Βιομετρική Αυθεντικοποίηση με το Τρίψιμο των Δοντιών

Δύο πρόσφατες έρευνες από τις Ηνωμένες Πολιτείες και την Κίνα έχουν προτείνει μια καινοτόμο 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 ήχου) θα αναγνωρίσει το μοναδικό ακοουστικό μοτίβο που παράγεται από την τριβή του οδοντικού σας σχήματος, και θα παράγει một έγκυρο βιομετρικό “πασ” σε ένα σύστημα που είναι εξοπλισμένο με τις κατάλληλες προκλήσεις.

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 (δηλ. για ζωντανούς ανθρώπους, και όχι για νομική ταυτοποίηση), χρειάζονταν ο χρήστης να “γυμνώσει” τα δόντια του, ώστε ένα σύστημα αναγνώρισης δοντιών να μπορεί να επιβεβαιώσει ότι τα δόντια του ταιριάζουν με τα βιομετρικά αρχεία. 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 τα ονόματα ToothSonic και TeethPass, προέρχονται από μια ακαδημαϊκή συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου της Φλόριντα και του Πανεπιστημίου Ρούτγκερς στις Ηνωμένες Πολιτείες· και μιας συνεργασίας μεταξύ ερευνητών από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Πεκίνου, το Πανεπιστήμιο Τσινγκχουά και το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας του Πεκίνου, που εργάζονται με το Τμήμα Πληροφορικής και Επιστημών του Πανεπιστημίου Τεμπλ στην Φιλαδέλφεια.

ToothSonic

Το σύστημα ToothSonic, που είναι εξολοκλήρου αμερικανικής προέλευσης, έχει προταθεί στην έρευνα Ear Wearable (Earable) User Authentication via Acoustic Toothprint.

Οι συγγραφείς του ToothSonic αναφέρουν:

‘Το ToothSonic [χρησιμοποιεί] την ηχητική επίδραση που προκαλείται από τα δόντια όταν ο χρήστης εκτελεί κινήσεις δοντιών για την αυθεντικοποίηση με συσκευή που φοριέται στο αυτί. Συγκεκριμένα, σχεδιάζουμε αντιπροσωπευτικές κινήσεις δοντιών που μπορούν να παράγουν αποτελεσματικές ηχητικές κυματώσεις που φέρουν πληροφορίες για το οδοντικό σχήμα.’

‘Για να καταγράψουμε με ασφάλεια το ακοουστικό οδοντικό σχήμα, χρησιμοποιούμε την επίδραση οκλουζίας του αυτιού και το μικρόφωνο που βλέπει προς τα μέσα της συσκευής που φοριέται στο αυτί. Στη συνέχεια, εξάγουμε πολλαπλά ηχητικά χαρακτηριστικά για να αντανακλούμε τις εσωτερικές πληροφορίες του οδοντικού σχήματος για την αυθεντικοποίηση.’

Παράγοντες που συμβάλλουν στο να δημιουργηθεί ένα μοναδικό ακοουστικό οδοντικό σχήμα που καταγράφεται 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 ακοουστικών μοτίβων δοντιών/κρανίου, τα οποία ισχύουν επίσης για το κινεζικό πρότζεκτ. Για παράδειγμα, θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο να μιμηθεί ή να παραποιήσει το οδοντικό σχήμα, το οποίο πρέπει να διανύσει την μοναδική αρχιτεκτονική των ιστών του κεφαλιού και του καναλιού του κρανίου πριν φτάσει σε ένα καταγεγραμμένο “πρότυπο” με το οποίο θα ελεγχθούν οι μελλοντικές αυθεντικοποιήσεις.

Επιπλέον, η αναγνώριση δοντιών με βάση το οδοντικό σχήμα δεν απαιτεί τον χρήστη να “γυμνώσει” τα δόντια του ή να αποσπαστεί από критικές δραστηριότητες όπως η οδήγηση οχημάτων.

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

Επιπλέον, η πιθανότητα αναπαραγωγής του οδοντικού σχήματος ενός ατόμου σε μια επίθεση (π.χ. με την εκτύπωση μιας φωτογραφίας από μια ανεπίκοπη ανάρτηση σε μέσα κοινωνικής δικτύωσης), ή ακόμη και την αναπαραγωγή των δοντιών σε μια απίθανη περίπτωση απόκτησης σύνθετων και πλήρων οδοντικών καλουπιών, αποτρέπεται από το γεγονός ότι οι ήχοι που παράγονται από τα δόντια διέρχονται από την完全άτακρυβη εσωτερική γεωμετρία της γνάθου και του ακουστικού καναλιού.

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

Ως διανυσματική επίθεση, η μόνη cònυπάρχουσα 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ά το ηχητικό οδοντικό μοτίβο του χρήστη με το δικό του μοτίβο (καθώς η παράνομη απόκτηση του οδοντικού σχήματος 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 του μάσησης στο στόμα του, το κινεζικό πρότζεκτ διαπίστωσε ότι αυτή είναι μια προφανής αλλά πολύ άτυχη προσέγγιση, με ελάχιστη πιθανότητα επιτυχίας (βλέπε παρακάτω).

Μια Μοναδική Χαμόγελο

Το έγγραφο ToothSonic περιγράφει πολλά μοναδικά χαρακτηριστικά στο οδοντικό σχήμα του χρήστη, συμπεριλαμβανομένων των κατηγοριών οκλουζίας (όπως η υπερβολική οκλουζία), της πυκνότητας του εμαλίου και της αντήχησης, της λείπουσας ακοουστικής πληροφορίας από εξαγμένα δόντια, των μοναδικών χαρακτηριστικών των πορσελάνινων και μεταλλικών υποκαταστάσεων (μεταξύ άλλων δυνατών υλικών), και της μορφολογίας των κωνωτών, μεταξύ πολλών άλλων δυνατών διακριτικών χαρακτηριστικών.

Οι συγγραφείς αναφέρουν:

‘[Το] οδοντικό σχήμα-πρωτογενές ηχητικό κύμα καταγράφεται μέσω του ιδιωτικού καναλιού δοντιών-αυτιού του χρήστη. Το σύστημά μας είναι ανθεκτικό σε προηγμένες επιθέσεις μίμησης και αναπαραγωγής, καθώς το ιδιωτικό κανάλι δοντιών-αυτιού του χρήστη ασφαλίζει τα ηχητικά κύματα, τα οποία είναι απίθανο να ανακαλυφθούν από τους αντιπάλους.’

Καθώς η κίνηση της γνάθου έχει einen περιορισμένο εύρος κινητικότητας, οι συγγραφείς προβλέπουν δέκα δυνατές χειρονομίες που μπορούν να καταγραφούν ως έγκυρα βιομετρικά αποτυπώματα, εικονογραφημένα παρακάτω ως ‘προηγμένες 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.

Χαρακτηριστικά μακροεπίπεδου των αντίστοιχων κινήσεων δοντιών εξάγονται χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο Gaussian mixture (GMM) για αναγνώριση ομιλητή. Συντελεστές μελ-συχνότητας κεφαλής (MFCCs), μια αναπαράσταση του ήχου, λαμβάνονται για κάθε μια από τις δυνατές κινήσεις.

Έξι διαφορετικές ολισθήσεις για το ίδιο θέμα κατά τη διάρκεια της εξαγωγής MFCCs στο σύστημα ToothSonic.

Το αποτέλεσμα είναι ένα μοναδικό ηχητικό κύμα που αποτελεί το μοναδικό βιομετρικό σημάδι, το οποίο είναι εξαιρετικά ευαίσθητο σε ορισμένες δονήσεις του ανθρώπινου σώματος·因此, το ToothSonic επιβάλλει ένα φίλτρο ζώνης μεταξύ 20-8000Hz.

Η τομή του ηχητικού κύματος επιτυγχάνεται μέσω ενός κρυφού μοντέλου Markov (HMM), σύμφωνα με δύο προηγούμενες έργα από τη Γερμανία.

Για το μοντέλο αυθεντικοποίησης, τα παραγόμενα χαρακτηριστικά εισάγονται σε ένα πλήρως συνδεδεμένο νευρωνικό δίκτυο, διασχίζοντας διάφορα στρώματα μέχρι την ενεργοποίηση μέσω ReLU. Το τελευταίο πλήρως συνδεδεμένο στρώμα χρησιμοποιεί μια συνάρτηση Softmax για να παράγει τα αποτελέσματα και το προβλεπόμενο λεζάντα για ένα σενάριο αυθεντικοποίησης.

Η βάση δεδομένων εκπαίδευσης αποκτήθηκε ζητώντας από 25 συμμετέχοντες (10 θηλυκούς, 15 αρσενικούς) να φορούν μια συσκευή που φοριέται στο αυτί σε πραγματικές συνθήκες, και να εκτελούν τις κανονικές δραστηριότητές τους. Η πρωτότυπη συσκευή που φοριέται στο αυτί (βλέπε πρώτη εικόνα παραπάνω) δημιουργήθηκε με κόστος quelques δολάρια με υλικό που υπάρχει στην αγορά, και διαθέτει ένα μικρόφωνο. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι μια εμπορική εφαρμογή μιας τέτοιας συσκευής θα ήταν εξαιρετικά προσιτή να παραχθεί.

Το μοντέλο εκπαίδευσης αποτελούσε τα νευρωνικά ταξινομητικά δίκτυα στο MATLAB, εκπαιδευμένα με ρυθμό μάθησης 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: άνετο, λιγότερο άνετο, και δυσκολία. 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 από τον χρήστη να ξανατυπώσει το ακοουστικό οδοντικό σημάδι, για παράδειγμα μετά από σημαντική οδοντική εργασία. Επιπλέον, η ποιότητα του εμαλίου μπορεί να χειροτερέψει ή να αλλάξει με το χρόνο, και οι ερευνητές προτείνουν ότι οι ηλικιωμένοι χρήστες μπορεί να ζητηθούν να ενημερώσουν τα προφίλ τους περιοδικά.

Οι συγγραφείς παραδέχονται επίσης ότι οι συσκευές που φοριούνται στο αυτί πολλαπλής χρήσης θα απαιτήσουν από τον χρήστη να παύσει τη μουσική ή την ομιλία κατά τη διάρκεια της αυθεντικοποίησης (όπως και το κινεζικό πρότζεκτ TeethPass), και ότι πολλά τρέχοντα ακουστικά δεν έχουν την απαραίτητη υπολογιστική ισχύ για να υποστηρίξουν ένα τέτοιο σύστημα.

Παρά τούτο, παρατηρούν*:

‘Ενθαρρύνεται, οι πρόσφατες κυκλοφορίες του chip Apple H1 στα Airpods Pro και QCS400 από την Qualcomm είναι ικανές να υποστηρίξουν φωνητική τεχνητή νοημοσύνη στην συσκευή. Αυτό σημαίνει ότι η εφαρμογή του ToothSonic σε συσκευές που φοριούνται στο αυτί 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

Δημοσιευμένο στο έγγραφο TeethPass: Dental Occlusion-based User Authentication via In-ear Acoustic Sensing, το κινεζικό-αμερικανικό πρότζεκτ λειτουργεί με τις ίδιες γενικές αρχές όπως το ToothSonic, λαμβάνοντας υπόψη τη διέλευση του ηχητικού σήματος από την τριβή των δοντιών μέσω του ακουστικού καναλιού και των παρεμβαλλόμενων οστών.

Η αφαίρεση θορύβου από τον αέρα γίνεται στη φάση συλλογής δεδομένων, σε συνδυασμό με μείωση θορύβου και – όπως και η προσέγγιση του ToothSonic – ένας κατάλληλος φίλτρος συχνότητας επιβάλλεται για το ακοουστικό σημάδι.

Αρχιτεκτονική συστήματος για το 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 ένας 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 δοντιών του χρήστη μέσα στο στόμα ενός επιτιθέμενου, με einen μικρόφωνο, και βρήκαν ότι σε αποστάσεις μικρότερες από 20cm, αυτή η υβριδική μέθοδος επίθεσης έχει μια πιθανότητα επιτυχίας μεγαλύτερη από 1%.

Σε όλες τις άλλες περιπτώσεις, το εμπόδιο της μίμησης της εσωτερικής κατασκευής του κρανίου του στόχου, για παράδειγμα κατά τη διάρκεια μιας επίθεσης αναπαραγωγής, καθιστά μια “απαγωγή” σενάριο μεταξύ των λιγότερο πιθανών κινδύνων στο τυπικό πλαίσιο πλαισίου αυθεντικοποίησης βιομετρικών δεδομένων.

Εκτεταμένες πειραματικές δοκιμές έδειξαν ότι το TeethPass έφτασε σε μέσο ποσοστό αυθεντικοποίησης 98,6% και μπορούσε να αντισταθεί στο 98,9% των επιθέσεων παραποίησης.

* Η μετατροπή των εσωτερικών παραπομπών των συγγραφέων σε υπερσύνδεσμους

Πρώτη δημοσίευση 18ης Απριλίου 2022. Ενημερώθηκε 19ης Απριλίου 8:30πμ EET για να διορθωθούν λανθασμένες αναθέσεις πακέτων σε λεζάντες.