Hauterkennung mit Nah-Infrarot-Sensorik am BEZ

Hintergrund und Problemstellung

Eine der größten Herausforderungen in der Biometrie stellt die Überwindungssicherheit, d.h. die Resistenz biometrischer Systeme gegenüber gezielten Überwindungsangriffen (Presentation Attack Detection, PAD), dar. Zum einen existiert eine Vielzahl von Angriffsvarianten, z.B. Gesichtsmasken, Fingerfälschungen (unter Berücksichtigung von Entwicklung in der KI mit steigernder Tendenz), zum anderen können Sicherheits-Einschätzungen nur selten von einem System auf ein anderes übertragen werden. Meist muss die Überwindungssicherheit bei jeder Änderung von Soft- oder Hardware neu evaluiert werden.

Unter diesen Gesichtspunkten sind eine regelmäßige Evaluation und Verbesserung bestehender PAD-Technologien sowie die Entwicklung neuer PAD-Technologien zwingend notwendig.

Das BEZ verfolgt dabei zwei PAD-Ansätze:

• Nahinfrarot-Fälschungserkennung (NIR-PAD)
• 3D-Fälschungserkennung (3D-PAD)

Forschungsziel im BEZ-Kontext

NIR-PAD wird in der Gesichtsbiometrie bereits erfolgreich eingesetzt. Die Untersuchungen im BEZ zielen auf eine Verbesserung bestehender Systeme sowie auf die Ausweitung von NIR-PAD auf weitere biometrische Modalitäten, z.B. Fingerbiometrie.

Kurzbeschreibung der Technologie

Die Erkennung von Haut basiert auf der Messung von NIR-Strahlung. Beleuchtet man eine Probe (wie z.B. Haut oder Fälschungsmaterialien) mit NIR-Strahlung, reflektiert diese nur einen gewissen Teil während der übrige Teil von der Probe absorbiert wird. Dieser reflektierten Anteil, auch Spektrum genannt, kann mittels verschiedener Sensoren erfasst werden und unterscheidet sich von Material zu Material. Das Spektrum entsteht durch die Wechselwirkung der chemischen Bestandteile des Materials, wobei insbesondere organische Verbindungen für den charakteristischen Verlauf des Spektrums verantwortlich sind. Deshalb eignen sich NIR-Spektren besonders gut zur Erkennung von Haut oder polymerbasierten Fälschungen wie z.B. 3D gedruckten Fingerabdrücken. Beide bestehen aus organischen Molekülen, die ein eindeutig identifizierbares Spektrum erzeugen. Für die Erkennung von Haut hat diese Technologie den entscheidenden Vorteil, dass die Hautfarbe keinen Einfluss auf das Spektrum der Haut hat. Und sich so alle Hauttypen mit NIR-Sensorik gleich gut detektieren lassen

Methodik

Für die Messung der NIR-Spektren setzten wir zwei verschiedene Geräte ein.

Das Erste ist eine Kombination aus zwei Spektrometern mit Halogenbeleuchtung, eins für den visuellen Bereich (280 nm – 900 nm) und eins für den NIR-Bereich (860 nm-1760 nm). Die Kombination der beiden Spektrometer ermöglicht die Aufnahme eines möglichst breiten Spektrums.

Das zweite Gerät ist ein selbst entwickelter NIR-Punktsensor mit LED Beleuchtung. Er ist deutlich kleiner und günstiger als die Spektrometer, weshalb er sich besser für die praktische Anwendung eignet. Beide Geräte beleuchten jeweils die präsentierte Probe und messen dann deren Reflexionsspektrum. Mit den Spektrometern können vor allem umfassende Referenzdaten gemessen werden, während der Punktsensor die tatsächliche Hauterkennung durchführt.

Von den Testpersonen werden Reflexionsspektren der Stirn, der Handinnenfläche und vom Handrücken aufgenommen. Mit den erhobenen Daten soll die Hauterkennung für Fingerabdruck- und Gesichtserkennung-Systeme verbessert werden.

Studentische Arbeiten und Praxisprojekte

Laufende Arbeiten:

• Planung und Bau eines Gonioreflektometers zur Messung von winkelabhängigen Reflexionseigenschaften
• Generierung einheitlicher Haut-Klassifikatoren für die Punktsensoren aus den Spektrometerdaten

Abgeschlossene Arbeiten:

• Materialwissenschaftliche Grundlagen von Haut und biometrischen Fälschungen für die Gesichts- und Fingerabdruckbiometrie
• Light Scattering as a Material Property for Distinguishing Between Human Skin and Biometric Artefacts