Remote Photoplethysmographie (rPPG) mit Time-of-Flight-Kamera (ToF) 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:

• Nah-Infrarot-Fälschungserkennung (NIR-PAD)
• 3D-Fälschungserkennung (3D-PAD)

Im Bereich der 3D-Fälschungserkennung stellt die ToF-Kamera aufgrund ihrer Performanz und Integrierbarkeit einen vielversprechenden Ansatz dar.

Forschungsziel im BEZ-Kontext

Ziel der Untersuchung ist die Bewertung und Entwicklung von 3D-ToF-Kameras zur Fälschungserkennung in der Gesichtsbiometrie und die Integration in bestehende Systeme.

Kurzbeschreibung der Technologie

ToF-Kameras sind spezielle 3D-Kamerasysteme, die auf dem Lichtlaufzeitprinzip basieren. Dabei wird die Szene (in diesem Fall das Gesicht) mit moduliertem Infrarotlicht beleuchtet und aus der Laufzeit des reflektierten Lichts ein präzises Tiefenbild errechnet. Zusätzlich messen die ToF-Systeme die Menge des von der Szene zurückgestrahlten Lichts und geben diese als Amplitudenbild aus. Die Amplitudenbilder erlauben Rückschlüsse auf die Reflexionseigenschaften der Haut.

Methodik

Im Kontext der PAD-Technologie in der Gesichtsbiometrie wird die ToF-Kamera für Remote Photoplethysmographie (rPPG) eingesetzt – ein Verfahren, das die berührungslose Herzfrequenzmessung erlaubt.

Im BEZ ist der Messaufbau integriert in die Langzeittestreihen des BEZ, bei denen Testpersonen mehrmals pro Woche biometrische Systeme vor Ort testen. Dies ermöglicht regelmäßige Tests mit echten, berechtigten Nutzern (Bona Fide-Tests). Im Gegensatz dazu werden außerhalb der Langzeittestreihen zusätzlich gezielte Angriffe mit Masken aus unterschiedlichen Materialien untersucht (PAD-Tests).

Für die Messungen kommt eine industrielle 3D-ToF-Kamera zum Einsatz, die in jedem Testlauf Tiefen- und Amplitudenbilder aufnimmt. Zeitgleich werden Referenzdaten zur Herzfrequenz mittels Finger-Pulsoximeter erfasst. Die rPPG-Signale der ToF-Kamera werden über Gesichtspartien (Stirn, Wangen) extrahiert und anschließend im Frequenzbereich ausgewertet.

Die Erkennung von Überwindungsangriffen erfolgt dabei nicht nur durch die Analyse von Bewegungsmustern, sondern auch über die Qualität und Präsenz physiologischer Signale, die bei echten Präsentationen vorhanden sind. Hierfür wird u. a. die sogenannte Spectral Pulse Peak prominence Ratio (SPR) herangezogen – eine Metrik, die auf dem Verhältnis zwischen dem Pulsfrequenzsignal und dem Restspektrum basiert. Zusätzlich wird die Bewegung in der Tiefe über die Standardabweichung der ROI-Tiefenwerte analysiert, um auffällige Muster (z. B. Mikrobewegungen bei Angriffen) zu erkennen.

Durch die gleichzeitige Nutzung von 2D- (Amplituden-) und 3D-Daten ergibt sich die Möglichkeit, sowohl geometrische Merkmale als auch physiologische Signale zu extrahieren und für die PAD-Analyse zu kombinieren. Diese spezielle Kombination zielt darauf ab, die Robustheit biometrischer Systeme gegenüber Angriffen signifikant zu erhöhen.

In weiteren Ausbaustufen ist die Integration einer RGB-Kamera geplant, um zusätzliche Vergleichs- und Validierungsdaten zu gewinnen.

Studentische Arbeiten und Praxisprojekte

• Berührungslose Messung des Pulsschlags mittels Kamera
• Materialcharakterisierung mit 3D-Kamera mittels Streueigenschaften
• 3D-Fälschungserkennung