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.



  • Wirtschaftskriminalität in Deutschland: Datenklau und Urheberrechtsverletzungen

    Wirtschaftskriminalität in Deutschland: Datenklau und Urheberrechtsverletzungen

    Wie aus einer Studie von KPMG hervorgeht, ist in den vergangenen zwei Jahren etwa ein Drittel der Unternehme Opfer von Wirtschaftskriminalität geworden. Dabei kommen die Täter nicht nur von außen.

    mehr lesen: Wirtschaftskriminalität in Deutschland: Datenklau und Urheberrechtsverletzungen

  • Forcam übernimmt Industriesoftware-Spezialisten

    Forcam übernimmt Industriesoftware-Spezialisten

    Als neues Tochterunternehmen wird die Ensico GmbH zukünftig zu Forcam gehören. Das Unternehmen bietet u.a. das Produktionsleitsystem ‘E-MES‘ an.

    mehr lesen: Forcam übernimmt Industriesoftware-Spezialisten

  • Exporte im Maschinenbau spürbar gebremst

    Exporte im Maschinenbau spürbar gebremst

    Die deutschen Maschinen- und Anlagenbauer haben im ersten Quartal ein Exportminus von 22,9 Prozent verzeichnet. Im Juni fiel das Minus dabei jedoch weniger stark aus.

    mehr lesen: Exporte im Maschinenbau spürbar gebremst

  • Produktivität und Flexibilität verbinden

    Produktivität und Flexibilität verbinden

    Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt ein Forschungsteam gemeinsam mit Industriepartnern ein neuartiges Produktionsplanungssystem, das die hohe Produktivität und Genauigkeit von Spezialmaschinen mit der Flexibilität von Industrierobotern kombinieren soll.

    mehr lesen: Produktivität und Flexibilität verbinden

  • Hacken mit legitimen Tools

    Hacken mit legitimen Tools

    Sind Cyberattacken einmal in das Unternehmensnetzwerk eingedrungen, nutzen Hacker oftmals auch legitime Tools für weitere Aktivitäten, was die Angriffserkennung erschwert. Dies hat eine Analyse von Kaspersky ergeben.

    mehr lesen: Hacken mit legitimen Tools

  • Altair übernimmt Simulations-Anbieter S&WISE

    Altair übernimmt Simulations-Anbieter S&WISE

    Mit der Übernahme von S&WISE erweitert Altair sein Simulationsangebot um eine Polyurethanschaum-Simulationslösung.

    mehr lesen: Altair übernimmt Simulations-Anbieter S&WISE

  • Corona bringt Ingenieurarbeitsmarkt ins Wanken

    Corona bringt Ingenieurarbeitsmarkt ins Wanken

    Im Vergleich zum Vorjahresquartal ist die Arbeitskräftenachfrage im Ingenieurbereich um 23,7 Prozent zurückgegangen, im Gegenzug stieg die Arbeitslosigkeit in diesem Sektor um 38,6 Prozent an. Das geht aus dem Ingenieurmonitor…

    mehr lesen: Corona bringt Ingenieurarbeitsmarkt ins Wanken

  • IBHsoftec und TeamViewer kooperieren bei Industriesteuerungen

    IBHsoftec und TeamViewer kooperieren bei Industriesteuerungen

    Steuerungsspezialist IBHsoftec und der Anbieter von Fernzugriffslösungen Teamviewer haben eine gemeinsame Lösung vorgestellt. Diese bietet weitreichende Funktionen zur Ferninstallation, Fernüberwachung und zum Fernzugriff auf industrielle Steuerungstechnik.

    mehr lesen: IBHsoftec und TeamViewer kooperieren bei Industriesteuerungen

  • Michael Leonhardt verantwortet den Professional Service bei iTAC

    Michael Leonhardt verantwortet den Professional Service bei iTAC

    Der MES-Hersteller iTAC besetzt den Posten Director Professional Service. Der Manager Michael Leonhardt wird sich künftig um die Service- und Qualitätsorientierung der Dürr-Tochter kümmern.

    mehr lesen: Michael Leonhardt verantwortet den Professional Service bei iTAC

  • Nur noch 5,6 Millionen in Kurzarbeit

    Nur noch 5,6 Millionen in Kurzarbeit

    Die Zahl der Beschäftigten in Kurzarbeit ging im Juli auf 5,6 Millionen zurück, gegenüber 6,7 Millionen im Juni. Doch während immer mehr Händler und Dienstleister aufatmen können, sinken die Zahlen…

    mehr lesen: Nur noch 5,6 Millionen in Kurzarbeit

  • Auch nach der Pandemie mehr Homeoffice

    Auch nach der Pandemie mehr Homeoffice

    Rund 37 Prozent der produzierenden Unternehmen wollen Homeoffice auch nach der Corona-Krise nutzen. Vor Ausbruch der Pandemie waren es nur etwa 25 Prozent der Fertigungsbetriebe, wie eine repräsentative Umfrage des…

    mehr lesen: Auch nach der Pandemie mehr Homeoffice

  • Erwartungen für August steigen deutlich

    Erwartungen für August steigen deutlich

    Die ZEW-Konjunkturerwartungen für Deutschland steigen im August 2020 gegenüber dem Vormonat wieder deutlich an, nachdem sie im Juli leicht zurückgegangen waren. Die Konjunkturerwartungen liegen aktuell bei 71,5 Punkten, also 12,2…

    mehr lesen: Erwartungen für August steigen deutlich