WO2002044999A2 - Verfahren und vorrichtung zur ermittlung einer fehlerrate biometrischer einrichtungen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur ermittlung einer fehlerrate biometrischer einrichtungen Download PDF

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WO2002044999A2
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Kurt Heschgl
Manfred Bromba
Dietmar GÖSSERINGER
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    • G10L17/06—Decision making techniques; Pattern matching strategies
    • G10L17/10—Multimodal systems, i.e. based on the integration of multiple recognition engines or fusion of expert systems

Definitions

  • biometric features e.g. a fingerprint and a speech pattern can be combined to increase security.
  • An object of the invention is to provide a method which enables the determination of personal error rates in a relatively simple and inexpensive manner.
  • This object is achieved according to the invention with a method of the type mentioned at the outset by carrying out a test run in the biometric device using a database which contains a number of external feature sets to compare these external feature sets with the feature set of a stored current feature of the authorized person and personal error rates for the beneficiary can be determined from this.
  • the invention offers the advantage that a database has to be created only once, which can then be stored on a data carrier and supplied with the biometric device. The user must then have his biometric feature, e.g. enter a fingerprint and the device then carries out a test run in which the error rates can be determined.
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  • a false acceptance error rate and / or a rejection error rate is preferably determined as the error rate.
  • a biometric device of the type mentioned at the outset can be used, which is designed to access a database that contains a number of external feature sets, a test run to compare these external feature sets with the feature set of a stored current feature of the authorized person and to determine a personal error rate for the beneficiary.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the creation of a database in the context of the method according to the invention and its use together with a biometric device
  • FIG. 2 shows, in a diagram, the exemplary relationship between the rejection error rate and the false acceptance error rate compared to an equal error rate
  • FIG. 2 A representation as in FIG. 2, but created • Fig. 3 in a similar diagram, but on a different scale for three different users.
  • FIG. 1 shows that with the aid of a device BAR, which also has a biometric sensor SEN, a number n of people assigned biometric characteristics le, here the impressions of one finger Fl, F2, .... Fn are sampled or recorded.
  • the essential features are extracted in a manner known to the person skilled in the art from the information arising behind the biometric sensor SEN and written as a feature set in a database DAB, which is implemented here, for example, as a compact disk.
  • the database DAB is then made available to a biometric facility BER or is delivered together with this to a user.
  • the user also referred to here as the authorized person, enters a personal biometric feature, for example a finger FW, using a sensor SEN.
  • a feature set of the current biometric feature M B is created, it should be noted that this feature set M B can also be created by averaging through repeated inputs of the biometric feature by the user.
  • the feature set M B is now stored in a memory of the device BER and the user or authorized person can then initiate a test run which is used for each of the
  • the personal error rates for the authorized person are determined, namely the false acceptance error rate, which indicates the frequency with which an unauthorized person is granted access by the BER facility, and the rejection error rate FRR, which indicates the frequency with which the authorized person is granted is rejected by the biometric institution BER.
  • the rejection error rate FRR is determined in a dedicated test series, in which the user must ensure that no stranger tries to gain access. After, for example, a few hundred attempts, a rejection error rate FRR in the percentage range can be be counted, for example by counting the number of rejections or by evaluating the hit values, which indicate how strong the rejection or acceptance was. If the feature sets are stored, a curve of the rejection error rate FRR can be determined as a function of a virtual threshold. Similarly, by testing the current personal feature M B of the user against all external features, the false acceptance error rate is determined as a function of a virtual threshold.
  • the curves thus determined for the false acceptance error rate FAR and the rejection error rate FRR enable the user to determine his own security by setting the real threshold.
  • the device can also display a so-called “receiver-operator curve ⁇ -to the user , which is shown as an example in FIG. 2 and is designated ROC.
  • the 45 ° straight line in the diagram is referred to as the equal error rate and is shown for comparison and illustration.
  • FIG. 3 shows three different dependencies for different people, FIG. 3 differing from FIG. 2 only in the choice of the scale, which also leads to the fact that the equal error rate has a different increase here in FIG. 3.
  • the curves drawn in FIG. 3 for three different people are designated ROC1, ROC2 and ROC3 here.
  • the invention offers, inter alia, the advantage that it can take account of an individual when determining the error rates, as a result of which corresponding security barriers can be established with greater certainty and more quickly, which is illustrated, for example, by the evaluation shown in FIG. 3 using three test subjects.

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Abstract

Zur Ermittlung der Fehlerrate einer biometrischen Einrichtung (BER) werden in einer Datenbank (DAB) eine Anzahl von Fremdmerkmalsätzen gespeichert, welche in einem Testlauf mit dem Merkmalsatz des Berechtigten verglichen und daraus persönliche Fehlerraten (FAR, FRR) für den Berechtigten ermittelt werden.

Description

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speicherten Merkmalsatz des Zugriffsberechtigten verglichen wird. Bei Übereinstimmung in einem gewissen, vorgebbaren Grad wird der Zugang erteilt, sonst abgewiesen. Dabei können auch mehrere biometrische Merkmale, z.B. ein Fingerabdruck und ein Sprachmuster, kombiniert werden, um die Sicherheit zu erhöhen.
Da die Messung biometrischer Merkmale niemals eindeutig ist, wie z.B. ein Zahlenschlüssel, bestehen Fehlermöglichkeiten, welche für den Sicherheitsgrad bedeutsam sind. Insbesondere kennt man die Falschakzeptanz-Fehlerrate (False Acceptance Rate) , welche festlegt, mit welcher Häufigkeit ein Unberechtigter Zugang erhält, sowie die Abweisungsfehlerrate (False Rejection Rate), die angibt, mit welcher Häufigkeit ein Be- rechtigter abgewiesen wird. Es versteht sich, dass beide Fehlerraten möglichst klein sein sollten, wobei für die Sicherheit insbesondere die Falschakzeptanz-Fehlerrate von besonderer Bedeutung ist.
Bei Kauf oder Inbetriebsetzung einer biometrischen Einrichtung der gegenständlichen Art muss der Benutzer verständlicherweise die Fehlerraten kennen bzw. müssen diese Fehlerraten den jeweiligen Sicherheitsanforderungen entsprechend gewählt werden.
Zur Ermittlung der genannten Fehlerraten benötigt man gegenwärtig weitläufige Feldtests mit sehr vielen Teilnehmer, wobei sich als Ergebnis Mittelwerte über eine große Anzahl von Menschen erhalten lassen. Bei diesen Tests wird jeweils eine Person als berechtigt angenommen und gegen eine größere Anzahl anderer Personen ausgetestet. Die erhaltenen Fehlerraten, nämlich eine Falschakzeptanzfehlerrate und eine Abweisungsfehlerrate werden sodann dem gelieferten Gerät oder System beigegeben.
Die Praxis zeigt jedoch, dass sowohl die Falschakzeptanz- Fehlerrate, als auch die Abweisungsfehlerrate sehr stark von der jeweiligen Person, nämlich dem „Berechtigten', abhängen. Da sehr viele biometrische Einrichtungen auch persönliche Einrichtungen sind, sind für einen Anwender insbesondere die persönlichen Kenngrößen interessant, was allerdings voraus- setzen würde, dass mit den biometrischen Merkmalen des jeweiligen Anwenders ausgiebige und kostspielige Tests durchgeführt werden müssten.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zu schaffen, welches auf verhältnismäßig einfache und kostengünstige Weise die Ermittlung persönlicher Fehlerraten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der biometrischen Einrichtung unter Verwendung einer Datenbank, welche eine Anzahl von Fremdmerkmalsätzen enthält, ein Testlauf zum Vergleich dieser Fremdmerkmalsätze mit dem Merkmalsatz eines abgespeicherten aktuellen Merkmals des Berechtigten durchge- führt und hieraus persönliche Fehlerraten für den Berechtigten ermittelt werden.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass lediglich ein einziges Mal eine Datenbank erstellt werden muss, die sodann auf einem Datenträger abgespeichert mit der biometrischen Einrichtung mitgeliefert werden kann. Der Benutzer muss sodann sein biometrisches Merkmal, z.B. einen Fingerabdruck eingeben und daraufhin führt die Einrichtung einen Testlauf durch, in welchem die Fehlerraten bestimmt werden können.
Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass mit Hilfe einer zumindest hinsichtlich der Abtastung biometrischer Merkmale mit der biometrischen Einrichtung äquivalenten Einrichtung biometrische Merkmale verschie- dener Fremdpersonen erfasst und als Fremdmerkmalsätze in der Datenbank abgespeichert werden. Bei dieser Variante werden cυ c tv> ) H-1 cπ o cπ o Cπ Cn ö cn cn CΛ N tr s 3 s: cn Hi CΛ 0 P N ^ 0 S H P1 <! tr <! < tΛ 0 3 0 ^ H 21 DJ cn
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Wie bereits erwähnt wird als Fehlerrate vorzugsweise eine Falschakzeptanz-Fehlerrate und/oder eine Abweisungsfehlerrate ermittelt.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe lässt sich auch eine biometrische Einrichtung der eingangs genannten Art heranziehen, welche dazu ausgebildet ist, unter Zugriff auf eine Datenbank, welche eine Anzahl von Fremdmerkmalsätzen enthält, einen Testlauf zum Vergleich dieser Fremdmerkmalsätze mit dem Merkmalsatz eines abgespeicherten aktuellen Merkmals des Berechtigten durchzuführen und hieraus eine persönliche Fehlerrate für den Berechtigten zu ermitteln.
Die mit dieser Einrichtung erzielbaren Vorteile sowie jene, welche den abhängigen Ansprüchen 9 bis 13 zugeordnet werden können, wurden bereits weiter oben erwähnt.
Die Erfindung samt weiterer Vorteile ist im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in welchen zeigen:
* Fig. 1 in einer schematischen Darstellung die Erstellung einer Datenbank im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens und deren Verwendung zusammen mit einer biometrischen Einrichtung,
" Fig. 2 in einem Diagramm den beispielsweisen Zusammenhang zwischen der Abweisungsfehlerrate und der Falschakzeptanz- Fehlerrate verglichen mit einer Gleichfehlerrate, und
• Fig. 3 in einem ähnlichen Diagramm, jedoch in anderem Maßstab eine Darstellung wie Fig. 2, jedoch für drei unterschiedliche Benutzer erstellt.
In Fig. 1 ist gezeigt, dass mit Hilfe einer Einrichtung BAR, die auch einen biometrischen Sensor SEN aufweist, von einer Anzahl n von Personen diesen zugeordnete biometrische Merkma- le, hier die Abdrücke je eines Fingers Fl, F2, .... Fn abgetastet bzw. aufgenommen werden. In der Einrichtung BAR werden in dem Fachmann bekannter Weise die wesentlichen Merkmale aus der hinter dem biometrischen Sensor SEN anfallenden Informa- tion extrahiert und als Merkmalsatz in eine Datenbank DAB geschrieben, die hier als Compact Disk beispielsweise realisiert ist.
Die Datenbank DAB wird sodann einer biometri.schen Einrichtung BER zur Verfügung gestellt bzw. mit dieser zusammen einem Be- nutzer ausgeliefert. Bei Inbetriebnahme der Einrichtung BER gibt der Benutzer, hier auch als Berechtigter bezeichnet, ein persönliches biometrisches Merkmal, z.B. eines Fingers FW mittels eines Sensors SEN ein. Wiederum nach einer Extraktion wird eine Merkmalsatz des aktuellen biometrischen Merkmals MB erstellt, wobei anzumerken ist, dass dieser Merkmalsatz MB auch durch eine Mittelung über wiederholte Eingaben des biometrischen Merkmals durch den Benutzer erstellt werden kann. Der Merkmalsatz MB wird nun in einem Speicher der Einrichtung BER abgelegt und der Benutzer bzw. Berechtigte kann sodann einen Testlauf veranlassen, welcher dazu dient, jeden der
Merkmalsätze Mi der Datenbank DAB gegen das persönliche Merkmal MB des Benutzers auszutesten.
Im Zuge des Testlaufes werden die persönlichen Fehlerraten für den Berechtigten ermittelt, nämlich die Falschakzeptanz- Fehlerrate, die angibt, mit welcher Häufigkeit einem Nicht- Berechtigten durch die Einrichtung BER Zugang gewährt wird, sowie die Abweisungsfehlerrate FRR, die angibt, mit welcher Häufigkeit der Berechtigte von der biometrischen Einrichtung BER abgewiesen wird.
Insbesondere wird die Abweisungsfehlerrate FRR in einer dezitierten Testreihe ermittelt, in welcher der Benutzer sicherstellen muss, dass keine fremde Person einen Zugang oder Zutritt versucht. Nach beispielsweise einigen hundert Versuchen kann eine Abweisungsfehlerrate FRR im Prozentbereich er it- telt werden, z.B. durch Zählung der Anzahl der Ablehnungen oder durch Auswertung der Trefferwerte, die angeben, wie stark die Ablehnung oder Akzeptanz war. Werden die Merkmalsätze gespeichert, so lässt sich daraus eine Kurve der Abwei- sungsfehlerrate FRR in Abhängigkeit einer virtuellen Schwelle ermitteln. In ähnlicher Weise wird durch Austestung des aktuellen persönlichen Merkmals MB des Benutzers gegen alle Fremdmerkmale die Falschakzeptanz-Fehlerrate in Abhängigkeit von einer virtuellen Schwelle ermittelt.
Die solchermaßen ermittelten Kurven für die Falschakzeptanz- Fehlerrate FAR und die Abweisungsfehlerrate FRR versetzen den Benutzer in die Lage, sich seine individuelle Sicherheit selbst durch Einstellung der realen Schwelle zu bestimmen. Die Einrichtung kann dem Benutzer auch eine sogenannte „Re- ceiver-Operator-CurveλΛ anzeigen, die als Beispiel in Fig. 2 dargestellt und mit ROC bezeichnet ist. Die in dem Diagramm verlaufende 45°-Gerade wird als Gleichfehlerrate (Equal- Error-Rate) bezeichnet und ist zum Vergleich und zur Veranschaulichung eingezeichnet.
In Fig. 3 sind dagegen drei verschiedene Abhängigkeiten für unterschiedliche Personen dargestellt, wobei sich Fig. 3 von Fig. 2 lediglich durch die Wahl des Maßstabs unterscheidet, die auch dazu führt, dass die Gleichfehlerrate hier in Fig. 3 einen anderen Anstieg aufweist. Die in Fig. 3 eingezeichneten Kurven für drei verschiedene Personen sind hier mit ROC1, ROC2 und ROC3 bezeichnet.
Es ist weiters möglich, für die Datenbank DAB Fremdmerkmalsätze mit statistisch verteilten, jedoch virtuellen Merkmalen zu erzeugen, welche sich bezüglich ihrer Eigenschaften wie Merkmale realer Personen verhalten. Eine solche Datenbank hat den Vorteil, dass ausgeschlossen wird, dass ein Zulieferant zu der Fremddatenbank falsche Werte für z.B. die Falschakzep- tanz-Fehlerrate erhält, weil sich eben auch sein Merkmalsatz in dieser Datenbank befindet. Es muss nur tatsächlich sicher- gestellt werden, dass sich die künstlich erzeugten Merkmalsätze nachweislich wie „normale' Merkmalsätze realer Personen verhalten. Dabei ergibt sich als Vorteil, dass die Fremdmerkmalsätze nicht dauernd gespeichert werden müssen, sondern bei Bedarf vorübergehend erzeugt werden, sodass der Speicherplatz ökonomisch verwaltbar ist.
Insbesondere bei Verwendung einer Datenbank, welche Datensätze existierender Personen enthält, ist es sinnvoll, die Datenbank zu verschlüsseln und eine Entschlüsselung nur während des Testlaufes zu ermöglichen, um die Daten der Fremdpersonen zu schützen.
Die Erfindung bietet unter anderem den Vorteil, das sie bei der Ermittlung der Fehlerraten auf eine Einzelperson Rücksicht nehmen kann, wodurch sich mit größerer Sicherheit und rascher entsprechende Sicherheitsschranken festlegen lassen, was beispielsweise die in Fig. 3 gezeigte Auswertung anhand von drei Testpersonen illustriert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung einer Fehlerrate (FAR, FRR) für eine biometrische Einrichtung (BER) , welche bei Übereinstim- men eines im Anlassfall mittels zumindest eines biometrischen Sensors (SEN) eingegebenen biometrischen Merkmals (MB) einer Person mit einem als Merkmalsatz abgespeicherten Merkmal (MB) eines Berechtigten einen Zugang freigibt und bei Nichtüber- einstimmen einen Zugang abweist, wobei zur Fehlerratenermitt- lung ein aktuelles biometrisches Merkmal (MB) eines Berechtigten gegen eine Anzahl (n) fremder biometrischer Merkmale (Mi) getestet wird und die Fehlerraten durch die Häufigkeit der Zugangserteilung für einen Unberechtigten und die Häufigkeit der Abweisung eines Berechtigten festgelegt werden, dadurch geke nzeichnet, dass in der biometrischen Einrichtung (BER) unter Verwendung einer Datenbank (DAB) , welche eine Anzahl (n) von Fremdmerkmalsätzen enthält, ein Testlauf zum Vergleich dieser Fremdmerkmalsätze mit dem Merkmalsatz eines abgespeicherten aktu- eilen Merkmals des Berechtigten durchgeführt und hieraus persönliche Fehlerraten (FAR, FRR) für den Berechtigten ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer zumindest hinsichtlich der Abtastung biometrischer Merkmale mit der biometrischen Einrichtung (BER) äquivalenten Einrichtung (BAR) biometrische Merkmale (Mi) verschiedener Fremdpersonen erfasst und als Fremdmerkmalsätze in der Datenbank (DAB) ab- gespeichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der hinter einem biometrischen Sensor (SEN) anfallenden Information biometri- sehe Merkmale extrahiert und in dieser Form in der Datenbank (DAB) abgespeichert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Datenbank (DAB) Fremdmerkmalsätze mit statistisch verteilten, virtuellen Merkmalen erzeugt werden, welche sich bezüglich ihrer Ei- genschaften wie Merkmale realer Personen verhalten.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aktuelle, als Merkmalsatz abgespeicherte Merkmal des Berechtigten durch Mittelwertbildung einer Mehrzahl von Abtastungen des aktuellen biometrischen Merkmals des Benutzers ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbank (DAB) verschlüsselt ist und nur vorübergehend, für den Testlauf entschlüsselt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Fehlerrate eine Falschakzeptanz-Fehlerrate (FAR) und/oder eine Abweisungsfehlerrate (FRR) ermittelt wird.
8. Biometrische Einrichtung (BER) mit zumindest einem biometrischen Sensor (SEN) , welche dazu eingerichtet ist, bei Übereinstimmen eines im Anlassfall mittels des Sensors einzugebenden biometrischen Merkmals einer Person mit einem als Merkmalsatz abgespeicherten Merkmal (MB) eines Berechtigten einen Zugang freizugeben und bei Nichtübereinstimmen einen Zugang abzuweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (BER) dazu ausgebildet ist, unter Zugriff auf eine Datenbank (DAB) , welche eine Anzahl (n) von Fremdmerkmalsätzen enthält, einen Testlauf zum Vergleich dieser Fremdmerkmalsätze mit dem Merkmalsatz eines abgespeicher- ten aktuellen Merkmals des Berechtigten durchzuführen und hieraus eine persönliche Fehlerrate (FAR, FRR) für den Berechtigten zu ermitteln.
9. Biometrische Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbank (DAB) FremdmerkmalSätze enthält, welche mit Hilfe einer zumindest hinsichtlich der Abtastung biometrischer Merkmale mit der biometrischen Einrichtung (BER) äquivalenten Einrichtung
(BAR) durch Erfassung biometrischer Merkmale (Mi) verschiedene Personen erfasst werden.
10. Biometrische Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbank (DAB) Fremdmerkmalsätze enthält, welche synthetische mit statistisch verteilten virtuellen Merkmalen erzeugt werden, welche sich bezüglich ihrer Eigenschaften wie Merkmale realer Personen verhalten.
11. Biometrische Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Datenbank (DAB) Merkmale abgespeichert sind, die aus hinter einem biometrischen Sensor (SEN) anfallenden Informationen biometri- scher Merkmale extrahiert werden.
12. Biometrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbank (DAB) verschlüsselt ist und die Einrichtung dazu ausgebildet ist, nur während des Testlaufes eine Entschlüsselung zu ermöglichen.
13. Biometrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Fehlerrate eine Falschakzeptanz-Fehlerrate (FAR) und/oder eine Abweisungsfehlerrate (FRR) ist.
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