Biometrinen todennus hiomalla hampaitasi

Kaksi äskettäin julkaistua tutkimusta Yhdysvalloista ja Kiinasta ovat ehdottaneet uutta ratkaisua hampaisiin perustuvaan autentikointiin: vain pureskele tai pure hampaitasi ja korvaan kiinnitettävä laite ("korvattava", joka voi myös toimia tavallisena äänentoistona). kuuntelulaite) tunnistaa ainutlaatuisen äänikuvion, joka syntyy hiomalla hammaslääketieteellistä arkkitehtuuriasi, ja luo kelvollisen biometrisen "passin" sopivasti varustetulle haastejärjestelmälle.

Erilaisia ​​korvaan kiinnitettäviä prototyyppilaitteita molemmille järjestelmille. Lähteet: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2204/2204.07199.pdf (ToothSonic) ja https://cis.temple.edu/~yu/research/TeethPass-Info22.pdf (TeethPass)

Aiemmat hammaslääketieteelliset todentamismenetelmät (eli eläville ihmisille rikosteknisen tunnistamisen sijaan) ovat vaatineet käyttäjän "virnistelemään ja paljastamaan", jotta hampaiden tunnistusjärjestelmä voi varmistaa, että heidän hampaansa vastaavat biometrisiä tietueita. Kesällä 2021 intialainen tutkimusryhmä nousi otsikoihin tällaisella järjestelmällä, nimeltä DeepTeeth.

Uudet ehdotetut järjestelmät, dubattuna ToothSonic ja TeethPass, ovat peräisin Florida State Universityn ja yhdysvaltalaisen Rutgers Universityn akateemisesta yhteistyöstä; ja Pekingin teknologiainstituutin, Tsinghuan yliopiston ja Pekingin teknillisen yliopiston tutkijoiden yhteinen ponnistus, joka työskentelee Philadelphian Temple Universityn tietokone- ja tietotieteiden osaston kanssa.

ToothSonic

Kokonaan Yhdysvalloissa toimivaa ToothSonic-järjestelmää on ehdotettu paperi Ear Wearable (Earable) käyttäjän todennus akustisen hammasjäljen avulla.

ToothSonicin kirjoittajat toteavat:

"ToothSonic [hyödynnä] hampaanjäljen aiheuttamaa äänitehostetta, jonka käyttäjät suorittavat hampaiden eleitä korvaavaa todentamista varten. Suunnittelemme erityisesti edustavia hammaseleitä, jotka voivat tuottaa tehokkaita ääniaaltoja, jotka kuljettavat hampaanjäljestä tietoa.

"Jotta akustinen hampaanjälki vangitaan luotettavasti, se hyödyntää korvakäytävän okkluusiovaikutusta ja korvanappien sisäänpäin suuntautuvaa mikrofonia. Sen jälkeen se poimii monitasoisia akustisia piirteitä heijastamaan hampaanjälkeä todennusta varten.

Vaikuttavat tekijät, jotka muodostavat ainutlaatuisen kuulohammasjäljen, joka on rekisteröity korvaan kiinnitettävään laitteeseen. Lähde: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2204/2204.07199.pdf

Tutkijat panevat merkille useita etuja kuulohammas/kallo-allekirjoituskuvioista, jotka koskevat myös ensisijaisesti kiinalaista hanketta. Olisi esimerkiksi äärimmäisen haastavaa jäljitellä tai huijata hampaanjälkeä, jonka täytyy kulkea pään kudosten ja kallon kanavan ainutlaatuisen arkkitehtuurin läpi ennen kuin se saavuttaa tallennettavan "mallin", jota vasten tulevat autentikaatiot testataan.

Lisäksi hampaanjälkipohjainen tunnistus ei ainoastaan ​​poista mahdollista virnistelemisen tai irvistyksen aiheuttamaa noloa matkapuhelimessa tai asennetussa kamerassa, vaan poistaa käyttäjän tarpeen millään tavalla kääntää huomionsa pois mahdollisesti kriittisistä toiminnoista, kuten ajoneuvojen käyttämisestä.

Tämän lisäksi menetelmä sopii monille henkilöille, joilla on motorisia vajaatoimintaa, kun taas laitteet voidaan mahdollisesti liittää kuulokkeisiin, joiden ensisijainen käyttö on paljon yleisempää (esim. musiikin kuuntelu ja puheluiden soittaminen), jolloin ei tarvita erillisiä, itsenäisiä todennuslaitteita. , tai turvaudu mobiilisovelluksiin.

Lisäksi mahdollisuus toistaa henkilön hampaat huijaushyökkäyksessä (ts. tulostamalla valokuva esteettömästä sosiaalisen median valokuvapostauksesta) tai jopa kopioida hänen hampaitaan siinä epätodennäköisessä tilanteessa, että muodostuisi monimutkaisia ​​ja täydellisiä hammashomeja, vältetään se tosiasia. hampaita hankaavat äänet suodattuvat leuan ja kuulokäytävän täysin piilotetun sisäisen geometrian läpi.

ToothSonic-paperin korvakäytävän tukkiva vaikutus tekee satunnaisesta kopioinnista tai jäljittelystä käytännössä mahdotonta.

Hyökkäysvektorina ainoa jäljellä oleva mahdollisuus (käyttäjän väkivaltaisen ja fyysisen pakottamisen lisäksi) on päästä tietokantaan isäntäturvajärjestelmään ja korvata käyttäjän tallentama äänihammaskuvio kokonaan hyökkääjän omalla kuviolla (koska jonkun muun hampaanjäljen luvaton hankkiminen ei johda mihinkään käytännölliseen todennusmenetelmään).

ToothSonicin työnkulku.

Vaikka hyökkääjällä on pieni tilaisuus toistaa puristamisen tallenne omassa suuhunsa, Kiinan johtama projekti havaitsi, että tämä ei ole vain silmiinpistävä, vaan myös erittäin huonosti esitetty lähestymistapa, jolla on minimaaliset onnistumismahdollisuudet (katso alla). .

Ainutlaatuinen hymy

ToothSonic-paperi hahmottelee käyttäjän hampaiden monet ainutlaatuiset ominaisuudet, mukaan lukien okkluusioluokat (kuten ylipurenta), emalin tiheys ja resonanssi, poistetuista hampaista puuttuvat kuulotiedot, posliini- ja metallikorvausten ainutlaatuiset ominaisuudet (muiden mahdollisten materiaalien joukossa) ja kärjen morfologia monien muiden mahdollisten erottavien piirteiden joukossa.

Kirjoittajat toteavat:

"[Hampaanjälkien] aiheuttamat ääniaallot tallennetaan käyttäjän yksityisen hammas-korvakanavan kautta. Järjestelmämme kestää näin ollen kehittyneitä matkimis- ja toistohyökkäyksiä, koska käyttäjän yksityinen hammas-korvakanava suojaa ääniaaltoja, joita vastustajat eivät todennäköisesti paljasta."

Koska leuan liikkeellä on rajoitettu liikkuvuusalue, kirjoittajat harkitsevat kymmenen mahdollista manipulaatiota, jotka voitaisiin tallentaa elinkelpoisiksi biometrisiksi tulosteiksi, jotka kuvataan alla "edistyneinä hampaiden eleinä":

Joitakin näistä liikkeistä on vaikeampi saavuttaa kuin toisia, vaikka vaikeammat liikkeet eivät johda kuvioihin, jotka olisivat enemmän tai vähemmän helppoja toistaa tai huijata kuin vähemmän haastavat liikkeet.

Sopivien hampaiden liikkeiden makrotason ominaisuudet erotetaan käyttämällä a Gaussin sekoitusmalli (GMM) kaiuttimen tunnistusjärjestelmä. Mel-taajuuden cepstraalikertoimet (MFCC:t), saadaan jokaiselle mahdolliselle liikkeelle ääniesitys.

Kuusi eri liukuelettä samalle kohteelle MFCC-poiston aikana ToothSonic-järjestelmässä.

Tuloksena oleva ääniaalto, joka sisältää ainutlaatuisen biometrisen allekirjoituksen, on erittäin herkkä tietyille ihmiskehon värähtelyille; siksi ToothSonic asettaa suodatinkaistan välille 20-8000 Hz.

Ääniaaltojen segmentointi saavutetaan Hidden Markov -mallin avulla (HMM), kahden kohdan mukaisesti aikaisempi toimii Saksasta.

Todennusmallissa johdetut ominaisuudet syötetään täysin yhdistettyyn hermoverkkoon, jotka kulkevat eri kerrosten läpi, kunnes ne aktivoidaan Relu. Viimeinen täysin yhdistetty kerros käyttää Softmax-toimintoa tulosten ja ennustetun tunnisteen luomiseen todennusskenaariota varten.

Koulutustietokanta hankittiin pyytämällä 25 osallistujaa (10 naista, 15 miestä) käyttämään väärennettyä korvanappia todellisissa ympäristöissä ja suorittamalla normaalia toimintaansa. Prototyyppikuuloke (katso ensimmäinen kuva yllä) luotiin muutaman dollarin hintaan valmiilla kuluttajalaitteistolla, ja siinä on yksi mikrofonisiru. Tutkijat väittävät, että tällaisen laitteen kaupallinen toteutus olisi erittäin edullinen valmistaa.

Oppimismalli sisälsi MATLABin neuroverkkoluokittimet, jotka oli koulutettu oppimisnopeudella 0.01. LBFGS häviöfunktiona. Todennuksen arviointimenetelmät olivat FRR, FAR ja BAC.

ToothSonicin kokonaissuorituskyky oli erittäin hyvä, riippuen suoritettavan sisäisen suun eleen vaikeudesta:

Tulokset saatiin kolmesta suueleen vaikeusasteesta: mukava, vähemmän mukavaja vaikeuksia. Yksi käyttäjän suosimista eleistä saavutti 95 %:n tarkkuuden.

Mitä tulee rajoituksiin, käyttäjät myöntävät, että ajan myötä tapahtuvat muutokset hampaissa vaativat todennäköisesti käyttäjää painamaan uudelleen hampaan äänimerkin esimerkiksi huomattavien hammastöiden jälkeen. Lisäksi emalin laatu voi huonontua tai muuten muuttua ajan myötä, ja tutkijat ehdottavat, että iäkkäitä ihmisiä voitaisiin pyytää päivittämään profiilinsa säännöllisesti.

Kirjoittajat myöntävät myös, että tämän luonteiset monikäyttöiset nappikuulokkeet vaatisivat käyttäjän keskeyttämään musiikin tai keskustelun todennuksen aikana (kuten kiinalaisen TeethPassin kanssa), ja että monilla tällä hetkellä saatavilla olevilla nappikuulokkeilla ei ole tarvittavaa laskentatehoa tällaisen toiminnan mahdollistamiseksi. järjestelmänä.

Tästä huolimatta he huomaavat*:

Rohkaisevasti Apple H1 -sirun äskettäiset julkaisut Airpods Prossa ja QCS400:ssa kirjoittanut Qualcomm pystyvät tukemaan puhepohjaista laitteiden tekoälyä. Se tarkoittaa, että ToothSonicin käyttöönotto earableissa voitaisiin toteuttaa lähitulevaisuudessa.

Paperi kuitenkin myöntää, että tämä lisäkäsittely voi vaikuttaa akun käyttöikään.

TeethPass                 

Julkaistu paperi TeethPass: hampaiden tukkeutumiseen perustuva käyttäjän todennus korvan akustisella tunnistuksella, Kiinalais-amerikkalainen projekti toimii paljolti samoilla yleisillä periaatteilla kuin ToothSonic, mikä vastaa hampaiden hankauksesta peräisin olevan äänimerkin läpikulkua kuulokäytävän ja välissä olevien luurakenteiden läpi.

Ilmamelun poisto suoritetaan tiedonkeruuvaiheessa, yhdistettynä kohinan vähentämiseen ja – kuten ToothSonic-lähestymistapassa – ääniallekirjoitukselle asetetaan sopiva taajuussuodatin.

TeethPassin järjestelmäarkkitehtuuri.

Lopullisia poimittuja MFCC-ominaisuuksia käytetään a Siamilainen neuroverkko.

TeethPassin siamilaisen neuroverkon rakenne.

Järjestelmän arviointimittarit olivat FRR, FAR ja hämmennysmatriisi. Kuten ToothSonicissa, järjestelmän havaittiin kestävän kolmentyyppisiä mahdollisia hyökkäyksiä: matkimista, toistoa ja hybridihyökkäystä. Yhdessä tapauksessa tutkijat yrittivät hyökkäystä soittamalla käyttäjän hammasliikkeen ääntä hyökkääjän suuhun pienellä kaiuttimella ja havaitsivat, että alle 20 cm:n etäisyyksillä tällä hybridihyökkäysmenetelmällä on yli 1 %:n todennäköisyys. menestyksestä.

Kaikissa muissa skenaarioissa kohteen sisäisen kallon rakenteen jäljitteleminen esimerkiksi toistohyökkäyksen aikana tekee "kaappaus"-skenaariosta vähiten todennäköisimmän riskin biometristen todennuskehysten standardiajon aikana.

Laajat kokeet osoittivat, että TeethPass saavutti keskimääräisen 98.6 prosentin todennustarkkuuden ja pystyi vastustamaan 98.9 prosenttia huijaushyökkäyksistä.

* Muutokseni tekijöiden tekstin sisäisistä viittauksista hyperlinkeiksi

Julkaistu ensimmäisen kerran 18. huhtikuuta 2022. Päivitetty 19. huhtikuuta klo 8 EET tekstitysten virheellisten pakkausmerkintöjen korjaamiseksi.