JP2009507267A - コンピュータ可読媒体にデータを記憶するためにコンピュータで実施される方法 - Google Patents
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Abstract
Description
従来のパスワードに基づくセキュリティシステムは、通常、2つのフェーズを含む。具体的には、登録フェーズの期間中、ユーザは、パスワードを選択し、このパスワードは、サーバ等の認証デバイスに記憶される。認証フェーズの期間中、資源またはデータにアクセスするために、ユーザは、自身のパスワードを入力し、このパスワードが、パスワードの記憶されたものと照合される。パスワードがプレーンテキストとして記憶される場合、システムにアクセスする攻撃者は、あらゆるパスワードを得ることができる。したがって、攻撃が1回成功した場合であっても、システム全体のセキュリティが危険にさらされる可能性がある。
従来のバイオメトリックセキュリティシステムは、パスワードに基づくシステムと同じ脆弱性を有し、暗号化されていないパスワードを記憶する。具体的には、データベースが、暗号化されていないバイオメトリックパラメータを記憶する場合、それらパラメータは、攻撃および悪用の対象になる。
アルファベットQ上の(N,K)誤り訂正符号(ECC)Cは、長さNのQKベクトルを含む。線形(N,K)ECCは、N行およびK列を有する生成行列Gを使用することによるか、または、N−K行およびN列を有するパリティチェック行列Hを使用することにより、記述することができる。「生成行列」という名称は、ベクトルwとして表された符号語が、w=vGに従って、任意の長さKの入力された行ベクトルvを行列Gに右乗算することにより、ベクトルvから生成できるということに基づいている。同様に、ベクトルwが符号語であるかどうかをチェックするために、HwT=0であるかどうかをチェックすることができる。ここで、列ベクトルwTは、行wの転置である。
ある意味で、Slepian−Wolf(SW)符号は、誤り訂正符号とは逆のものである。誤り訂正符号は、冗長性を追加してデータを拡張するのに対して、SW符号は、冗長性を取り除いてデータを圧縮する。具体的には、ベクトルxおよびベクトルyが、相関したデータのベクトルを表す。符号化器が、すでにベクトルyを有する復号器にベクトルxを通信したい場合、符号化器は、復号器がベクトルyを有することを考慮してデータを圧縮することができる。
本発明に関係した従来技術は、3つのカテゴリーに分類される。第1に、多くの従来技術は、このようなバイオメトリックパラメータの安全な記憶とは関係のないバイオメトリックパラメータの詳細な特徴抽出、記録、および使用を記載している。本発明は、安全な記憶に関係したものであり、バイオメトリックパラメータがどのように取得されるかに関する詳細とは概ね関係がないので、従来技術のこのカテゴリーの詳細は、省略する。
第1に、ビットに基づく従来技術の方法が提供するセキュリティは、疑わしいものである。これに加えて、バイオメトリックパラメータは、多くの場合、バイナリ値ではなく、実数値または整数値である。この従来技術は、一般に、バイオメトリックパラメータが一様に分布したランダムなビットで構成され、記憶されたバイオメトリックからこれらのビットを正確に求めることは、困難であると仮定する。実際には、バイオメトリックパラメータは、多くの場合、偏っており、これは、セキュリティに悪影響を与える。また、たとえ、攻撃者が、記憶されたバイオメトリックに近似したものしか復元しないとしても、その攻撃は、重大な損害を引き起こす可能性がある。従来技術の方法は、攻撃者が、実際のバイオメトリックを符号化したものから推定することを防止するようには設計されていない。
図3は、本発明によるシンドロームおよびハッシングに基づくバイオメトリックセキュリティシステム300を示している。本発明による方法は、シンドローム符号で測定されたバイオメトリックパラメータを圧縮して、圧縮されたシンドローム符号を生成する。従来の圧縮と異なり、シンドローム符号によって生成されたシンドローム符号は、元のバイオメトリックデータと無関係である。したがって、記憶されたシンドローム符号を使用して、元のバイオメトリックパラメータと近似したものを復号することはできない。その結果生成された、圧縮されたシンドローム符号およびそのシンドローム符号のハッシュが、バイオメトリックデータベースに記憶される。
登録フェーズ310では、ユーザのバイオメトリックデータが取得される。例えば、バイオメトリックデータは、顔の画像、音声の記録、指紋の画像、または虹彩をスキャンしたものから導き出される。以下、バイオメトリックデータは、ユーザから感知、測定、またはその他の方法で取得される未処理のバイオメトリック信号を指す。特徴がバイオメトリックデータから抽出される。この特徴は、d次元特徴ベクトルに配置される。この特徴ベクトルは、登録バイオメトリックパラメータ301を形成する。様々な形式のバイオメトリックデータから特徴を抽出する方法は、上述したように当該技術分野において既知である。特徴ベクトルをバイオメトリックパラメータおよび最適なシンドローム符号に変換することについて、さらに詳細に、以下説明する。
認証フェーズ320では、バイオメトリックデータが、ユーザから再び取得される。特徴が抽出されて、認証バイオメトリックパラメータE’360が得られる。データベース350が検索されて、このユーザの一致する登録シンドローム符号S331および登録ハッシュH341が突き止められる。
図5は、データ501の符号化510および復号化520の方法500である。符号化プロセス510において、第1のバイオメトリックパラメータP502が第1のユーザから取得される。このパラメータが使用されて、入力データD501が暗号化され(540)、暗号文C541が生成される。しかし、従来技術とは対照的に、第1のバイオメトリックパラメータPは、決してメモリに記憶されない。メモリに記憶されることに代えて、シンドローム符号化器530が第1のバイオメトリックパラメータPを符号化して、シンドローム符号S531を生成する。SおよびCは、互いに関連付けられ、この対(S,C)532がメモリ550に記憶される。本発明の1つの実施の形態では、入力データは、登録プロセス中にユーザから取得される未処理のバイオメトリックデータである。
一般に、シンドローム符号を使用してバイオメトリックパラメータおよびバイオメトリック特徴を保護するに当たり、セキュリティと精度との間にトレードオフがある。具体的には、任意のシンドローム符号の鍵となるパラメータは、符号中のビット数である。多数のビットを有するシンドローム符号は、バイオメトリックデータについて、より多くの情報を伝達し、バイオメトリックデータのノイズおよびばらつきを許容しやすくする。これとは対照的に、小さなシンドローム符号ほど攻撃者に与える情報は少ないが、誤りやすい。
図8は、誤差ヒストグラム890を生成するプロセス800を示す。まず、異なるときに取得された特定のユーザのトレーニングバイオメトリックデータを取得する(810)。次に、1対のバイオメトリックパラメータBおよびB’を選択し(820)、完全な「軟」特徴ベクトルVS(B)(830)および完全な「硬」特徴ベクトルVH(B’)(840)を求める。次に、完全な特徴ベクトル中の各位置または各次元iごとに、VS(B)の位置iから、VH(B’)の対応する位置iにある値を推定し(845)、この推定が正しいか否かを判断する(850)。この推定が正しくない場合、誤差ヒストグラム890のVH(B’)およびVS(B)の位置iにある対応する値のビンを増分する(870)。このプロセスを各位置iに対して完了した後、バイオメトリックBおよびB’のすべての対が処理されたか否かを調べる(860)。まだの場合、ステップ820に戻り、別のバイオメトリックパラメータ対を選択する。すべての対がすでに処理されている場合、誤差ヒストグラムが完了し、プロセスは、終了する(880)。
図9は、図8の誤差ヒストグラムを用いて特徴ベクトルを選択するプロセス900を示す。まず、誤差ヒストグラムが最も信頼性の高い位置から最も信頼性の低い位置920までソートされる(910)。具体的には、E(i)がVS(B)の位置iからVH(B’)の位置iを予測する際の平均誤差である場合、位置iは、E(i)<E(j)のときに位置jよりも信頼性が高いものとみなされる。誤差ヒストグラムがソートされた後、誤差ヒストグラムからの次に信頼性の高い位置をシンドローム特徴ベクトルに含め(930)、その時点のシンドローム特徴ベクトルに最良のシンドローム符号を構築し(940)、最新位置を含めることで、セキュリティまたは誤差耐性が増大するか否かをテストする(950)。セキュリティまたは誤差耐性が増大する場合、さらなる位置をシンドローム特徴ベクトルに加え続ける。増大しない場合、最も新しく追加された位置を特徴ベクトルから除去し(960)、プロセスを終了する(970)。
シンドローム特徴ベクトルを選択した後、次のステップは、係数間相関を測定することである。この情報は、図7により生成される誤差ヒストグラムから抽出することができない。この理由は、誤差ヒストグラムが完全な特徴ベクトル1202に対して生成されたのに対して、ステップ900は、完全な特徴ベクトル中の位置の部分集合のみを選択してシンドローム特徴ベクトル1203を生成することによる。
シンドローム特徴ベクトル1203が選択され、係数間相関が測定された後、密度発展法を用いてシンドローム符号1204を設計する。具体的には、LDPCシンドローム符号の場合、このシンドローム符号の次数分布を設計する。このような設計は、2つの理由により望ましい。第1に、ステップ900において設計される初期シンドローム符号は、シンドローム特徴ベクトル1203が選択される前に選択された固定次数分布を使用した可能性がある。第2に、初期シンドローム符号は、係数間相関の知識を利用しなかった。この理由は、この相関が、シンドローム特徴ベクトルが選択された後でしか測定できないことによる。
シンドローム符号を設計するに際しての最終ステップは、関連する確率伝搬シンドローム復号器を構築することである。係数間相関のないアプリケーションのための確率伝搬復号器は、既知である。しかし、従来の復号器は、係数間相関に対処するように設計されていない。具体的には、従来の確率伝搬方法は、「メッセージ」を変数ノードから検査ノードに渡し、積和式を使用して再び戻す。これは、Kschischang他著「Factor graphs and the sum-product algorithm」(IEEE Transactions on Information Theory, vol. 47, issue 2, pp. 498-519, February 2001)(参照により本明細書に援用される)に説明されている。
L(x)・Πμy→f(x)
であり、左側の相関ノードへの出力メッセージは、
R(x)・Πμy→f(x)
であり、式中、R(x)は、右側の相関ノードからの入力メッセージである。
L(0)=p00・μ(0)+p10・μ(1)
および
L(1)=p10・μ(0)+p11・μ(1)
であり、式中、p00、p01、p10、およびp11の各項は、図10に示すように、測定される一次相関値である。
R(0)=p00・μ(0)+p01・μ(1)
および
R(1)=p01・μ(0)+p11・μ(1)
である。
次に、上記手順を虹彩バイオメトリックパラメータという具体的なケースにどのように適用するかについて説明する。完全な「硬」特徴ベクトルを、J. Daugman著「How iris recognition works」(IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 14, issue 1, pp. 21-30, January 2004)(参照により本明細書に援用される)に説明されているように、1組のガボールフィルタから抽出されるビットシーケンスであるように選択する。
本発明は、バイオメトリックパラメータに基づく安全なユーザ認証を達成する。本発明は、元のバイオメトリックデータの代わりに、シンドローム符号が記憶されるので安全である。これによって、データベースにアクセスする攻撃者が、基礎を成すバイオメトリックデータを知ることが防止される。
Claims (15)
- コンピュータ可読媒体にデータを記憶するためにコンピュータで実施される方法であって、
第1のユーザから第1のバイオメトリックデータを取得することと、
前記第1のバイオメトリックデータから第1のバイオメトリックパラメータを生成することと、
暗号文を生成するために、前記第1のバイオメトリックパラメータを使用して前記第1のバイオメトリックデータを暗号化することと、
シンドローム符号を生成するために、シンドローム符号化器を使用して前記第1のバイオメトリックパラメータを符号化することと、
前記暗号文と前記シンドローム符号とを関連付けることと、
前記暗号文および前記シンドローム符号をコンピュータ可読媒体に記憶することと
を含むコンピュータ可読媒体にデータを記憶するためにコンピュータで実施される方法。 - 第2のユーザから第2のバイオメトリックデータを取得することと、
前記第2のバイオメトリックデータから第2のバイオメトリックパラメータを生成することと、
第3のバイオメトリックパラメータを生成するために、シンドローム復号器および前記第2のバイオメトリックパラメータを使用して前記第1のバイオメトリックパラメータを復号化することと、
第3のバイオメトリックデータを生成するために、前記第3のバイオメトリックパラメータを使用して前記暗号文を復号化することと
をさらに含む請求項1に記載の方法。 - 前記第1のバイオメトリックデータと前記第3のバイオメトリックデータとを比較することと、
前記第1のバイオメトリックデータと前記第2のバイオメトリックデータとが同一の場合のみ、機能へのアクセスを許可し、同一ではない場合にアクセスを拒絶することと
をさらに含む請求項2に記載の方法。 - コンピュータ可読媒体にデータを記憶するためにコンピュータで実施される方法であって、
第1のユーザから第1のバイオメトリックパラメータを取得することと、
暗号文を生成するために、前記第1のバイオメトリックパラメータに従って入力データを暗号化することと、
シンドローム符号を生成するために、シンドローム符号化器を使用して前記第1のバイオメトリックパラメータを符号化することと、
前記暗号文と前記シンドローム符号とを関連付けることと、
前記暗号文および前記シンドローム符号をコンピュータ可読媒体に記憶することと
を含むコンピュータ可読媒体にデータを記憶するためにコンピュータで実施される方法。 - 第2のユーザから第2のバイオメトリックパラメータを取得することと、
第3のバイオメトリックパラメータを生成するために、シンドローム復号器および前記第2のバイオメトリックパラメータを使用して前記第1のバイオメトリックパラメータを復号化することと、
出力データを生成するために、前記第3のバイオメトリックパラメータを使用して前記暗号文を復号化することと
をさらに含む請求項4に記載の方法。 - 前記入力データおよび前記出力データは、前記第1のユーザが前記第2のユーザと同一である場合のみ全く同じである請求項5に記載の方法。
- 前記入力データは、バイオメトリックデータである請求項4に記載の方法。
- 前記第1のバイオメトリックデータから第1の特徴ベクトルを抽出することと、
前記第3のバイオメトリックデータから第2の特徴ベクトルを抽出することと、
前記第1の特徴ベクトルと前記第2の特徴ベクトルとを比較することと、
前記第1の特徴ベクトルと前記第2の特徴ベクトルとが実質的に同じである場合のみ、機能へのアクセスを許可し、実質的に同じではない場合にアクセスを拒絶することと
をさらに含む請求項5に記載の方法。 - 前記第1のバイオメトリックパラメータおよび前記第3のバイオメトリックパラメータは、前記第1の特徴ベクトルおよび前記第2の特徴ベクトルとそれぞれ異なる請求項8に記載の方法。
- 前記第1のバイオメトリックデータから完全な特徴ベクトルを抽出することと、
前記完全な特徴ベクトルから誤差ヒストグラムを構築することと、
前記誤差ヒストグラムを使用して前記完全な特徴ベクトルをシンドローム特徴ベクトルに低減することと、
前記シンドローム特徴ベクトルの複数の異なる係数間の相関を測定することと、
前記シンドローム特徴ベクトルのシンドローム符号を設計するために、密度発展法を適用することと
をさらに含む請求項4に記載の方法。 - 前記完全な特徴ベクトルは、整数のみを記憶する完全な硬特徴ベクトルと、整数および実数を記憶する完全な軟特徴ベクトルとを含む請求項10に記載の方法。
- 前記シンドローム復号器は、確率伝搬ネットワークを使用する請求項4に記載の方法。
- 前記確率伝搬ネットワークは、検査ノード、変数ノード、および各変数ノード対の間の相関ノードを含む請求項12に記載の方法。
- コンピュータ可読媒体にデータを記憶するためにコンピュータで実施される方法であって、
ユーザからバイオメトリックデータを取得することと、
前記バイオメトリックデータから暗号鍵を生成することと、
暗号文を生成するために、前記暗号鍵に従ってデータを暗号化することと、
前記暗号鍵を符号化鍵として符号化することと、
前記符号化鍵を前記暗号文と関連付けてコンピュータ可読媒体に記憶することと
を含むコンピュータ可読媒体にデータを記憶するためにコンピュータで実施される方法。 - 続けて、前記ユーザからバイオメトリックデータを再び取得することと、
前記再び取得されたバイオメトリックデータから復号化鍵を生成することと、
前記復号化鍵を使用して前記符号化鍵を復号化することと、
前記復号化鍵が前記暗号鍵に一致する場合のみ、前記復号化鍵を使用して前記暗号文を復号化することと
をさらに含む請求項14に記載の方法。
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