Authentification biométrique par broyage des dents

Deux récentes études de recherche aux États-Unis et en Chine ont proposé une solution novatrice pour l’authentification basée sur les dents: il suffit de broyer ou de mordre légèrement les dents, et un dispositif porté à l’oreille (un «earable» qui peut également servir de dispositif audio) reconnaîtra le motif sonore unique produit par l’usure de la structure dentaire et générera un «passe» biométrique valide pour un système de défi équipé.

Divers dispositifs prototypes portés à l’oreille pour les deux systèmes. Sources: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2204/2204.07199.pdf (ToothSonic) et https://cis.temple.edu/~yu/research/TeethPass-Info22.pdf (TeethPass)

Les méthodes antérieures d’authentification dentaire (c’est-à-dire pour les personnes vivantes, et non pour l’identification médico-légale), nécessitaient que l’utilisateur «sourie et montre les dents» afin qu’un système de reconnaissance dentaire puisse confirmer que ses dents correspondaient aux dossiers biométriques. En été 2021, un groupe de recherche en Inde a fait les gros titres avec un tel système, intitulé DeepTeeth.

Les nouveaux systèmes proposés, appelés ToothSonic et TeethPass, proviennent respectivement d’une collaboration universitaire entre la Florida State University et la Rutgers University aux États-Unis; et d’un effort conjoint entre des chercheurs de l’Institut de technologie de Beijing, de l’Université Tsinghua et de l’Université de technologie de Beijing, travaillant avec le département des sciences informatiques de l’Université Temple à Philadelphie.

ToothSonic

Le système ToothSonic, entièrement basé aux États-Unis, a été proposé dans le document Authentification de l’utilisateur par dispositif portable à l’oreille via l’empreinte acoustique des dents.

Les auteurs de ToothSonic déclarent:

‘ToothSonic [exploite] l’effet sonore induit par les dents que les utilisateurs produisent en effectuant des gestes dentaires pour l’authentification par dispositif portable à l’oreille. En particulier, nous concevons des gestes dentaires représentatifs qui peuvent produire des ondes sonores efficaces contenant les informations de l’empreinte des dents.

‘Pour capturer de manière fiable l’empreinte acoustique des dents, il exploite l’effet d’occlusion du canal auditif et le microphone orienté vers l’intérieur des dispositifs portés à l’oreille. Il extrait ensuite des caractéristiques acoustiques multilevel pour refléter les informations intrinsèques de l’empreinte des dents pour l’authentification.’

Facteurs d’impact contribuant à formuler une empreinte auditive unique enregistrée dans un dispositif portable à l’oreille. Source: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2204/2204.07199.pdf

Les chercheurs notent un certain nombre d’avantages des modèles de signature aural dentaire/crânienne, qui s’appliquent également au projet principalement chinois. Par exemple, il serait extrêmement difficile de reproduire ou de contrefaire l’empreinte des dents, qui doit traverser l’architecture unique des tissus de la tête et du canal crânien avant d’arriver à un «modèle» enregistrable contre lequel les authentifications futures seraient testées.

En outre, l’identification basée sur l’empreinte des dents élimine non seulement le potentiel d’embarras de «sourire et montrer les dents» pour une caméra mobile ou fixe, mais supprime également la nécessité pour l’utilisateur de se distraire d’activités potentiellement critiques telles que la conduite de véhicules.

En outre, la méthode convient à de nombreuses personnes ayant des déficiences motrices, tandis que les dispositifs peuvent potentiellement être intégrés dans des écouteurs dont l’utilisation principale est beaucoup plus courante (c’est-à-dire l’écoute de musique et les appels téléphoniques), supprimant la nécessité de dispositifs d’authentification dédiés ou de recours à des applications mobiles.

De plus, la possibilité de reproduire la dentition d’une personne dans une attaque de contrefaçon (c’est-à-dire en imprimant une photo à partir d’une publication non restreinte sur les médias sociaux), ou même en reproduisant ses dents dans le scénario peu probable d’obtenir des moules dentaires complets et complexes, est éliminée par le fait que les sons que les dents produisent en les broyant sont filtrés à travers la géométrie interne complètement cachée de la mâchoire et du canal auditif.

De la partie du document ToothSonic, l’effet d’occlusion du canal auditif rend la reproduction ou l’imitation accidentelle effectivement impossible.

En tant que vecteur d’attaque, la seule opportunité restante (en dehors de la coercition physique et de la force exercée sur l’utilisateur) est d’obtenir l’accès à la base de données du système de sécurité hôte et de substituer complètement l’empreinte auditive de l’utilisateur par le modèle de l’attaquant (puisqu’obtenir illicitement l’empreinte des dents de quelqu’un d’autre ne conduirait pas à une méthode d’authentification pratique).

Flux de travail pour ToothSonic.

Bien qu’il existe une petite opportunité pour un attaquant de lire une enregistrement de la mastication dans sa propre bouche, le projet mené par les Chinois a constaté que cette approche n’est pas seulement visible, mais également très malchanceuse, avec des chances de succès minimales (voir ci-dessous).

Un sourire unique

Le document ToothSonic décrit les nombreuses caractéristiques uniques dans la dentition d’un utilisateur, notamment les classes d’occlusion (comme la surbite), la densité de l’émail et la résonance, les informations auditives manquantes des dents extraites, les caractéristiques uniques des substitutions en porcelaine et en métal (parmi d’autres matériaux possibles), et la morphologie des cuspides, parmi de nombreuses autres caractéristiques distinctives.

Les auteurs déclarent:

‘[Les] ondes sonores induites par les dents sont capturées via le canal dentaire-oreille privé de l’utilisateur. Notre système est ainsi résistant aux attaques de mimétisme et de lecture avancées, car le canal dentaire-oreille privé de l’utilisateur sécurise les ondes sonores, qui sont peu susceptibles d’être découvertes par les adversaires.’

Puisque le mouvement de la mâchoire a une gamme de mobilité limitée, les auteurs prévoient dix manipulations possibles qui pourraient être enregistrées comme des empreintes biométriques viables, illustrées ci-dessous sous la forme de «gestes dentaires avancés»:

Certaines de ces mouvements sont plus difficiles à réaliser que d’autres, bien que les mouvements plus difficiles ne résultent pas en des modèles qui soient plus ou moins faciles à reproduire ou à contrefaire que les mouvements moins difficiles.

Les caractéristiques macroscopiques des mouvements de dents appropriés sont extraites à l’aide d’un modèle de mélange gaussien (GMM) de reconnaissance de locuteur. Les coefficients cepstraux de fréquence de Mel (MFCC), une représentation du son, sont obtenus pour chacun des mouvements possibles.

Six différents gestes de glissement pour le même sujet lors de l’extraction des MFCC sous le système ToothSonic.

L’onde sonore de signature unique qui compose la signature biométrique unique est très vulnérable à certaines vibrations du corps humain; par conséquent, ToothSonic impose un filtre de bande entre 20-8000Hz.

La segmentation de l’onde sonore est réalisée via un modèle de Markov caché (HMM), conformément à deux travaux antérieurs travaux d’Allemagne.

Pour le modèle d’authentification, les caractéristiques dérivées sont alimentées dans un réseau neuronal entièrement connecté, traversant diverses couches jusqu’à l’activation via ReLU. La dernière couche entièrement connectée utilise une fonction Softmax pour générer les résultats et l’étiquette prédite pour un scénario d’authentification.

La base de données d’apprentissage a été obtenue en demandant à 25 participants (10 femmes, 15 hommes) de porter un écouteur modifié dans des environnements du monde réel, et de mener leurs activités normales. L’écouteur prototype (voir première image ci-dessus) a été créé à un coût de quelques dollars avec du matériel grand public, et comporte un chip de microphone. Les chercheurs affirment qu’une mise en œuvre commerciale d’un tel dispositif serait parfaitement abordable à produire.

Le modèle d’apprentissage comprenait les classifieurs de réseau neuronal dans MATLAB, formés à un taux d’apprentissage de 0,01, avec LBFGS en tant que fonction de perte. Les méthodes d’évaluation pour l’authentification étaient FRR, FAR et BAC.

Les résultats globaux pour ToothSonic étaient très bons, en fonction de la difficulté du geste buccal interne effectué:

Les résultats ont été obtenus à travers trois niveaux de difficulté de geste buccal: confortable, moins confortable, et présente des difficultés.  L’un des gestes préférés de l’utilisateur a atteint un taux de précision de 95%.

En termes de limitations, les utilisateurs conviennent que les changements dans les dents au fil du temps nécessiteront probablement à l’utilisateur de réimprimer l’empreinte auditive des dents, par exemple après un travail dentaire notable. De plus, la qualité de l’émail peut se dégrader ou changer autrement au fil du temps, et les chercheurs suggèrent que les personnes âgées pourraient être invitées à mettre à jour leurs profils périodiquement.

Les auteurs conviennent également que les écouteurs multi-usages de ce type nécessiteraient à l’utilisateur de mettre en pause la musique ou la conversation pendant l’authentification (comme pour le TeethPass mené par les Chinois), et que de nombreux écouteurs disponibles actuellement n’ont pas la puissance de calcul nécessaire pour faciliter un tel système.

Cependant, ils observent*:

‘Encouragement, les sorties récentes du chip Apple H1 dans les AirPods Pro et QCS400 par Qualcomm (QCOM ) sont capables de prendre en charge l’IA basée sur la voix sur le dispositif. Cela implique que la mise en œuvre de ToothSonic sur un dispositif portable à l’oreille pourrait être réalisée dans un avenir proche.’

Cependant, le document concède que ce traitement supplémentaire pourrait avoir un impact sur la durée de vie de la batterie.

TeethPass

Publié dans le document TeethPass: Authentification de l’utilisateur basée sur l’occlusion dentaire via la détection acoustique dans l’oreille, le projet sino-américain fonctionne sur les mêmes principes généraux que ToothSonic, en tenant compte de la traversée du son de signature de l’abrasion dentaire à travers le canal auditif et les structures osseuses intermédiaires.

La suppression du bruit de l’air est effectuée au stade de la collecte de données, combinée avec une réduction de bruit et – comme dans l’approche ToothSonic – un filtre de fréquence approprié est imposé pour la signature auditive.

Architecture du système TeethPass.

Les caractéristiques MFCC extraites finales sont utilisées pour former un réseau neuronal siamois.

Structure du réseau neuronal siamois pour TeethPass.

Les métriques d’évaluation pour le système étaient FRR, FAR et une matrice de confusion. Comme pour ToothSonic, le système s’est avéré robuste face à trois types d’attaques possibles: la mimétique, la lecture et l’attaque hybride. Dans un cas, les chercheurs ont tenté une attaque en faisant jouer le son du mouvement dentaire d’un utilisateur à l’intérieur de la bouche d’un attaquant, avec un petit haut-parleur, et ont constaté qu’à des distances inférieures à 20 cm, cette méthode d’attaque hybride a plus d’1 % de chances de réussite.

Dans tous les autres scénarios, l’obstacle de la reproduction de la construction interne du crâne cible, par exemple lors d’une attaque de lecture, rend un scénario de «piratage» l’un des risques les moins probables dans le cadre standard des cadres d’authentification biométrique.

Des expériences approfondies ont démontré que TeethPass a atteint une précision d’authentification moyenne de 98,6 % et pouvait résister à 98,9 % des attaques de contrefaçon.

* Ma conversion des citations en ligne des auteurs en hyperliens

Publié pour la première fois le 18 avril 2022. Mis à jour le 19 avril à 8h30 EET pour corriger les erreurs d’attribution de packages dans les légendes.