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.



  • Die Ära der kostenlosen KI ist vorbei

    Die Ära der kostenlosen KI ist vorbei

    Die Wirtschaftlichkeit großer Sprachmodelle steht kurz davor, mit der Unternehmensrealität zu kollidieren, schreibt Pegasystems-CEO Alan Trefler (Bild).

    mehr lesen: Die Ära der kostenlosen KI ist vorbei

  • Geschäftsführerwechsel bei der SimPlan Integrations

    Geschäftsführerwechsel bei der SimPlan Integrations

    Im Zuge des 25-jährigen Bestehens der SimPlan Integrations hat die SimPlan Group angekündigt, dass im Jahr 2028 ein geplanter Geschäftsführerwechsel beim Tochterunternehmen stattfinden wird.

    mehr lesen: Geschäftsführerwechsel bei der SimPlan Integrations

  • Was Ausbilder im Maschinen- und Anlagenbau beschäftigt

    Was Ausbilder im Maschinen- und Anlagenbau beschäftigt

    Laut VDMA-Ausbildungsumfrage steht die duale Ausbildung im Maschinen- und Anlagenbau auf einem stabilen Fundament und punktet mit hochmotivierten und zufriedenen Ausbilderinnen und Ausbildern.

    mehr lesen: Was Ausbilder im Maschinen- und Anlagenbau beschäftigt

  • Forterro übernimmt 3E Datentechnik

    Forterro übernimmt 3E Datentechnik

    Forterro, ein europäischer Anbieter von Industriesoftware, hat die geplante Übernahme des Software-Spezialisten 3E Datentechnik bekannt gegeben, dessen Software bei der Konstruktion und Herstellung von Fenstern und Türen zum Einsatz kommt.

    mehr lesen: Forterro übernimmt 3E Datentechnik

  • AutoSim automatisiert die Erstellung digitaler Simulationsmodelle

    AutoSim automatisiert die Erstellung digitaler Simulationsmodelle

    Das Forschungsprojekt AutoSim vereinfacht die Erstellung von Simulationsmodellen für die Produktion. Es kombiniert intelligente Datenverarbeitung mit interoperablen Informationsmodellen.

    mehr lesen: AutoSim automatisiert die Erstellung digitaler Simulationsmodelle

  • SAP investiert in KI-Unternehmen n8n

    SAP investiert in KI-Unternehmen n8n

    SAP investiert in die KI-Automatisierungsplattform n8n, wodurch sich die Bewertung des in Berlin ansässigen Startups auf 5,2Mrd.US$ erhöht und somit mehr als verdoppelt.

    mehr lesen: SAP investiert in KI-Unternehmen n8n

  • BSI veröffentlicht G7-Richtlinie zu SBOM for AI

    BSI veröffentlicht G7-Richtlinie zu SBOM for AI

    Unter der Federführung des BSI und der italienischen Cybersicherheitsbehörde ACN haben die Cybersicherheitsbehörden der G7-Staaten unter Mitwirkung der EU Kommission eine Richtlinie zur Software Bill of Materials (SBOM) for AI…

    mehr lesen: BSI veröffentlicht G7-Richtlinie zu SBOM for AI

  • Was passiert mit dem Menschen, wenn die Roboter kommen?

    Was passiert mit dem Menschen, wenn die Roboter kommen?

    Künstliche Intelligenz automatisiert längst digitale Prozesse. Jetzt übernehmen Roboter auch physische Routinen. Was das für die Menschen bedeutet, beleuchtet Sören Michl, Vice President AI Adoption bei IFS.

    mehr lesen: Was passiert mit dem Menschen, wenn die Roboter kommen?

  • Ein Schritt auf dem Weg zum Quanteninternet?

    Ein Schritt auf dem Weg zum Quanteninternet?

    Seit mehr als 60 Jahren gilt das ‚Bellsche Theorem‘ als Goldstandard, um zu zeigen, dass die Quantenmechanik den Regeln der klassischen Physik widerspricht.

    mehr lesen: Ein Schritt auf dem Weg zum Quanteninternet?

  • Der VDI feiert 170-jähriges Bestehen

    Der VDI feiert 170-jähriges Bestehen

    Vor 170 Jahren, am 12. Mai 1856, wurde der VDI in Alexisbad gegründet. Aus diesem Anlass blickt der Verein zurück und gibt zugleich die Gründung eines neuen Gremiums bekannt.

    mehr lesen: Der VDI feiert 170-jähriges Bestehen

  • Cobot vs. stationär: Wie Roboter in der Fabrik eingesetzt werden

    Cobot vs. stationär: Wie Roboter in der Fabrik eingesetzt werden

    Eine aktuelle Robotik-Studie von Reichelt Elektronik, durchgeführt durch das unabhängige Institut OnePoll, untersucht, welche Arten von Robotern in deutschen Produktionsstätten eingesetzt werden und welche Arbeiten sie übernehmen.

    mehr lesen: Cobot vs. stationär: Wie Roboter in der Fabrik eingesetzt werden

  • Welches Potenzial in Werkerassistenzsystemen steckt

    Welches Potenzial in Werkerassistenzsystemen steckt

    Wie Werkerassistenzsysteme bislang verborgene Effizienzpotenziale aufdecken und warum sie sich oft schon nach wenigen Monaten amortisieren, erklärt Michael Kunze, Geschäftsführer von MKey Solution, einem Spezialisten für Messtechnik und Bildverarbeitung.

    mehr lesen: Welches Potenzial in Werkerassistenzsystemen steckt