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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für die Erfassung biometrischer
Merkmale nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft
die Erfindung ein System für
die Erfassung biometrischer Merkmale (Ansprüche 9 und 10), sowie eine Anwendung
der Plethysmogrammanalyse bei einem System für die Identitätsprüfung (Ansprüche 11 und
12).
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Für die Identifizierung
von Personen, insbesondere in Verbindung mit Zugangskontrollen,
gewinnt die Erfassung biometrischer Merkmale eine immer größere Bedeutung.
Im Gegensatz zu herkömmlichen
Identifizierungsmitteln, wie Ausweisen und dergleichen verspricht
man sich von derartigen Verfahren und Systemen eine größere Zuverlässigkeit und
Fälschungssicherheit.
Bekanntlich stellt der Fingerabdruck einer Person ein ziemlich sicheres
Hilfsmittel für
die eineindeutige Identifizierung dar. Aus diesem Grunde wurde der
Fingerabdruck traditionell auch schon in großem Umfang für erkennungsdienstliche
Zwecke eingesetzt. Es hat sich daher angeboten, den Fingerabdruck
auch in modernen Systemen als Identfikationskriterium einzusetzen.
Leider hat sich dabei herausgestellt, dass auch diese Systeme nicht
fälschungssicher
sind und daher ein Risikopotential bergen, weil sie den Zugang Unbefugter
nicht mit der erforderlichen Zuverlässigkeit ausschließen können. Dieses
Problem tritt insbesondere bei unbemannten Überwachungsstationen auf, die
leichter manipulierbar sind. Da dieses Risiko bekannt ist, wurde
bereits versucht, automatische Fingerabdruckerkennungssysteme (AFIS)
beim Einsatz im unüberwachten
Betrieb mit einer Lebendfingererkennung auszustatten. Die Lebendfingererkennung
soll verhindern, dass derartige Systeme durch einfache Fingernachbildungen
(Fakes) überwunden
werden. Um eine Lebendfingererkennung zu ermöglichen wurden bereits Verfahren
vorgeschlagen, die sich für einen Überwindungsschutz
eignen sollen. Dazu gehören
beispielsweise die Messung der Fingertemperatur, der Hautimpedanz,
des Hautwiderstands, Elektrokardiogramm (EKG), Blutsauerstoffsättigung,
Blutfluss usw. Bei den aufgezählten
Verfahren handelt es sich um die Messung von Vitalparametern des menschlichen
Körpers.
Die meisten aufgezählten Verfahren
eignen sich jedoch bei genauer Betrachtungsweise nicht zwingend
als Lebendfingererkennung. Bei der Temperaturmessung ist das zu
erfassende Merkmal "Temperatur" einfach nachzubilden. Des
Weiteren ist die Varianz des Messwertes zu groß, um in einem engen Fenster
sinnvoll erfasst werden zu können.
Das gleiche gilt für
die Messung der Hautimpedanz und des Hautwiderstands. Die Messung
des EKG stellt beispielsweise sehr hohe technische und finanzielle
Ansprüche
an die Messtechnik. Weiterhin wurden die Messung der Blutsauerstoffsättigung,
in der Medizintechnik Pulsoximetrie genannt, und artverwandte Verfahren
wie beispielsweise die Blutflussmessung, vorgeschlagen, die nach
heutigem Stand der Kenntnis für
die Anwendung bei einer Lebendfingererkennung Erfolg versprechend
sein sollen. Eine Gemeinsamkeit der letztgenannten Verfahren ist
die optische berührungslose Erfassung
der Messdaten (Vitalparameter). Die Kopplung an den menschlichen
Puls bei Messung der Blutsauerstoffsättigung hat zur Folge, dass
bei der Erfassung der Signale in der Regel mindestens zwei Pulszyklen
berücksichtigt
werden müssen.
Geht man von einem durchschnittlichen Puls von 60 Herzschlägen in der
Minute aus, dauert eine Messung im Schnitt zwei Sekunden.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene
Plethysmogrammanalyse misst Vitalparameter des menschlichen Körpers und
entscheidet anhand der Messergebnisse über die Echtheit des aufgelegten Fingers.
Sie verhindert, dass automatische Fingerabdruckerkennungssysteme
mit einfachen technischen Mitteln und geringem Aufwand (einfache
Fakes) überwunden
werden. Ein wichtiger Vorteil dieser Erfindung gegenüber der
Pulsoximetrie ist eine vereinfachte Messtechnik, die geringere Hardwarekosten zur
Folge hat. Da man zur Aufnahme einer Plethysmogrammkurve nur Licht
einer bestimmten Wellenlänge
benötigt,
kann die zweite Lichtquelle, die bei der Pulsoximetrie benötigt wird,
eingespart werden. Für
eine erfolgreiche Applikation der Plethysmogrammanalyse wird ein
geringeres medizinisches Wissen vorausgesetzt als beispielsweise
für die
Pulsoximetrie. Es werden eindeutig abgrenzbare Signale bereitgestellt,
die mit großer
Sicherheit eine Unterscheidung zwischen dem anatomischen Modell
des Fingers und einem technischen Schlauchmodell erlauben.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
Dabei zeigt
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1 ein
Blockschaltbild eines Systems bzw. ein Ablaufdiagramm für die Lebendfingererkennung;
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2 ein
Plethysmogramm eines Lebendfingers;
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3 ein
Plethysmogramm eines Phantomfingers;
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4 ein
normiertes Plethysmogramm;
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5 einen
normierten Einzelpuls eines Plethysmogramms;
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6 das
Blockschaltbild eines Systems.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die
Plethysmogrammanalyse erfasst Vitalparameter des menschlichen Körpers und
entscheidet anhand der gewonnenen Messergebnisse über die
Echtheit eines dem Messsystem für
eine Untersuchung dargeboten Körperteils,
insbesondere eines Fingers. Damit kann erfolgreich verhindert werden, dass
insbesondere automatisch arbeitende Fingerabdruckerkennungssysteme
(AFIS) mit einfachen technischen Mitteln und geringem Aufwand (einfache Fakes) überwunden
werden können.
Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, dass bei Durchstrahlung
menschlichen Gewebes, beispielsweise eines Fingers, mit Strahlung
einer bestimmten Wellenlänge
eine charakteristische Kurve messbar ist, die man als Plethysmogramm
bezeichnet. Die Gestalt dieser Kurve ist dadurch bedingt, dass die Absorption
der meisten Komponenten des durchstrahlten Gewebes, wie die Haut,
das Binde- und Fettgewebe, Muskeln, Knochen und venöses Blut, näherungsweise
zeitlich unveränderlich
ist. Dies trifft jedoch nicht in gleichem Masse für arterielles
Blut zu. An dem Messort wird nämlich
das arterielle Blutvolumen infolge des Herzschlags rhythmisch vergrößert und
verkleinert. Infolge dieser Veränderung
des Blutvolumens ändert
sich auch die Weglänge
für die
für die
Messung benutzte Strahlung, was sich auf den Wert der transmittierten
Intensität
auswirkt. Die transmittierte Intensität schwankt zwischen zwei Extremwerten
und zeigt dabei einen für
lebendes Gewebe charakteristischen Verlauf. Ein für einen
Lebendfinger typisches Plethysmogramm ist in 2 dargestellt
Dabei ist auf der x-Achse die Zeit in Sekunden aufgetragen, während die
auf der y-Achse eingetragenen Werte normierte Amplitudenwerte der
transmittierten Intensität
darstellen. Besonders charakteristisch für ein an Lebendgewebe gewonnenes
Plethysmogramm sind die so genannten Dikroten. Dikroten sind Schwingungen
oder Verzögerungen
in dem Bereich der abfallenden Flanke eines Pulses des Plethysmogramms,
die durch Dämpfung
in den großen Kapillaren
bei dem Einströmen
des Blutes in die untersuchte Extremität entstehen. Im Vergleich dazu zeigt 3 das
Plethysmogramm eines so genannten, als Fake benutzen Phantomfingers,
mit dem ein AFIS getäuscht
werden soll.
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4 zeigt
ein normiertes Plethysmogramm. Auf der x-Achse des Koordinatensystems sind
hier Abtastwerte und auf der y-Achse die normierte Amplitude der
transmittierten Intensität
aufgetragen. Schließlich
zeigt 5 einen normierten Puls eines derartigen normierten
Plethysmogramms. Auf der x-Achse sind hierbei wiederum Abtastwerte,
auf der y-Achse normierte Amplitudenwerte der transmittierten Intensität aufgetragen.
Normierung in diesem Zusammenhang bedeutet, dass der normierte Plethysmogrammpuls
PN (5) durch Überlagerung einer
Vielzahl aufgenommener Pulse entstanden ist. Besonders vorteilhafte
und leicht zu erfassende Kenngrößen eines
derartigen Pulses sind die Pulsfläche, das heißt, der
in 5 von der dort dargestellten Kurve und der x-Achse
begrenzte Flächeninhalt,
sowie der Zeitpunkt, zu dem der Puls seinen „Gipfel", das heißt, sein Maximum M erreicht.
Eine besonders genaue Prüfung
eines Plethysmogramms ist weiterhin dadurch möglich, dass zusätzlich ein
Korrelationskoeffizient K ermittelt. Dazu wird der in 5 dargestellte
normierte Puls PN mit einem Referenzpuls verglichen. Der Korrelationskoeffizient
K gibt dann das Maß der Übereinstimmung
mit einem derartigen Referenzpuls an.
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In
einer vorteilhaften weiteren Ausführungsvariante der Erfindung
wird eine zweifache Transformation eines Plethysmogramms mit einem
ebenfalls transformierten Referenzsignal verglichen und bei diesem
Vergleich die quadratische Abweichung der Vergleichspartner festgestellt.
Dabei werden die anatomisch bedingten Auswirkungen der Kapillardämpfung in
den gemessenen Extremitäten
durch eine Waveletttransformation und anschließende Fouriertransformation
detektiert. Beide Fehlergrößen sind dabei
so normiert, dass die Schwellwerte für eine Erkennung genau den
wert eins annehmen. Dadurch ist eine einfache Anwendung des Verfahrens
möglich. Weiterhin
ist dadurch auch eine leichte Anpassung der vorgebbaren Schwellwerte
möglich,
was durch den Einsatz unterschiedlicher Messsensoren notwendig sein
kann. Um ein möglichst
genaues Entscheidungskriterium zu erzielen hat es sich als zweckmäßig erwiesen,
vor Anwendung der zuvor beschriebenen Schritte das Messsignal noch
auf bestimmte Eigenschaften zu untersuchen, die vorgebbaren Anforderungen
genügen
müssen.
Zu diesen Eigenschaften gehören
insbesondere der Mittelwert, die mittlere Leistung und der definierte
Verlauf der oben schon erläuterten
Dikroten. Besonders vorteilhafte und genaue Ergebnisse lassen sich
erzielen, wenn die zuvor bei verschiedenen Ausführungsvarianten erläuterten
Verfahrensschritte in Kombination angewandt werden. Dies wird im
Folgenden anhand des in 1 dargestellten Systemdiagramms
erläutert,
das zugleich den Ablauf einer derartigen Prüfung wiedergibt.
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In
einem ersten Schritt 100 werden, beispielsweise mit dem
in 6 dargestellten System, Messdaten einer Testperson
TP erhoben. Diese Messdaten bilden eine charakteristische Kurve,
die als Plethysmogramm bezeichnet wird (2. In dem folgenden
Schritt 101 werden die Messdaten mittels eines entsprechenden
Funktionsmoduls normiert. In dem Schritt 102 werden Mittelwert
und Leistung überprüft, indem
man beispielsweise diese aus aktuellen Messwerten abgeleiteten Größen mit
typischen Werten, insbesondere vorgebbaren Grenzwerten, vergleicht.
Ergibt dieser Vergleich keine Übereinstimmung,
wird über
den Schritt 102A zu dem Schritt 104 übergeleitet,
der zu dem Schritt 118 führt. In dem Schritt 118 wird
festgestellt, dass kein Lebendfinger vorliegt, also möglicherweise
ein Täuschungsversuch
unternommen wurde, um beispielsweise eine Zugangskontrolle zu überlisten.
Wenn nun in dem Schritt 102 festgestellt wird, dass die
aus den aktuellen Messwerten ermittelten Größen Mittelwert und Leistung
der erwarteten Norm entsprechen, wird zu dem Schritt 102B verzweigt.
Dieser führt
weiter zu dem Schritt 103, in dem, zur Erhöhung der
Systemsicherheit, eine weitere Sicherheitsüberprüfung stattfindet. Bei diesem Überprüfungsschritt
werden die Dikroten in dem Plethysmogramm näher untersucht. Vorzugsweise
wird die Form, insbesondere auch die Länge der Dikroten analysiert.
Die Dikroten, die Schwingungen oder Verzögerungen in dem Abfall eines
Plethysmogrammpulses darstellen, werden durch die Dämpfung in
den großen
Kapillaren bei dem Einströmen
des Bluts in die untersuchte Extremität verursacht. Sie stellen besonders
charakteristische Schwingungsformen für lebendes Gewebe dar. Eine
außerhalb
der erwarteten Norm liegende Gestalt der Dikroten deutet daher daraufhin,
dass es sich bei dem aktuellen Testobjekt nicht um lebendes Gewebe,
sondern um einen Täuschkörper, wie
beispielsweise einen Phantomfinger, handelt. In diesem Fall wird
wiederum über
die Schritte 103A, 104 der Schritt 118 erreicht
und die Feststellung, dass kein Lebendfinger vorhanden ist. Liegen
die Daten der gemessenen Dikroten in dem zulässigen Bereich, dann wird das
Vorhandensein lebenden Gewebes unterstellt und es wird, über den
Schritt 103B zu den Schritten 104A und 104B verzweigt,
die zu unterschiedlichen, im Folgenden noch weiter erläuterten Prüfschritten
führen.
Diese Prüfschritte 104A und 104B,
mit den sich in diesen Verzweigungen jeweils noch anschließenden Schritten,
können
unabhängig voneinander
durchgeführt
werden. Vorzugsweise werden sie jedoch in Kombination eingesetzt,
da sich dadurch eine erhöhte
Sicherheit gegen Täuschungsmanöver ergibt.
Auf dem Weg über
den Schritt 104A wird der Schritt 105 erreicht,
in dem ein normierter Einzelpuls (5) eines
Plethysmogramms betrachtet wird. Wie oben schon beschrieben, werden
in den anschließenden
Schritten 106, 107, 108 verschiedene
Kriterien des Einzelpulses abgefragt und mit vorgebbaren Standardwerten
verglichen. Die Schritte 106, 107, 108 können einzeln,
vorzugsweise jedoch in Kombination vorgenommen werden. In dem Schritt 106 wird
die unter dem Graph des Einzelpulses liegende Fläche bestimmt. In dem Schritt 107 wird, durch
Vergleich mit einem Referenzpuls, ein Korrelationskoeffizient ermittelt.
Schließlich
wird in dem Schritt 108 der Zeitpunkt ermittelt, zu dem
der Einzelpuls sein Maximum erreicht. In dem Schritt 109 wird eine
Bewertung der mit dem Schritt 104A eingeleiteten Verfahrensschritte
vorgenommen. Das Ergebnis dieser Bewertung wird über den Schritt 114 an
ein Funktionsmodul übergeben,
das die Bewertungsergebnisse der mit den Schritten 104A und 104B eingeleiteten
Verfahrensschritte zusammenfasst. Im Folgenden wird aber zunächst noch
die mit dem Schritt 104B eingeleitete Verzweigung beschrieben. In
dem anschließenden
Schritt 110 wird eine Waveletttransformation des gemessenen
Plethysmogramms gebildet. In dem Schritt 111 wird eine
entsprechende Transformation eines als Referenz vorgegebenen Plethysmogramms
bereitgestellt. Beide Komponenten werden über den Schritt 112 einem Funktionsmodul
zugeführt,
das in dem Schritt 113 die beiden Komponenten vergleicht,
die quadratische Fehlerabweichung ermittelt und diese vorzugsweise mit
einem Sollwert vergleicht. Das Ergebnis wird wiederum über den
Schritt 114 einem Funktionsmodul zugeführt, das in einem Schritt 115 die
Ergebnisse der mit den Schritten 104A und 104B eingeleiteten Verzweigungen
kombiniert. Diese Kombination führt zu
zwei möglichen
Alternativen. Entweder wird über den
Schritt 116 der Schritt 118 erreicht, in dem festgestellt
wird, dass kein Lebendfinger sondern ein Täuschobjekt vorliegt. Oder über den
Schritt 117 wird der Schritt 119 erreicht, in
dem das Vorhandensein eines Lebendfingers bestätigt wird. Wird ein Fingerabdruck
positiv identifiziert und gleichzeitig der Test auf das Vorhandensein
lebenden Gewebes bestanden, dann besteht eine sehr hohe Sicherheit,
dass eine autorisierte Person erkannt worden ist. Als Folge kann
beispielsweise, im Rahmen einer Zugangskontrolle, der Zugang freigegeben
werden. Wenn dagegen ein Fingerabdruck nicht identifiziert werden
kann oder die beschriebene Plethysmogrammanalyse ein Täuschobjekt
erkennt, dann bleibt der Zugang gesperrt. Zusätzlich kann im Rahmen des Systems 6 (6)
eine Warneinrichtung betätigt
werden.
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6 zeigt
noch ein schematisches Blockschaltbild eines Systems 6.
Das System 6 umfasst einen Strahlungssender 60,
der vorzugsweise im wesentlichen Strahlung mit einer Wellenlänge aussendet.
Zweckmäßig kann
hier eine Licht emitierende Diode (LED) eingesetzt werden, die eine
Messstrahlung 64 mit der Wellenlänge λ aussendet. Das System 6 umfasst
weiter einen Strahlungsempfänger 62, beispielsweise
eine für
die Strahlung des Strahlungssenders 60 empfindliche Photodiode.
Mit Bezugsziffer 61 ist ein in den Strahlengang zwischen
dem Strahlungssender 60 und dem Strahlungsempfänger 62 eingebrachtes
Testobjekt bezeichnet. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine
Extremität,
insbesondere einen Finger, einer Testperson handeln. Mit Bezugsziffer 63 ist
ein Funktionsmodul bezeichnet, dass das Ausgangssignal des Strahlungsempfängers 62 auswertet.
Weiterhin ist ein Funktionsmodul 65 für die Erfassung von Fingerabdrücken vorgesehen.
Dieses System 6 ermöglicht
also auf vorteilhafte Weise die Erfassung und Analyse von Fingerabdrücken und
gleichzeitig die Feststellung, ob es sich bei dem getesteten Finger
um ein Täuschobjekt oder
einen Lebendfinger handelt. Dieses System ermöglicht somit eine große Zuverlässigkeit
bei der Erfassung von Fingerabdrücken
bei gleichzeitig hoher Sicherheit gegen Täuschungsmanöver.
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In
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die
Genauigkeit und Zuverlässigkeit
einer Identitätsprüfung noch
dadurch gesteigert werden, dass abgesehen von dem Fingerabdruck
eines zu überprüfenden Fingers
zusätzlich auch
noch personengebundene Eigenschaften des Plethysmogramms überprüft werden.
Dies setzt voraus, dass neben einer Bibliothek gespeicherter Fingerabdrücke auch
charakteristische, einzelnen Personen zuzuordnende Plethysmogramme
gespeicher sind. Eine derartige Identitätsprüfung eignet sich besonders
für die
Zugangskontrolle zu Sicherheitsbereichen, zu denen nur eine begrenzte
Anzahl von Personen Zutritt hat, deren Fingerabdrücke und
Plethysmogramme dort gespeichert und zum Zwecke der Überprüfung abrufbar
sind.