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Biometrische Identifikationsverfahren

Seminar SS 2004

Matthias Schwan

Handgeometrieerkennungssystem

Martin Kost

kost@informatik.hu-berlin.de

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung/Grundlagen

2. Technologie, Scanvorgang

3. Fehlerrate, Täuschung

4. Anwendungen & aktueller Markt

5. Stärken und Schwächen

6. Vergleich mit anderen biometrischen Verfahren

7. Zusammenfassung

Literaturangabe

1.Einführung und Grundlagen Die Praktische Bedeutung der Handerkennung lässt sich gut an seinen Einsatzbereichen veranschaulichen. Sie nimmt etwa 30 – 40% des Marktanteils der biometrischer Identifikation ein. Handerkennung ist eines der ersten biometrischen Identifikationssysteme überhaupt und profitiert sehr stark von seiner über 20 jährigen praktischen Anwendung.

Wichtige Einsatzbereiche waren bis dato Kernkraftwerke, vor allem in den USA (90% der AKWs), Gefängnisse, militärische Anlagen, Große Universitäten, Krankenhäuser und Flughäfen.

Biometrische Einordnung Bei der Handerkennung sind relevante biometrische Merkmale die Höhe und Breite des Handrückens und der Finger, sowie deren relative Lagen. Nicht relevant sind der Abdruck der Handfläche (Palmprint) und die Fingerspitzen, da die Nägel nachwachsen und geschnitten werden.

Das Verwenden des Abdrucks einer Handfläche (Palmprint) stammt aus dem Gebiet der Forensic. Es stellt eine neue Methode dar, deren Genauigkeit wie beim Fingerabdruck sehr groß ist und auch zur Identifikation ausreicht. Der Abdruck der Handfläche ist wie die Gesamtheit der verwendeten Merkmale bei der Handerkennung ein sehr stabiles Merkmal und bietet zudem mehr Fläche als ein Fingerabdruck, wodurch die Auswertbarkeit verbessert wird.

Weitere ähnliche Ansätze zur Handerkennung sind die Verifizierung anhand der Struktur zweier Finger (Anwendungen rar) und die Erfassung der Venenmuster einer Hand.

Eigenschaften der Hand Bereits der Schatten einer Hand gilt als einzigartig. Man kann auch mit Recht sagen, die Hand eines Menschen ist einzigartig. D.h. dass die Gesamtheit der Menge von Merkmalen der Hand einzigartig ist. Dazu gehören die Knochenstruktur, die Höhe und Breite des Handrückens und der Finger, die Länge der Finger, Krümmungen und relative Lagen.

Wie bereits erwähnt sind diese Merkmale auch relativ stabil. Sobald ein Mensch das Erwachsenenalter erreicht hat (mit ca. 20 Jahren), gibt es kaum natürliche Veränderungen der Hand. Sie wird auch wenig durch Krankheiten oder Verletzungen beeinflusst. Ausnahmen bilden dabei Schwellungen, welche die darunter liegende Struktur verstecken, Arthritis, und schwere Handverletzungen. Selbst das Alter verändert nicht die Form der Hand. Es wird „nur“ die Haut in Mitleidenschaft gezogen.

2. Technologie, Scanvorgang Die Komponenten eines Handerkennungssystems (HES auch Hand-Scanning-System) sind meist in einem Gerät integriert. Dazu gehören Hardware, Software und Speicher.

Die Hardware bei einem Hand-Scanner besteht i.A. aus einer Kamera (CCD) zum Erfassen der Merkmale in Form einer 3D-Bildaufnahme, einem Display für die Interaktion mit dem Nutzer (bei einem Fehler wird die Problemzone angezeigt) und einem kleinen Prozessor zum Erstellen der Templates und zu deren Überprüfung. Oft sind auch ein Lesegerät für Karten mit Nutzer-IDs oder eine PIN-Eingabe integriert.

Die Software steuert die Hardware und ist meist sehr speziell, da Handerkennungsgeräte oft in andere Systeme integriert werden (häufig Zahlungssysteme).

Der Speicher eines HE-Systems nimmt Templates mit einer geringen Größe von 9 bis 20 Byte auf und kann dadurch viele Nutzer erfassen. Z.T. wird der Speicher auch zentral verwaltet, um die Notwendigkeit einer mehrfachen Registrierung bei mehreren möglichen Zugängen zu vermeiden.

Zurzeit gibt es für HESe nur einen bedeutenden Hersteller, was eine geringe Variation der Geräte bedingt.

Registrierung (Enrolment) Bei der Registrierung eines Nutzers ist die Positionierung des Gerätes zu beachten. So entscheidet die Höhe z.B. darüber ob der Nutzer sitzen oder stehen muss. Eine Anleitung und ein Training der Benutzer muss im Voraus erfolgen, um eine korrekte Handhabe zu garantieren, beispielsweise welche Finger zuerst aufgelegt werden müssen oder wie die Hand auszurichten ist.

Die gesamte Registrierung dauert lediglich 5 bis 30 Sekunden, wobei mehrere Scans durchgeführt werden. Drei Aufnahmen werden erstellt und aus ihnen der Mittelwert berechnet, um das Template zu bilden. Das Template (Hand Geometrie Code) wird zusammen mit der Nutzer-ID gespeichert.

Verletzt sich ein Benutzer oder befindet er sich noch in der Wachstumsphase ist die Registrierung laufend zu aktualisieren.

Verifikation Hier wird nur die Verifikation besprochen, da bei der Identifikation einer größeren Personengruppe es vorkommen kann, dass zwei Menschen eine sehr ähnliche Handstruktur aufweisen. Deshalb wird ein HES meist nur zur Verifikation anhand einer Nutzer-ID verwendet.

Die Verifikation dauert nur 2-5 Sekunden und man muss für diese Zeit seine Aufmerksamkeit nicht auf das Gerät lenken, sondern kann sich in Ruhe weiter unterhalten. Vor dem Scanvorgang gibt man seine Nutzer-ID mit einer Karte oder durch einen PIN ein. Der anschließende Scan dauert weniger als eine Sekunde. Der nächste Schritt besteht aus dem Vergleich des Templates, welches zu der angegebenen Nutzer-ID gehört mit den gescannten Werten. Der EER liegt bei einer großen Testmenge bei ca. 0,1 %. Die Wahl des Schwellwertes spielt auch hier eine große Rolle.





Im Vergleich zu einer Identifikation erfolgt kein vollständiger Datenbank-Scan.

Anforderungen an den Benutzer Die Anforderungen an den Benutzer sind recht gering, woraus, auch durch die geringe Informationserfassung bedingt, eine große Akzeptanz bei den Benutzern resultiert. Ein Training muss vor der erstmaligen Benutzung trotzdem erfolgen. Wichtig ist das Erlernen der richtigen Positionierung der Hand. Fünf Stifte, welche die Finger trennen, helfen dabei. Die Handfläche muss flach aufgelegt werden. Gibt es einen Fehler wird die Problemzone durch das integrierte Display angezeigt.

Probleme treten auf, wenn Benutzer Arthritis oder kleine Hände besitzen. Sie können entweder die Finger nicht weit genug spreizen, die Finger nicht richtig positionieren oder die Hand nicht flach auflegen. Dadurch erhält man zu wenige Daten für die Registrierung.

Die Unempfindlichkeit bei kleinen Verletzungen, Schmutz und dünnen Latexhandschuhen wurde bereits angesprochen.

Ergebnis Die Merkmalserfassung erfolgt durch eine CCD-Kamera, welche 32kPixel Bilder in weniger als einer Sekunde liefert. Es werden mindestens zwei 3D-Bilder aufgenommen/erstellt. Die Hand wird von oben und von der Seite fotografiert. Dabei werden mehr als 90 Merkmale erfasst. Das generierte Template ist dann 9 bis 20 Byte groß. Durch diese geringe Größe können 10.000e Muster und mehr gespeichert werden. Die meisten anderen biometrischen Templates sind mindestens 100 Byte und viele 1000 Byte groß, was auch ein Hinweis auf die geringe Einzigartigkeit der Hand-Scan-Templates ist.

Merkmalsauswertung siehe Paper [AVBPA]3. Fehlerrate, Täuschung

Die Fehlerraten von HE-Systemen zeigen, dass die Handerkennung etwas anfällig für falsches Annehmen (false matching) und falsches Ablehnen (false nonmatching) von Nutzern ist. Eine Evaluierung ergab, dass der EER-Wert (equal error rate) bei einer großen Testmenge 0,1 % groß war. Würde man das System für eine Identifikation von Personen in einem Flughafen verwenden, würde im Schnitt jeder 1000te Nutzer nicht eindeutig identifizierbar sein. Das ist absolut inakzeptabel. Der FAR-Wert (false acceptance rate) lag bei der Evaliierung zwischen 0,1 und 5,0 % und der FRR-Wert (false rejection rate) zwischen 0,2 und 5,0 %. Der FERWert (false enrolement rate) fiel wie zu erwarten war sehr gering aus.

Wie bei anderen biometrischen Identifikationsverfahren spielt auch hier die Wahl eines guten Schwellwertes eine wichtige Rolle. Generell sind zwar zwei Hände verschieden, aber bei einer großen Personenanzahl sind sehr ähnliche Strukturen möglich, welche dann aufgrund von Messtoleranzen ein falsches Annehmen (false matching) möglich machen. Aufgrund dieser Fehlerraten eignet sich das System nur für eine 1:1 Identifizierung, also zur Verifizierung von Personen anhand einer User-ID. Diese User-ID wird oft durch einen PIN erfasst/kodiert oder auf einer Identifikationskarte gespeichert.

Täuschung des Systems Die Täuschung eines HS-Systems ist sehr schwierig. Solange man nicht seine Hand verliert, ist es kaum möglich unwissentlich einen Abdruck seiner Hand zu hinterlassen. Man müsste ein 3D-Modell der Hand erstellen und dabei die auszuwertenden Merkmale exakt nachbilden, um das System zu täuschen. Für dieses Modell wäre zu mindest ein gutes 3D-Foto der Hand erforderlich.

4. Anwendungen & aktueller Markt

Die Anwendungsbereiche für die Handerkennung sind recht vielfältig und nur durch die Apparatur beschränkt (recht groß und schwer ~ 4,5 kg und damit z.B. nicht für DesktopAnwendungen geeignet).

Die erste betrachtete Anwendungsart stellt die Benutzung in Kombination mit einem PIN dar.

Der Nutzer gibt seinen PIN/Nutzer-ID ein, woraufhin das Gerät das entsprechende Template aus der Datenbank lädt. Weiter verifiziert der Benutzer die angegebene Identität mit seinem Geometrischen Code. Diese Variante verhindert z.B. einen Kartenverlust.

Bei der zweiten Anwendungsart wird ein Kartenlesegerät integriert. Die Nutzer-ID ist auf der Karte gespeichert. Den PIN zur Karte stellt der Geometrische Code dar. Die Variante verhindert z.B. den PIN-Verlust.

Eine Nutzung im stand-alone Modus beschreibt die dritte Anwendungsart. Hier liegt eine eingeschränkte Nutzergruppe vor und der Handscanner bildet das komplette Zugriffskontrollsystem.

Die Anwendung der Handgeometriescans lässt auch die Benutzung durch Behinderte (Blinde etc.) zu und gestattet ebenso die Benutzung im Freien, wo nur Probleme bei Kälte mit kondensierter Feuchtigkeit oder mit direktem Sonnenlicht (Blenden der IR-Aufnahme) auftreten können.

Der Handgeometrie-Markt Die Handerkennung nimmt etwa 30 – 40% des Marktanteils der biometrischer Identifikation ein. Der Handgeometrie-Markt selbst teilt sich in nur zwei relevante Anbieter, wobei Recognition Systems Inc. (RSI), USA einen Marktanteil von 90% besitzt. Hier kommt eine 9 Byte Code zum Einsatz. Der andere relevante Anbieter ist Biomet Partners, Murten aus der Schweiz. Hier werden nur zwei Finger (Zeige- und Mittelfinger) für die „Hand“-erkennung genutzt und ein 14 – 20 Byte Code verwendet.

Praktischer Einsatz Der praktische Einsatz lässt sich zum einen in allgemeinen Anwendungen zeigen und zum anderen in einzelnen Großprojekten.

Die erste allgemeine Anwendung stellen Sicherheitsschleusen bei Banken dar. Diese Schleusen lassen nur Personen durch, wenn die Anzahl der Personen in der Schleuse gleich der Anzahl verschiedener Zugangsberechtigungen nach Geometrie-Messung ist. Diese Anwendung betrifft das Verhindern illegalen Weiterreichens von Berechtigungen. Man will z.B. die Weitergabe von Berechtigungskarten verhindern. Eine Variante ohne Schleuse wäre die Bedingung, dass eine Hand nicht zweimal kurz hintereinander verwendbar ist, wobei eine Ein-Mann-Zelle noch sicherer wäre (Zutritt mit ID oder Berechtigungskarte und Weitegehen mit zugehörigem Geometrischem Code).

Die Zeitmessung und –Zuordnung am Arbeitsplatz ist eine weitere allgemeine Anwendung.

Dabei können Kollegen nicht eine andere Person als sich selbst aus-/einchecken.

Einen Einsatz in verschiedenen Formen finden Handgeometriesysteme, wie bereits oben erwähnt, auch in großen Universitäten, Krankenhäusern, Kernkraftwerken (vor allem in den USA (90% der AKWs)), Gefängnissen, militärischen Anlagen und Flughäfen.

Konkrete Anwendungen für Handgeometriesysteme sind z.B. die Beschränkung des Zugriffs für Webseiten, wozu es einen Prototypen von MSU gibt (http://biometrics.cse.msu.edu) oder größere Systeme, wie der Einsatz bei den Olympischen Spielen 1996.

Das INSPASS-Programm (Immigration and Naturalization Service Passenger Accelerated Service System) ist ein Projekt aus den USA, welches eine schnelle Abfertigung von Personen, die oft in die USA einreisen, ermöglichen soll. Es gab im Jahr 2001 40.000 bis

50.000 Nutzer des Systems, welche damit recht zufrieden gewesen sein sollen. Allerdings stellt die Registrierung für die Behörden einen enormen Aufwand dar, wodurch das Programm keine erhofften Ersparnisse brachte. „Low-risk“ US-Bürger und kanadische Einwohner können sich ebenfalls am ähnlichen CANPASS-Programm registrieren lassen. Bei CANPASS wird im Gegensatz zu INSPASS mit einer Finger-Scan-Technologie gearbeitet.

Ein weiteres ähnliches System gibt es auch in Tel Aviv für international Reisende mit ca.

50.000 Nutzern im Monat.

Das Disney World in Orlando, Florida verwendet ein Handgeometriesystem zur Verhinderung der Weitergabe von Berechtigungskarten für Ermäßigungen. Das System wurde von Biomet Partners realisiert.

Beispiel-Gerät Hier wird kurz die Biomet‘s FingerFoto Kamera vorgestellt. Zum Einsatz kommt hierbei eine Finger-Scan-Technologie. Es ist ein Kartenleser oder eine PIN-Eingabe integriert. Das erzeugte Template ist 20 Byte groß. Weiter erfolgt hier die Verschlüsselung und Speicherung des Templates nur auf einer Smartcard. Diese Smartcard ist weltweit einsetzbar. Auch weitere Varianten des Geräts sind verfügbar. Pro Gerät ist der Einsatz von bis zu 8000 Benutzern möglich.

5. Stärken und Schwächen

Nun werden die Stärken und Schwächen von Handerkennungssystemen (HES) herausgestellt.



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