TWI249314B - Biometrics-based cryptographic key generation system and method - Google Patents

Description

1249314 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於密碼金鑰產生之技術領域，尤指一種以 生物特徵為基礎之密碼金鑰產生系統及方法。 5 【先前技術】 密碼金鑰（cryptographic keys)已被廣泛地應用於存取 控制上，例如，計算資源的取用、自動提款機銀行帳戶的 取款、以及電子商務的使用者認證等等。傳統上，密碼可 10由系統以亂數選取或是由使用者自行選取。但是以亂數選 取的密碼容易遺忘，而使用者自行選取的密碼雖然容易記 憶，卻也容易遭受字典攻擊法攻擊，而且也因容易傳遞而 引Is女全性的問通。相對地’人臉、語音、虹膜、指紋等 生物特徵含有使用者個人之特質以及不易傳遞的優點。因 15此生物特徵具有潛力能夠取代或是辅助傳統的文字與數字 禮、碼’藉以提供更南的安全性。 以生物特徵為基礎的身份認證主要區分為兩大類·· ^ ) 以生物特徵作身份確認之存取控制技術，以及（2)以生物特 ί政轉換為岔碼金鑰技術。圖1顯示以生物特徵作身份確热之 20存取控制技術的系統架構，其主要是以基於生物特徵的身 份認證技術來達成存取控制的目的，作法為在系統註冊階 段將使用者的生物特徵轉換為比對樣版（template)，於驗^ 階段利用此樣版與使用者生物特徵作比對，若比對成功， 即確認此使用者為其所宣稱之身分。讓此使用者得以存取 1249314 系統所保護的個人資訊，包含了密碼金鑰、智慧卡、或是 作為其他存取控制(如無線通訊、系統資源）之用，亦可在 比對成功之後，直接以比對之樣版轉換為密碼金鑰。 剷述以生物特徵作身份確認之存取控制雖然可藉由 5比對機制的參數調整來調節系統對於生物特徵變'異性^容 忍度，但是往往比對之樣版本身即透露了使用者完整的生 物特徵資訊，因此必須在絕對安全的系統下進行樣版的比 對以及樣版的儲存…旦此條件無法成立，使用者個人的 資訊安全即受到嚴重之威脅。 10 圖2則顯示以生物特徵轉換為密碼金鑰技術的系統架 構其與别述以生物特徵作身份確認之存取控制技術的差 異處在於比對樣版是由註冊的生物特徵與一經由亂數產生 器21(random munber generator)所產生的密碼經過運算而 得。=此在驗證階段只要將輸入之生物特徵與此樣版經過 15反運算之後，即可得到原先由亂數產生器所產生的密碼， 這些運算包含了加法與減法、互斥或運算、以及乘法與除 法。 以前述之系統架構，由於系統所存放的樣版必須與 正確的生物特徵進行反運算之後才能產生正確的密碼，即 20使系統侵入者能夠擷取樣版，也無從得知使用者的密碼金 鑰，因此大幅增加了使用的安全性。然而此類作法的缺點 卻是不再有比對機制得以調節系統對於生物特徵變異性的 容忍度，因此必須採用非常穩定的生物特徵（如指紋等）於 1249314 嚴格的使用條件下（特定裝置、特定使用方法）使用，方能 於每次使用時產生穩定的生物特徵。 針對此缺點，在美國專利US App. 2003/0219121中提 出了在密碼中加入錯誤更正碼（Error Correction Code)的方 5 式，容許產生的密碼中在一定數量以下的位元發生錯誤 時，得以作更正成為正確的密碼。然而，由於生物特徵本 身在不同區域或是維度之變異性可能具有相當之差異性， 而錯誤更正碼之加入並無法針對此特定區域或個別維度之 變異性來作容忍度調節之最佳化。 10 在已知之文獻（F. Monrose，Μ. K. Reiter，Q. Li，and S. Wetzel， ''Cryptographic key generation from voice/5 Proceedings of the 2001 IEEE 办零os/wm ⑽ α瓜/ PnVaqy，pp· 202-213, May 2001)中，提出 將每一維度的生物特徵作二值化（binarization)，以利用 Shamir所提出的秘密分享技術（secret sharing scheme) (A. 15 Shamir, uHow to share a secret/5 Communications of the ACM, Vol. 22, No. 11，pp· 612-613, November 1979)，可容許在部分維度的生物特徵 具有變異性的情況下，也能產生固定的密碼。然而此作法 僅適用於經過二值化的特徵，而且變異性的區別僅分為穩 定與不穩定，因此仍然沒有完整地考慮以及利用到不同維 20 度的生物特徵具有不同的區分能力以及變異程度之特性。 基於以上之分析，可以知道一個良好的生物特徵產生 密碼金鑰機制除了 一方面要求所會用到的資訊（例如比對 樣版等）不會透露使用者正確的生物特徵資訊，另一方面亦 要能容許輸入的生物特徵本身在不同維度上具有不同的變 25 異性。再者，除了變異性之外，若能考慮到生物特徵本身 1249314 在不同維度上具有不同程度的區分性，則能使產生的密碼 金餘之碼址空間更為擴大。由是可知，如何改善習知以生 物特徵為基礎之密碼金鑰產生技術，以符合前述要 杏 有其需要。 ^ 5 【發明内容】 10 15 本發明之主要目的係在提供一種以生 之密碼錢產生系統及μ，俾能由合法使= 徵產生來單-而穩定地產生密碼金♦，而i能使 能夠增長，有效地增大密碼的碼值空間。 山.‘、、長又 依據本發明之一特色，所提出之以生物特徵為基礎之 被碼金餘產生系統，包括：—使用者相依之高區分性特徵 轉換单7C及-穩定密碼金鑰產生單元。使用者相依之高區 分性特徵轉換單元係提供每-位合法使用者個別有一特徵 轉換’以輸入Ν維生物特徵來進行特徵轉換而產生μ 徵況说’俾使得合法使帛者與非法使肖者轉換後的特徵 訊號分佈距離增大，且使合法㈣者_換之後的特徵訊 號分佈集中，而非法使用者的特徵訊號分佈分散；穩定^ 碼金鑰產生單元用以輸人轉換後的之特徵訊號，以: Μ維的特徵訊號所提供之密碼位元f訊來產生密碼金势， 其中，每-維度的特徵訊號所提供之密碼位元資訊的： 係正關係於該維度所具有之區分性，而每—維度之區= 為在該維度中將合法使用者之特徵訊號由所有使用者 δίΐ號中區分出來的能力。 20 1249314 依據本發明之另_ 之密碼金鑰產生方法包括:為基礎 以輸入N維生合法使用者個別有一特徵轉換， 號，俾使Γ人本”’進仃特徵轉換而產生以維特徵訊 分佈距離增大，j拈人、+ 行倣Λ唬 佈^法使用者經轉換之後的特徵訊號分 ,b σ木，而非法使用者的特徵訊號分佈分散；以及一 穩定密碼金鍮產生步驟，係輸入轉換後的之特徵訊號，以 ίο 刀別由Μ維的特徵訊號所提供之密碼位元資訊來產生密碼 金餘’其中’每一維度的特徵訊號所提供之密碼位元資訊 的長度係正關係於該維度所具有之區分性，而每一維度之 區分性為在該維度中將合法使用者之特徵訊號由所有使用 者特徵訊號中區分出來的能力。 15【實施方式】 有關本發明之以生物特徵為基礎之密碼金鑰產生系 統及方法，請參照圖3所示之系統架構圖，其包括一使用者 相依之咼區分性特徵轉換（User_dependent distinguishable feature transform)單元3 1及一穩定密碼金鑰產生（Stable 20 key generation)單元32。其中，使用者相依之高區分性特徵 轉換單元31係用以輸入N維之使用者生物特徵，以進行特 徵轉換而產生Μ維與使用者特徵相關的特徵訊號，使得合 法使用者的生物特徵經轉換後之特徵訊號的分佈能夠更加 緊密，而非法使用者經轉換後之特徵訊號的分佈能夠雜散 25 並且遠離合法使用者的特徵訊號分佈，因而使得特徵的區 1249314 二性传以s高；穩定密碼金鑰產生單元32係用以輸入轉換 後的之特徵訊號，以依照每一維度特徵之區分性的不同， 而產生一位元或多位元穩定的密碼位元資訊，並將之串接 之後成為密碼金鑰，其中，每一維度之區分性為在該維度 中將合法使用者之特徵訊號由所有使用者特徵訊 出來的能力。 如在前述之系統架構中，使用者相依之高區分性特徵轉 換早凡31係提供每一位使用者個別有一特徵轉換，對於一 10 15 特徵轉換，其對應之使用者即為此特徵轉換之合法使用者 38而以此使用者相依之高區分性特徵轉換單元31，在1丨 _段’需收集多位使用者的生物特徵作為訓練樣本^ 中一位作為合法使用者38，其他作為相對於此合法使用者 之非法使特39。基於此合法使用者38的生物特徵與非法 =者39的生物特徵，前述㈣者相依之高區分性特徵轉

換早仙係用以仙維的特徵空間中找到—組轉換，使得N 維生物特徵經轉換之後的轉特徵訊號能夠有效地區分人 法使用者38與非法使用者39。亦即，前述使用者相依之: =性特徵轉換單元31係設計成：使合法使用者與非法: 用者經轉換後的特徵訊號分佈輯 經轉換之後的特徵訊號分佈能夠集中，而非法吏;= 徵訊號分佈分散。 文用考的特 則述之使用者相依之高區分性特徵轉換單元 串連式線性鑑別分析（Cascaded以如紅

Analysis’CLDA)所實現，此串連式線性鑑別分析係ΓΓ 20 1249314

複線性鑑別分析（Linear Discriminant Analysis，LDA)所 得，其中，線性鑑別分析係為一應用於分類的方法，其原 理是根據費雪鑑定法則（Fisher’s discriminant criterion)在 高維的特徵空間中找尋少量的投影軸，以使得投影之後的 5 低維度特徵的特徵訊號分佈在不同類的類別（class)之間的 相互散佈矩陣（between-class scattering matrix)與各類別本 身的内部散佈矩陣（within-class scattering matrix)的比值 能夠最大化，亦即讓投影後的特徵訊號在不同的類別離得 愈遠愈好，在相同的類別中愈聚集愈好。因此，對於區分 10 合法使用者38與非法使用者39的兩類別之分類而言，其最 佳投影向量係如下式： 州=s:1 (桃厂 ％ )/1^ —σ - ％ )|， （ E q _ 1) 其中，心=a5(Sa+SJ， 與S,分別為合法使用者38與非法使 用者39之生物特徵的變異數矩陣。而…與叫則分別為合法 15 使用者38與非法使用者39之生物特徵的平均值。

而串連式線性鑑別分析（CLDA)即是在將所有的N維 生物特徵投影至由最佳投影向量（(Eq.l)式）產生一維特徵 訊號之後，再將所有的N維生物特徵投影至由最佳投影向 量（(Eq.l)式）所形成之特徵空間的零空間（null space)，以得 20 到比原來維度減一的特徵，再以（Eq.l)式找出在此（N-1)維 空間中的最佳投影向量。如此反覆進行Μ次，即可找出Μ 個投影向量，而將原來Ν維的生物特徵轉換為Μ維的特徵 訊號。而由（Eq.l)式可以發現，經轉換後的每一維特徵在 合法使用者38與非法使用者39之間的平均距離被最大化， 11 1249314 同時其各自分佈的緊密性也得以提高，是以能產生多維具 有高區分性之特徵訊號。 前述之使用者相依之高區分性特徵轉換單元31亦可 以一廣義對稱子空間最小距離最大化法則（Generalized 5 Symmetric Max Minimal Distance in Subspace Criterion ； GSMMS)所實現，此廣義對稱子空間最小距離最大化法則 係於多維特徵空間中找出一最佳投影向量，使得合法使用 者38投影後之特徵與非法使用者39投影後之特徵以兩道線 性平面區隔，而且兩種特徵的最小距離為最大。以方程式 10 表示如下： =argmax (Eq.2) 其中，/u與Λ,/分別為第/筆非法使用者39的生物特徵與第y 筆合法使用者38的生物特徵。為簡化最佳化的計算，假設 合法使用者3 8經投影之後的特徵平均分佈於其特徵的平均 15 值兩旁。則最佳的投影向量可由下式表示： w" = argmax- b\-mjx\wTfaJ -ft|J, (Eq.3) 其中，6 = mean(n^/fly)，也就是合法使用者3 8所有的生物特徵 訓練樣本經投影之後的特徵平均值。 為了求得多個投影向量以產生Μ維具區別性之特徵訊 20 號，同樣可以相同於串連式線性鑑別分析所述之以投影至 零空間（null space)的方式求得，或是直接以Μ個正交投影 向量對生物特徵進行投影成為維度為Μ的特徵，以最大化 合法使用者38與非法使用者39投影後之特徵的最小距離。 12 1249314 生物特徵在經由前述使用者相依之高區分性特徵轉 換單το 31之轉換後，合法使用者38的特徵在特徵空間中會 呈緊密分佈，而且與非法使用者39的特徵距離加大。所以， ，述穩定密碼金鑰產生單元32係依照區分性的不同，而由 每一維的特徵訊號以穩定地提供不同之密碼位元資訊來產 生密碼金餘，亦即，由較高區分性之維度㈣徵訊號來提 供較多之密碼位元資訊，而由較低區分性之維度的特徵訊 =來提供較少之密碼位元資訊，最後將所提供之料位元 資Λ予以組合而成為所需之密碼金鑰。 10 20 圖4顯示前述穩定密碼金鑰產生單元32之處理程序， 其中，圖4(A)顯示合法使用者38與全體使用者在某一維度 的特徵訊號分佈。對應於步驟剛之圖4(β)顯示左右邊界 的位置以及所設定的合法使用者38之特徵訊號的 刀區域’其中，此步驟8401係設定每一維特徵訊號分佈 a )

右邊界J

的左邊界為

八中為5法使用者38在此乡 度特徵訊號的平均值與標準差，0與〜為所有使用者4 此維度特徵訊號的平均值與標準^，於本實施例中， ^ g kgag RB-mg+kg'。h為一參數’較佳的設定為5 =以涵蓋近乎屬的全體❹者在此維度的特徵訊號名 ^，而u為用來控制合法使用者38之特徵訊號分佈區减 K弋的參數，以 八 &我® 口 /去使用者38之特徵訊號 刀之即區41的大小為&，此參數^之選擇除了以一固 13 1249314 疋的參數值套用於每一維度的特徵訊號之外，亦可以讓每 一維特徵訊號採用不同的參數值，例如以合併應用操作特 徵曲線（Receiver 0perati〇n㈤咖㈣他，r〇c C㈣e)方法來作最佳化參數設定，藉以達到更佳的效能。 5 對應於步驟S402之圖4(C)顯示以合法使用者38之特 徵訊號的分佈區域相同大小的節區來涵蓋左右邊界，此步 驟S402係依據岫述所得之合法使用者“之特徵訊號分佈 之節區41而在此維度的特徵空間的左右邊界中區分出至少 一與節區41的大小相同之節區。詳細言之，從上述所得之 10左邊界LB到所設定之合法使用者38之特徵訊號分佈的左 邊界（⑺a-tK)總共可分為LS =「(％—個與合法 使用者38的特徵訊號分佈之節區41相同大小的節區（本實 施例中係區分為3個節區42〜44)。同樣地，從合法使用者38 之特徵訊號分佈的右邊界（％ +<%)到前述所設定之右璋界 15 RB可分為烈=「(烈-吒個節區（本實施例中係區 分為1個節區45)。因此在LB與RB之間總共有（LS+RS + 1)=5 個節區41〜45。 對應於步驟S403之圖4(D)顯示前述節區41〜45之編 號’此步驟S403係對前述所得之節區41〜45進行編號標 20註’其至少可以由「1〇1(以+狀+ 1)1 = 3個位元為每一個節區 41〜45加以編號標註，以3個位元可產生8個編號，其中5個 編號分別用以標註節區41〜45，而多餘的3個編號則用以標 註任意增設於左右邊界之外之節區，其編號標註依照各節 區在特徵空間所在區域的數值大小依序編號如圖4(d)所 14 1249314 示’因此’可得到由合法使用者38於此維度的特徵訊號的 節區編號為1 〇 1，以此作為此維度之密碼位元資訊。 步驟S404再將由每一維度的特徵訊號所提供之密碼 位元資訊予以組合而得到一密碼金鑰，而依照上述之步 5驟’若生物特徵經轉換之後所得特徵訊號之維度為μ，則 將各維度的合法使用者之特徵訊號的分佈區域之編號加以 串接，即可得到總長度為^^「1〇&(只+硐+1^|的密碼金鑰。 由以上之說明可知，在本發明之以生物特徵為基礎之 始、碼金鑰產生系統及方法中，係藉由使用者相依之高區分 10性特徵轉換單元3 1來使得轉換之後的特徵更具區分力，再 經由穩定密碼金鑰產生單元32來使得不同區分能力的特徵 貝獻不同長度的密碼位元資訊，且利用生物特徵在不同維 度的統計特性，解消生物特徵本身在不同維度不同的變異 性，由此使天生具有變異性的生物特徵得以轉換為穩定度 15高、密碼長度長的密碼金鑰。如此不僅單一而穩定的密碼 金錄得以由合法使用者的生物特徵產生，而且能使密碼長 度能夠增長，有效地增大密碼的碼值空間㈣啊⑻，防 範攻擊者在短時間内以窮舉式搜尋法（exhausWe㈣叫 的方式進行密碼的猜測。 20 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所 主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限 於上述實施例。 【圖式簡單說明】 15 1249314 =1顯示習知以生物特徵作身份確認之存取控制的系統架 構。 圖2顯示習知以生物特徵轉換為密碼金餘的系統架構。 圖3 ·、肩不本發明之以生物特徵為基礎之密碼金鑰產生系統。 5圖4顯示依據本發明之穩定密碼金鑰產生單元的處理程序。 【主要元件符號說明】 亂數產生器21 使用者相依之高區分性特徵轉換單元31 10 穩定密碼金鑰產生單元32 合法使用者3 8 非法使用者39 步驟S401〜S404

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Claims (1)

1249314 括： 申請專利範圍： •種以生物特徵為基礎之密碼金鑰產生系 統，包 一使用者相依之高區分性特徵轉換單元，係提供 =合法使用者個別有—特徵轉換，以輸人轉生物特徵來 進仃特徵轉換而產生M維特徵訊號，俾使得合法使用 非法使用者經轉換後的特徵訊號分佈距離增大，且使人 ::者經轉換之後的特徵訊號分佈集中，而非法使用：的 特说Λ號分佈分散；以及 10 -穩定密碼金鑰產生單元，輪入轉換後的之特徵訊 別由_的特徵訊號所提供之密碼位元資 生㈣金錄，其中，每—維度的特徵訊號所提供之密碼位 凡貢訊的長度係正關係於該維度所具有之區分性，而每一 15 20 二=:性為在該維度中將合法使用者之特徵訊號由所 有使用者特徵訊號中區分出來的能力。 2. 如申請專利範圍第！項所述之系統，其中 密：金：產生單元係將由_的特徵訊號所提供之密：位 7G貝甙予以串接而產生該密碼金鑰。 3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該使用 ==^區/性特徵轉換單元係以一串連式線性鑑別分 析來將Ν，，隹生物特徵轉換為Μ維特徵訊號。 者^之如Λ請專利範圍第1項所述之系統，其中，該使用 者相依之南區为性特徵轉換單元係以—廣義對稱子空間最 17 1249314 距離最大化法則來將N維生物特徵轉換為厘維特徵訊 5.如申請專利範圍第i項所述之系統，其中，該穩定 密碼金鑰產生單元係依據該合法使用者之特徵訊號分佈之 5區域而在每一維度的特徵空間之左右邊界中區分出至少— 與該區域的大小相同之節區，以對該節區進行編號標註， 而得到由合法使用者於此維度的特徵訊號所提供之密石馬位 元資訊。 6· -独生物特徵為基礎之密碼錢產生方法 10括·· 匕 一使用者相依之高區分性特徵轉換步驟，係提供每— 位合法使用者個別有一特徵轉換，以輸入N維生物特徵來 進行特徵轉換而產生M維特徵訊號，俾使得合法使用者斑 非法使用者經轉換後的特徵訊號分佈距離增大，且使人法 15使用者經轉換之後的特徵訊號分佈能夠集中，而非法I用 者的特徵訊號分佈分散；以及 -穩定密碼金鑰產生步驟，輸入轉換後的之特徵訊 別由Μ維的特徵訊號所提供之㈣位元資訊來產 20 其中，每—維度的特徵訊號所提供之密碼位 兀貝。的長度係正關係於該維度所具有之區分性，而每一 維度之區分性為在該維度中將合法使用者之特徵訊號由所 有使用者特徵訊號中區分出來的能力。 … 18 1249314 7·如申請專利範圍第6項所述之 ▲ 者相依之高區分性特徵轉換步驟係以一=该使用 析來將Ν維生物特徵轉換為Μ維特徵㈣串連式線_ 5 者相二㈣專利範圍第6項所述之方法，其中，該使用 者相依之局以性特徵轉換步驟細_ ;1距離最大化法則來將Ν維生物特徵轉換為 密二·:=， 10 邊界，二係用以設定每—維特徵訊號分佈的左右 邊界^義出合法使用者之特徵訊號分佈之節區； 於分佈二 :【驟/系依據前述所得之合法使用者之特徵訊 ==而在此維度的左右邊界中區分出至 區的大小相同之節區； 15 參 兮，註步驟，係對前述所得之節區進行編號標 碼位二::由=使用者於此維度的特徵訊號所提供之密 20 碼位元：合步驟’係將由每一維度的特徵訊號所提供之密 碼位…予以組合而得到，金鑰。 步驟;二=請專利範圍第9項所述之方法，其中，該組合 接而產生，〜維的特徵訊號所提供之密碼位元資訊予以串 接而產生該密碼金鑰。 牛驟* t申5月專利範圍第9項所述之方法，其中，該設定 V驟係…-維特徵訊號分佈的左邊界為 19 1249314

搽毕差’ h及心為參數， 在此維度特徵訊號的平均值與標 者在此維度特徵訊號的平均值與 且所疋義之合法使用者之特徵訊 5號分佈之節區為（ma-hma+/tacra)。 ° 12_如申請專利範圍第u項所述之方法，其中，^ 為一固定的參數值。 —13·如中請專利範圍第u項所述之方法，其中，對於 母一維度，匕為一固定的參數值。 、 0 —丨4.如申請專利範㈣u項所述之方法，其中，對於 每一維度，匕為一不同的參數值。 15.如申請專利範圍第14項所述之方法，其中，、之 值係以以合併應用操作特徵曲線方法來設定。 16·如申請專利範圍第U項所述之方法，其中，於該 ;區分步驟、中，係從該左邊界LB到所設定之合法使用者之特 欲訊號分佈的左邊界（ma-/caaa)區八兔

(LS+RS+1)個節區。 20 1249314 17.如申請專利範圍第16項所述之方法，其中，於該 編號標註步驟中，係以+狀+ 1)Ί個位元為每一個節區 加以編號標註。 21