Biometrische Systeme vor Täuschungen schützen

Beautiful woman and eye with digital biometric scanning and data analysis. Face detection and scanner. Concept of face id and artificial intelligence
Bild: Bild: ©ImageFlow/stock.adobe.com

Die IT-Sicherheitsorganisation FIDO-Allianz (Fast IDentity Online) definiert in ihren Biometric Requirements drei verschiedene Angriffsarten (Level A, B und C), die nach Zeitaufwand, der notwendigen Expertise und des Zugangs zur Quelle der biometrischen Daten geordnet sind (siehe Tabelle).

Um ein System gegen solche Angriffe zu schützen, gibt es verschiedene Ansätze. Eine Möglichkeit ist es, mit weiteren Sensoren zusätzliche Informationen zu erfassen, wie etwa Tiefeninformationen. Ein Beispiel hierfür ist das in Apples iPhones verbaute FaceID, das einen Lidar-Sensor für die dreidimensionale Abtastung des Nutzergesichts verwendet. Weitere Möglichkeiten sind Infrarot-, Wärmebild-, Lichtfeld-, Multispektral- und Stereokameras. Der Einsatz von zusätzlichen Sensoren ist jedoch oft mit hohen Kosten für Entwicklung und Material verbunden und nicht in allen Designs realisierbar. Zudem sind Verbesserungen für bestehende Systeme selten eine Optionen. Zusätzlich bedroht der Fortschritt im 3D-Druck zunehmend auch die Sicherheit von Systemen, die mit Tiefensensoren oder 3D-Kameras ausgestattet sind.

Es gibt jedoch eine Reihe von Möglichkeiten, rein kamerabasierte Gesichtserkennungssysteme robuster gegen Angriffe aller drei FIDO-Arten zu machen. Dabei wird zwischen statischer und dynamischer Analyse unterschieden. Statische Verfahren werten dabei nur ein Bild aus, dynamische Verfahren verarbeiten Informationen aus mehreren Bildern gleichzeitig.

Die statische Analyse

Statische Methoden basieren darauf, dass sie gefälschte Gesichtsdaten – etwa Masken, Bildschirme oder Papierdruck – nutzen, die sich in ihrer Qualität und ihrem Aussehen von echten Gesichtern unterscheiden. Dabei geht es um Unterschiede in der Textur, aber auch bei der Reflexion und Absorption, sowie der Streuung und Brechung des Lichts durch das betrachtete Material. Ein Nachteil ist die starke Abhängigkeit von der Qualität der Aufnahme, die vor allem durch die Kameraauflösung und die Lichtbedingungen beeinflusst wird.

Durch die sich stetig verbessernde Verfügbarkeit von Beispieldaten für diese Aufgabe und maschinellem Lernen sind die Resultate dieser Verfahren mittlerweile sehr vielversprechend. Eine Einschränkung ist, dass sie nur bei bekannten Angriffsarten unter bekannten Umständen wirklich gut funktionieren.

Da ein Modell nur mit Bildern bekannter Täuschungsversuche trainiert wird, ist ein Schutz gegen alle drei Angriffsebenen zwar möglich, neue Angriffsmethoden könnten diese jedoch wieder aushebeln. Ein entsprechendes System sollte daher dauerhafte Updatefähigkeit bieten.

Dynamische Analyse

Dynamische Methoden verwenden Informationen aus mehreren Frames der Kamera. Sie basieren also auf Bewegungen, die auf eine echte Person schließen lassen. Die Methode lässt sich weiter unterteilen in passive Methoden, die auf natürliche Bewegungen der Person reagieren, und aktive Methoden, die eine bestimmte Aktion des Nutzers fordern. Für die Nutzerfreundlichkeit eines Zugangskontroll- oder besonders eines Zeiterfassungssystems sollte man sich auf Methoden beschränken, die keine bis nur minimale aktive Kooperation des Nutzers erfordern.

Ein Ansatz, der sich auf die Erkennung von Level-B- und besonders auf Level-A-Angriffen fokussiert, nutzt Optical Flow. Diese Methode untersucht, ob die sichtbare Bewegung die Pixel der Rotation einer ebenen Fläche um sich selbst entsprechen, wie es bei einem Foto der Fall wäre. Andere auf Optical Flow basierende Methoden suchen eine Korrelation zwischen der Bewegung des Gesichts und des unmittelbaren Hintergrunds. Synchrone Bewegung von Gesicht und Hintergrund, wie bei Bewegungen von handgehaltenen Fotos oder Mobilgeräten, würden so als Angriff, und die rein unkorrelierte Bewegung als echte Person klassifiziert werden. Diese Methoden erfordern ein gewisses Mindestmaß an Nutzerbewegung, um effektiv zu sein.

Ein weiterer Ansatz setzt auf den Fokus der Kamera. Durch leichtes Verschieben der Fokusdistanz am erkannten Gesicht vorbei, kann durch Änderung der Pixelwerte zum fokussierten Bild ein Tiefenprofil erstellt werden. Die Genauigkeit hängt dabei von der Größe des Fokusbereichs der Kamera, und damit von dessen Blende, Brennweite und Sensorgröße ab. Bei dieser Methode wird zudem davon ausgegangen, dass zwischen den beiden Bildern keine wesentliche Bewegung in der Szene stattgefunden hat.

Diese Methoden wären jedoch nur bedingt oder überhaupt nicht in der Lage, Level-C-Angriffe mittels Masken erfolgreich abzuwehren. Hierfür existieren mittlerweile Methoden, die den menschlichen Herzschlag über die leichten Farbänderungen in kurzen Bildabfolgen einer RGB-Kamera ermitteln können. Die Nachteile dieser Methode sind der negative Einfluss von Bewegung, sowie der etwa fünfsekündige Betrachtungszeitraum den das System mindestens benötigt.

Presentation Attack Detection

Die vorgestellten Methoden haben alle verschiedene Vor- und Nachteile. Es ist daher naheliegend verschiedene Ansätze dynamischer sowie statischer Analyse parallel einzusetzen, um in allen Situationen hinreichende Sicherheit und Nutzbarkeit bieten zu können. Da die Gesichtserkennung und das Presentation Attack Detection-System in der Regel parallel laufen können, ist es üblich die Ergebnisse beider Systeme in der Entscheidung über die Echtheit des Authentifizierungsversuchs zu vereinigen, was die Genauigkeit weiter verbessern kann. Dass in der Praxis ein rein kamerabasiertes System ausreichend gegen Angriffe gesichert werden kann, wurde von Google demonstriert: Das ‚Face Unlock‘ des Google Pixel 8 (Pro) genügt der höchsten biometrischen Sicherheitsklasse in Android und Nutzer können sich damit in Banking Apps authentifizieren.

Sicherheitsmaßnahmen sollten sich an der benötigten Sicherheitsstufe der Applikation orientieren.
Sicherheitsmaßnahmen sollten sich an der benötigten Sicherheitsstufe der Applikation orientieren. – Bild: ©IGphotography/istockphoto.com

Level-A PAD-System nur mit Face Detector

In der Praxis muss nicht zwangsläufig jeder Anwendungsfall für Gesichtserkennung gleichermaßen sicherheitskritisch sein. Da sich Zeiterfassungssysteme meistens in zugangsbeschränkten Bereichen befinden, sollten sie etwa gegen einfache Täuschungsversuche auf Level A, beispielsweise durch Schabernack treibende Arbeitskollegen, gewappnet sein.

Mit Embedded Hardware gegensteuern

Ein Experiment soll das Potenzial von Embedded-Hardware für Gegenmaßnahme aufzeigen: Der für die Erkennung und das Alignment der Gesichter bereits benötigte Face Detector erkennt mehrere Schlüsselpunkte, wie Augen, Nase, Mund und Ohren. Das verwendete BlazeFace-Modell zur Gesichtserkennung ist also bereits dazu fähig, die Lage des Kopfes im dreidimensionalen Raum hinter der zweidimensionalen Projektionsebene des Kamerabilds zu ermitteln. Diese Information kann in einem PAD-System genutzt werden, um festzustellen, ob sich das erkannte Objekt im Raum bewegt wie ein echter Kopf oder nur wie ein zweidimensionales Abbild. Die Grundidee ähnelt der beschriebenen auf Optical Flow basierenden Methode.

Im obigen Bild (S. 62) gezeigten Beispiel wurde der virtuelle Punkt zwischen den Ohren und der Nasenspitze verwendet, um die Lage des Kopfes im Raum zu visualisieren. Da der reale Abstand zwischen Nasenspitze und Mittelpunkt beider Ohren eine bekannte konstante Größe ist, kann mithilfe trigonometrischer Funktionen der relative Lagewinkel des Kopfes zur Projektionsebene berechnet werden. Durch gezieltes Drehen des Handyfotos wird das dargestellte Gesicht zwar verzerrt, der errechnete Lagewinkel des Kopfes wird dadurch jedoch nur unwesentlich verändert. Aufgrund der leichten Fehlerkennungen des BlazeFace-Modells durch die Verzerrung treten dabei relative Winkeldifferenzen von weniger als 10° auf. Bei einem echten Kopf sind meist schon innerhalb eines kurzen Zeitraums Unterschiede von über 20° zu beobachten, die unaufgefordert durch natürliche Bewegungen entstehen.

Diese Methode bietet einen effektiven Schutz gegen einfache Foto-Angriffe, wie in Level A nach FIDO definiert. Mehr als Level A ist damit aber in keinem Fall möglich, da sich dieses System durch eine Videoaufnahme täuschen lässt. Da jedoch lediglich das bereits implementierte BlazeFace-Modell genutzt wird, ist die zusätzlich benötigte Rechenleistung geringer, besonders im Vergleich zum hohen Rechenaufwand den die Optical Flow-Methode verursachen würde.

Fazit und Ausblick

Die Entwicklung eines auf Gesichtserkennung basierenden Zutrittskontroll- oder Zeiterfassungssystems ist mit überschaubaren Ressourcen realisierbar, wobei der Aufwand im Wesentlichen vom gewünschten Sicherheitsniveau abhängt. Sobald ein höheres Sicherheitsniveau erreicht werden soll, gilt es, entsprechend mehr Aufwand in die Presentation Attack Detection zu investieren. Da Angreifer potenziell ständig neue Methoden entwickeln, um die gängigen Methoden zu umgehen, muss das System im laufenden Betrieb mit Software-Updates aktualisierbar sein, um ausreichend gewappnet zu sein.



  • Aus Innovation.rocks und Augmentaio wird Svarmony

    Aus Innovation.rocks und Augmentaio wird Svarmony

    Die beiden Unternehmen Innovation.rocks und Augmentaio wollen fusionieren und zukünftig gemeinsam als AR-Spezialist Svarmony am Markt auftreten.

    mehr lesen: Aus Innovation.rocks und Augmentaio wird Svarmony

  • 5G-Ortungslösung für die Industrie

    5G-Ortungslösung für die Industrie

    Im Rahmen einer Partnerschaft haben die Telekom und Trumpf eine Ortungslösung entwickelt, die in einem 5G-Campusnetz betrieben werden kann. Durch den Omlox-Standard lassen sich unterschiedliche Endgeräte miteinander kombinieren.

    mehr lesen: 5G-Ortungslösung für die Industrie

  • Mit Low-Code gegen den Entwicklungsstau

    Mit Low-Code gegen den Entwicklungsstau

    Die Pandemie hat die Digitalisierung beschleunigt, aber auch zu einem zunehmendem Software-Entwicklungsstau geführt, so eine Studie von Mendix. Ein Low-Code-Ansatz kann helfen den damit einhergehenden Problemen zu begegnen.

    mehr lesen: Mit Low-Code gegen den Entwicklungsstau

  • Jochen Weyrauch folgt auf Ralf Dieter

    Jochen Weyrauch folgt auf Ralf Dieter

    Seit 2006 ist Ralf W. Dieter Vorstandsvorsitzender der Dürr AG. Zum Jahresende wird er sein Amt zur Verfügung stellen. Seine Nachfolge tritt Jochen Weyrauch an.

    mehr lesen: Jochen Weyrauch folgt auf Ralf Dieter

  • Zugang zur Formnext nur für Geimpfte und Genesene

    Zugang zur Formnext nur für Geimpfte und Genesene

    Im November findet die 3D-Druck-Messe Formnext in Frankfurt statt. Wie der Veranstalter nun bekanntgegeben hat, kommt dabei die 2G-Regel zum tragen.

    mehr lesen: Zugang zur Formnext nur für Geimpfte und Genesene

  • Lieferengpässe drücken die Stimmung der Automobilindustrie

    Lieferengpässe drücken die Stimmung der Automobilindustrie

    Die Engpässe bei Vorprodukten wirken sich derzeit quasi auf alle Teile der Industrie aus. Besonders davon betroffen ist allerdings die Automobilindustrie, was sich auch in aktuellen Zahlen des Ifo Instituts…

    mehr lesen: Lieferengpässe drücken die Stimmung der Automobilindustrie

  • Datenwirtschaft und KI als Chance begreifen

    Datenwirtschaft und KI als Chance begreifen

    Laut einer ZVEI-Umfrage fühlen sich die Unternehmen der Elektronikbranche eingeschränkt, wenn es um die Nutzung von Daten geht, auch aufgrund von Rechtsunsicherheiten bezüglich der DSGVO.

    mehr lesen: Datenwirtschaft und KI als Chance begreifen

  • Mehr Angriffe, mehr Lösegeld, doppelt Erpresst

    Mehr Angriffe, mehr Lösegeld, doppelt Erpresst

    Nach einer Analyse des Technologie-Dienstleisters NTT haben Ransomware-Attacken ein neues Rekordniveau erreicht: Bis zum Jahresende müssen sich Unternehmen alle elf Sekunden auf einen Angriff mit Erpresser-Schadsoftware einstellen. Dabei nutzen Cyberkriminelle…

    mehr lesen: Mehr Angriffe, mehr Lösegeld, doppelt Erpresst

  • Weg ins Firmennetzwerk oft schlecht gesichert

    Weg ins Firmennetzwerk oft schlecht gesichert

    In Deutschland nutzen die Menschen laut einer G Data-Erhebung zu selten sichere Passwörter, Antiviren-Programme oder Zwei-Faktor-Authentifizierung. Damit steigt das Risiko im beruflichen und auch im privaten Bereich.

    mehr lesen: Weg ins Firmennetzwerk oft schlecht gesichert

  • Spatenstich für Neubau des Fraunhofer IPA

    Spatenstich für Neubau des Fraunhofer IPA

    In dieser Woche erfolgte der Spatenstich für den Neubau des Fraunhofer Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung. Das Investitionsvolumen beträgt rund 37Mio.€.

    mehr lesen: Spatenstich für Neubau des Fraunhofer IPA

  • Peter Schneck wird Cenit-CEO

    Peter Schneck wird Cenit-CEO

    Peter Schneck wird Mitglied des Vorstands bei der Cenit AG und übernimmt zum 1. Januar 2022 die Position des CEO. Er folgt auf Kurt Bengel der das Unternehmen plangemäß zum…

    mehr lesen: Peter Schneck wird Cenit-CEO

  • Rekordjahr für Investitionen in Quantentechnologien

    Rekordjahr für Investitionen in Quantentechnologien

    Der McKinsey ‘Quantum Technology Monitor’ zeigt eine Zunahme der globalen Markt – und Technologieentwicklungen von Quantentechnologien. Dabei sind die angekündigten Investitionen im laufenden Jahr dreimal so hoch wie in 2020.

    mehr lesen: Rekordjahr für Investitionen in Quantentechnologien