωση απόκτησης σύνθετων και πλήρων οδοντικών μολντ, αποτρέπεται από το γεγονός ότι τα ηχητικά που παράγονται από την τριβή των δοντιών διήγουν μέσα από την πλήρως κρυφή εσωτερική γεωμετρία της γνάθου και του ακουστικού καναλιού.

Από το έγγραφο του ToothSonic, η αποκλειστική επίδραση του αυτιού καθιστά την τυχαία αναπαραγωγή ή μίμηση αποτελεσματικά αδύνατη.

Ως διαδικασία επίθεσης, η μόνη cònουσα ευκαιρία (εκτός από την βίαιη και σωματική εξαναγκασμό του χρήστη) είναι να αποκτήσει πρόσβαση στη βάση δεδομένων του συστήματος ασφαλείας και να αντικαταστήσει完全 την ηχητική τριβή του χρήστη με το δικό του μοτίβο (καθώς η παράνομη απόκτηση του μοτίβου τριβής κάποιου άλλου ατόμου δεν θα οδηγούσε σε κανένα πρακτικό μέσο αυθεντικοποίησης).

Ροή εργασιών για το ToothSonic.

Αν και υπάρχει μια μικρή ευκαιρία για έναν επιτιθέμενο να αναπαράγει μια ηχογράφηση της μάσησης στο στόμα του, το κινεζικό πρόγραμμα διαπίστωσε ότι αυτή είναι μια εμφανής αλλά πολύ άτυχη προσέγγιση, με ελάχιστες πιθανότητες επιτυχίας (βλέπε παρακάτω).

Μια Μονάδικη Χαμόγελος

Το έγγραφο του ToothSonic περιγράφει τα πολλά μοναδικά χαρακτηριστικά σε một οδοντική δομή του χρήστη, συμπεριλαμβανομένων των κατηγοριών της οδοντικής σύγκλεισης (όπως η υπερβολική σύγκλειση), της πυκνότητας και της αντήχησης του εμαγιέ, της λείπουσας ηχητικής πληροφορίας από τις εξαγμένες δόντια, των μοναδικών χαρακτηριστικών των πορσελάνης και μετάλλου (μεταξύ άλλων πιθανών υλικών), και της μορφολογίας των κωνώδων, μεταξύ πολλών άλλων πιθανών διακριτών χαρακτηριστικών.

Οι συγγραφείς αναφέρουν:

‘Τα ηχητικά κύματα που προκαλούνται από την τριβή των δοντιών καταγράφονται μέσω του ιδιωτικού καναλιού δοντιών-αυτιού του χρήστη. Το σύστημά μας είναι因此 ανθεκτικό σε προηγμένα επιθέσεις μίμησης και αναπαραγωγής, καθώς το ιδιωτικό κανάλι δοντιών-αυτιού του χρήστη εξασφαλίζει τα ηχητικά κύματα, τα οποία είναι απίθανο να ανακαλυφθούν από τους αντιπάλους.’

Καθώς η κίνηση της γνάθου έχει einen περιορισμένο εύρος κίνησης, οι συγγραφείς προβλέπουν δέκα πιθανές χειρονομίες που μπορούν να καταγραφούν ως έγκυρα βιομετρικά αποτυπώματα, εικονογραφημένα παρακάτω ως ‘προηγμένα χειρονομίες δοντιών’:

Ορισμένες από αυτές τις κινήσεις είναι πιο δύσκολες να επιτευχθούν από άλλες, αν και οι πιο δύσκολες κινήσεις δεν οδηγούν σε μοτίβα που είναι πιο ή λιγότερο εύκολα να αναπαραχθούν ή να μιμηθούν από λιγότερο απαιτητικές κινήσεις.

Μακρο-επίπεδο χαρακτηριστικά των αντίστοιχων κινήσεων δοντιών εξάγονται χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο Gaussian mixture (GMM) για την αναγνώριση ομιλητών. Mel-συχνότητα κεφαλαίων συντελεστών (MFCCs), μια αναπαράσταση του ήχου, λαμβάνονται για κάθε μια από τις πιθανές κινήσεις.

Έξι διαφορετικές ολισθήσεις για το ίδιο άτομο κατά την εξαγωγή MFCCs στο σύστημα ToothSonic.

Το αποτέλεσμα ηχητικό κύμα που αποτελεί το μοναδικό βιομετρικό σημάδι είναι πολύ ευαίσθητο σε ορισμένες ανθρώπινες σωματικές δονήσεις·因此, το ToothSonic επιβάλλει ένα φίλτρο ζώνης μεταξύ 20-8000Hz.

Η ηχητική τομή επιτυγχάνεται μέσω ενός Κρυπτού Μοντέλου Μαρκόβ (HMM), σύμφωνα με δύο προηγούμενες έργα από τη Γερμανία.

Για το μοντέλο αυθεντικοποίησης, τα παραγόμενα χαρακτηριστικά εισάγονται σε ένα πλήρως συνδεμένο νευρωνικό δίκτυο, διασχίζοντας διάφορες στρώσεις μέχρι την ενεργοποίηση μέσω ReLU. Η τελευταία πλήρως συνδεμένη στρώση χρησιμοποιεί μια συνάρτηση Softmax για να παράγει τα αποτελέσματα και το προβλεπόμενο λεζάντα για μια περίπτωση αυθεντικοποίησης.

Η βάση δεδομένων εκπαίδευσης αποκτήθηκε ζητώντας από 25 συμμετέχοντες (10 γυναίκες, 15 άνδρες) να φορούν μια earbud σε πραγματικές συνθήκες και να πραγματοποιούν τις κανονικές τους δραστηριότητες. Η πρωτότυπη earbud (βλέπε πρώτη εικόνα παραπάνω) δημιουργήθηκε με κόστος quelques δολάρια με off-the-shelf καταναλωτική апаратура, και διαθέτει ένα μικρόφωνο chip. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι μια εμπορική εφαρμογή ενός τέτοιου συσκευής θα ήταν εξαιρετικά προσιτή να παραχθεί.

Το μοντέλο εκπαίδευσης αποτελούσε τα νευρωνικά ταξινομητές στο MATLAB, εκπαιδευμένα με ρυθμό εκπαίδευσης 0.01, με LBFGS ως συνάρτηση απώλειας. Μέθοδοι αξιολόγησης για την αυθεντικοποίηση ήταν FRR, FAR και BAC.

Συνολικά, η απόδοση του ToothSonic ήταν πολύ καλή, ανάλογα με τη δυσκολία της εσωτερικής χειρονομίας του στόματος που εκτελείται:

Τα αποτελέσματα αποκτήθηκαν σε τρεις βαθμούς δυσκολίας της χειρονομίας του στόματος: άνετη, λιγότερο άνετη, και δυσχερής.  Μια από τις προτιμώμενες χειρονομίες του χρήστη έφτασε σε ποσοστό ακρίβειας 95%.

Σε όρους περιορισμών, οι χρήστες παραδέχονται ότι οι αλλαγές στα δόντια με το χρόνο θα απαιτήσουν πιθανώς από τον χρήστη να επανα-εγγράψουν την ηχητική τριβή των δοντιών, για παράδειγμα μετά από σημαντική οδοντική εργασία. Επιπλέον, η ποιότητα του εμαγιέ μπορεί να χειροτερέψει ή να αλλάξει με το χρόνο, και οι ερευνητές προτείνουν ότι οι ηλικιωμένοι χρήστες μπορεί να ζητηθεί να ενημερώσουν τα προφίλ τους περιοδικά.

Οι συγγραφείς παραδέχονται επίσης ότι οι earbuds πολλαπλής χρήσης θα απαιτήσουν από τον χρήστη να παύσει τη μουσική ή την ομιλία κατά την αυθεντικοποίηση (όπως και το κινεζικό TeethPass), και ότι πολλές earbuds που είναι διαθέσιμες δεν έχουν την απαραίτητη υπολογιστική ισχύ για να υποστηρίξουν ένα τέτοιο σύστημα.

Παρά το γεγονός αυτό, παρατηρούν*:

‘Ενθαρρυντικά, πρόσφατες κυκλοφορίες του chip Apple H1 στα Airpods Pro και QCS400 της Qualcomm (QCOM ) είναι ικανές να υποστηρίξουν φωνητική αυθεντικοποίηση με τεχνητή νοημοσύνη στην συσκευή. Αυτό σημαίνει ότι η εφαρμογή του ToothSonic σε earable θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί στο κοντινό μέλλον.’

Ωστόσο, το έγγραφο παραδέχεται ότι αυτή η πρόσθετη επεξεργασία θα μπορούσε να επηρεάσει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

TeethPass

Κυκλοφόρησε στο έγγραφο TeethPass: Dental Occlusion-based User Authentication via In-ear Acoustic Sensing, το κινεζικό-αμερικανικό πρόγραμμα λειτουργεί με τους ίδιους γενικούς αρχές όπως το ToothSonic, λαμβάνοντας υπόψη τη διέλευση της υπογραφής ήχου από την τριβή των δοντιών μέσω του ακουστικού καναλιού και των ενδιαμέσων οστών δομών.

Η αφαίρεση θορύβου αέρα πραγματοποιείται στο στάδιο της συλλογής δεδομένων, σε συνδυασμό με τη μείωση του θορύβου και – όπως και η προσέγγιση του ToothSonic – ένας κατάλληλος φίλτρος συχνοτήτων επιβάλλεται για την ηχητική υπογραφή.

Αρχιτεκτονική του συστήματος TeethPass.

Τα τελικά εξαγόμενα χαρακτηριστικά MFCC χρησιμοποιούνται για την εκπαίδευση ενός νευρωνικού δικτύου Siamese.

Δομή του νευρωνικού δικτύου Siamese για το TeethPass.

Μέτρα αξιολόγησης για το σύστημα ήταν FRR, FAR και πίνακας σύγχυσης. Όπως και το ToothSonic, το σύστημα βρέθηκε να είναι ανθεκτικό σε τρεις τύπους πιθανών επιθέσεων: μίμηση, αναπαραγωγή και υβριδική επίθεση. Σε μια περίπτωση, οι ερευνητές προσπάθησαν μια επίθεση παίζοντας τον ήχο της κίνησης των δοντιών του χρήστη μέσα στο στόμα ενός επιτιθέμενου, με ένα μικρό ηχείο, και βρήκαν ότι σε αποστάσεις μικρότερες από 20cm, αυτή η υβριδική μέθοδος επίθεσης έχει περισσότερο από 1% πιθανότητα επιτυχίας.

Σε όλες τις άλλες περιπτώσεις, το εμπόδιο της μίμησης της εσωτερικής δομής του κρανίου του στόχου, για παράδειγμα κατά τη διάρκεια μιας επίθεσης αναπαραγωγής, καθιστά μια “απαγωγή” μια από τις λιγότερο πιθανές απειλές σε ένα τυπικό πλαίσιο αυθεντικοποίησης βιομετρικών δεδομένων.

Εκτεταμένες πειραματικές δοκιμές έδειξαν ότι το TeethPass πέτυχε μέσο όρο ακρίβειας αυθεντικοποίησης 98,6% και μπορούσε να αντισταθεί στο 98,9% των επιθέσεων μίμησης.

* Η μετατροπή των εσωτερικών αναφορών των συγγραφέων σε υπερσύνδεσμους

Πρώτη δημοσίευση 18ης Απριλίου 2022. Ενημερώθηκε 19ης Απριλίου 8:30 π.μ. EET για τη διόρθωση λανθασμένων αναθέσεων σε λεζάντες.