Новый метод биометрии: биоакустическая подпись

Южнокорейские учёные изобрели новый метод биометрической идентификации: по звуковым волнам, проходящим через тело (палец).

Оказывается, этот сигнал достаточно уникален у каждого человека. И лишён главной уязвимости оптических методов биометрии, таких как сканирование отпечатков пальца, радужной оболочки глаза или лица. Все эти методы по своей сути подвержены спуфингу с фотографированием «биометрического материала». Со звуковыми волнами так не выйдет, их нельзя сфотографировать.

Разработанная система биоакустической частотной спектроскопии модулирует микровибрации, которые распространяются через тело и генерируют уникальную спектральную характеристику. В тестах характеристика сохранялась в течение двух месяцев и обеспечила точность верификации 41 субъекта на уровне 97,16%.

По прогнозам, по мере распространения Интернета вещей и умных вещей биометрическая идентификация личности будет приобретать всё большее значение. Обычная биометрическая аутентификация опирается на изображения человеческого тела. Но как уже сказано выше, эти изображения могут быть скопированы злоумышленниками. Отпечатки пальцев подделать проще всего.

Она основана на биодинамической реакции пальца в акустическом спектре. Это первая научная работа, которая предлагает использовать биокустику таким образом. Прежние акустические методы ограничивались распознаванием голоса и звуковыми сигнатурами дыхания, в то время как другие варианты оставались относительно неисследованными.

Ниже — схематическая иллюстрация платформы и концепции акустической идентификационной системы, в которой используется передача характеристик вибрационных сигналов через кости и ткани пальца.

(а) концепция; (b) анатомическое строение пальца, расположение микрофона и преобразователя (передатчика) на дистальной фаланге и пястной кости; (с) схема системы: cинусоидальный сигнал поступает на вход преобразователя и передаётся через палец, воспринимается микрофоном, демодулируется с помощью опорного сигнала, фильтруется фильтром нижних частот и оцифровывается аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера; (d) фотография руки на устройстве; (е) рентгеновский снимок кисти c расположением датчиков; (f) карта магнитуд эмпирически измеренного акустического сигнала от преобразователя, расположенного в конце пястной кости

(а) концепция; (b) анатомическое строение пальца, расположение микрофона и преобразователя (передатчика) на дистальной фаланге и пястной кости; (с) схема системы: cинусоидальный сигнал поступает на вход преобразователя и передаётся через палец, воспринимается микрофоном, демодулируется с помощью опорного сигнала, фильтруется фильтром нижних частот и оцифровывается аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера; (d) фотография руки на устройстве; (е) рентгеновский снимок кисти c расположением датчиков; (f) карта магнитуд эмпирически измеренного акустического сигнала от преобразователя, расположенного в конце пястной кости

На иллюстрации показано, как работает предложенная схема биоакустического зондирования. Когда люди прикасаются рукой к какому-то объекту, микровибрации распространяются через пальцы и руку, неся информацию относительно объектов, с которыми они взаимодействуют. Акустический сигнал передаётся по-разному из-за анатомических особенностей каждого тела. Таким образом, сигнал содержит анатомическую информацию о структуре тела, а именно о костной, хрящевой, сухожильной и мышечной ткани — и полагается на их геометрию а также на биомеханические свойства.

Для аутентификации пользователь помещает палец на платформу, на которой передатчик сигнала (transducer) и акустический сенсор. Места возбуждения и зондирования выбираются таким образом, что акустический сигнал проходил через проксимальную и среднюю фаланги пальца. В частности, акустический сенсор расположен на 3 мм выше передней дистальной межфаланговой складки, которая является нижним концом дистальной фаланги. Передатчик расположен на расстоянии 50 мм от акустического сенсора, полностью покрывая длину средних фаланг пальца.

Эксперименты показали, что индивидуальная форма сигнала сохраняется при разной силе нажатия пальцем.

Повторяемость (с) и форма сигнала при разной силе нажатия (d)

Повторяемость (с) и форма сигнала при разной силе нажатия (d)

Измерение производилось в диапазоне от 100 Гц до 3 кГц с шагом 10 Гц, что занимает 15 секунд. Возможно, с совершенствованием аппаратной части эти характеристики можно будет оптимизировать.

Начиная эксперимент, учёные беспокоились, что из-за изменения тканей и клеток сигнал будет изменчивым. Поэтому опыты повторили трижды с интервалом 30 дней. Они с удивлением обнаружили, что биоакустическая подпись совершенно не изменилась за это время. Хотя можно предположить, что по мере взросления и старения человека его анатомическая структура всё-таки достаточно значительно изменяется, чтобы повлиять на форму сигнала.

Это исследование дало и неожиданный эффект. Биоакустическая частотная спектроскопия оказалась настолько точной в анализе тканей, что изобретатели начали изучать возможность её применения даже для диагностирования скелетно-мышечных заболеваний.