Verfahren zur Verarbeitung und Speicherung von biometrischen Daten

Abstract

 Es wird ein Verfahren zur Verarbeitung und Speicherung von biometrischen Daten beschrieben, bei dem die erfaßten Daten in Form einer Meßmenge dargestellt werden, die Meßmenge einem geeigneten Numerierungssystem zugeteilt wird, so daß der Meßmenge mindestens ein Wert aus einer abzählbaren Menge von Werten zugewiesen wird und dieser mindestens eine Wert verschlüsselt wird. Des weiteren wird ein Verfahren zum Verwenden biometrischer Daten zur Identifizierung von Personen vorgestellt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung und Speicherung von biometrischen Daten.

[0002] Das Fachgebiet der Biometrie beschäftigt sich mit der Anwendung mathematischer Methoden zur zahlenmäßigen Erfassung, Planung und Auswertung von Experimenten in Biologie, Medizin und Landwirtschaft. Hierbei ist insbesondere die Untersuchung des menschlichen Körpers von Interesse.

[0003] Ein praktisches Anwendungsbeispiel stellt die Erfassung und mathematische Beschreibung von Fingerabdrücken zu deren Erkennung, basierend auf der mathematischen Beschreibung des Verlaufs der papillaren Linien und ihrer Minutien, dar. Die Muster der papillaren Linien sind von besonderem Interesse, da sie eine eindeutige Identifizierung der betreffenden Person gestatten.

[0004] So ist es beispielsweise möglich, Kunden einer Bank, beim Bedienen eines Geldautomaten nicht mehr mittels Zahlenkombinationen sondern anhand ihrer Fingerabdrücke zu identifizieren. Hierzu müssen jedoch Daten, die Informationen zu den Fingerabdrücken wiedergeben, beispielsweise auf einer Kreditkarte bzw. Bankkarte gespeichert sein. Diese Daten müssen auf der Karte so abgelegt werden, daß ein unerlaubter Zugriff nicht möglich ist. Um einen unerlaubten Zugriff auf die Daten zu vermeiden, können die Daten verschlüsselt abgespeichert werden.

[0005] Bei bisherigen biometrischen Verfahren werden die biometrischen Daten aufgenommen und in Form sogenannter Meßmengen gespeichert. Die Meßmengen werden jeweils durch eine Menge von Meßparametern oder aber auch durch eine bijektiv numerische Beschreibung der Meßmenge dargestellt. Bei der bijektiv numerischen Beschreibung wird somit eine numerische Methode gewählt, um die Parameter der Meßmenge geeignet zu beschreiben. Beim Einsatz biometrischer Verfahren werden zur Erreichung eines Zugriffschutzes Meßmengen zunächst als Referenzmengen gespeichert. Dann werden neu erstellte Meßmengen mittels eines Maßes mit den Referenzmengen verglichen, und es wird so festgestellt, ob es sich um dieselbe Biomasse handelt, von der beide Meßmengen erstellt wurden. Dabei kann auch berücksichtigt werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit es sich um dieselbe Biomasse handelt.

[0006] Werden solche Meßmengen beispielsweise zum Anlegen von Datenbanken oder zur sonstigen Speicherung vorgesehen, so werden Darstellungen der Meßmengen gespeichert. Handelt es sich um eine besonders geschützte Speicherung, so wird oft eine zweiwegverschlüsselte Abbildung der Meßmenge gespeichert, es können aber auch beispielsweise komprimierte Parametersätze gespeichert werden, um Speicherplatz zu sparen.

[0007] Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist, daß die Zweiwegverschlüsselung keine ausreichende Sicherheit bietet.

[0008] Demgegenüber werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verarbeitung und Speicherung von biometrischen Daten die erfaßten Daten in Form einer Meßmenge dargestellt, die Meßmenge einem geeigneten Numerierungssystem zugeteilt, der Meßmenge mindestens ein Wert aus einer abzählbaren Menge von Werten zugewiesen und dieser mindestens eine Wert verschlüsselt auf einem geeigneten Datenträger gespeichert.

[0009] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0010] Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß nach der Erstellung einer Darstellung der Meßmenge oder in späteren Arbeitsgängen die Erstellung von Numerierungen der gemessenen Biomasse durch Zuteilung der Meßmenge in geeignete Numerierungssysteme erfolgt. Somit wird aus einer Darstellung einer Meßmenge errechnet, welche Nummern die durch die Meßmenge repräsentierte Biomasse in geeigneten Numerierungssystemen hat. Dies erfolgt anstelle oder zusätzlich zum weiteren Verfahren einer Darstellung der Meßmenge, egal ob diese ein Parametersatz, eine bijektiv numerische Beschreibung oder etwas Äquivalentes ist.

[0011] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Raum von möglichen Meßmengen bei biometrischen Verfahren nicht dicht besetzt oder auch nur gleichmäßig besetzt ist. Mögliche Meßmengen bilden Häufchen um die exakte Abbildung von Biomasse im Raum herum, bedingt durch Meß- und Abbildungsfehler, sowie durch Meßungenauigkeiten.

[0012] Numerierung bedeutet, daß Äquivalenzklassen gebildet werden, die es erlauben, Biomasse abzuzählen, indem diese Äquivivalenzklassen so gebildet werden, daß eine eindeutige Zuordnung von Biomassen zu einer oder mehreren Äquvivalenzklassen erreicht wird, die so gewählt sind, daß sie es zulassen, die Biomasse abzuzählen. Hierfür sind verschiedene mathematische Ansätze denkbar.

[0013] Die Schritte des Verfahrens, nämlich die Speicherung, Verschlüsselung, Entschlüsselung und Erkennung der biometrischen Daten können vorzugsweise von einem Computerprogramm ausgeführt werden. Dieses weist Programmcodemittel auf, um alle Schritte des vorstehend beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Das Computerprogramm wird auf einen Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit zur Ausführung gebracht. Diese Recheneinheit ist beispielsweise in einen Bankautomat mit Geldkartenleser enthalten.

[0014] Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt weist Programmcodemittel auf, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das vorstehend beschriebene Verfahren durchzuführen. Die Programmcodemittel sind auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert. Als geeignete Datenträger können EEPROMS und Flashmemories, aber auch CD-Roms, Disketten oder Festplattenlaufwerke verwendet werden.

[0015] Die erfaßten biometrischen Daten, unter anderem die Meßmengen, können auf einem Aufzeichnungsträger bzw. Datenträger aufgezeichnet sein. Dieser ist beispielsweise in einer Geldkarte enthalten. Der Aufzeichnungsträger kann die Meßmengen, die Daten die sich durch Zuteilung der Meßmengen in geeignete Numerierungssysteme ergeben und/oder diese Daten in verschlüsselter Form enthalten.

[0016] Der erfindungsgemäße Aufzeichnungsträger dient zur Verwendung in dem vorstehend beschriebenen Verfahren. Auf dem Datenträger ist ein Datensatz aufgezeichnet, der mindestens einen verschlüsselten Wert wiedergibt, wobei der mindestens eine Wert die Numerierung einer biometrische Daten darstellenden Meßmenge wiedergibt. Die Zuordnung von Meßmenge zu dem Wert erfolgt über eine Äquivalenzklasse.

[0017] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verwenden biometrischer Daten zur Identifizierung von Personen sieht vor, daß biometrische Daten einer zu identifizierenden Person erfaßt werden, diese Daten in Form einer Meßmenge dargestellt werden, die Meßmange einem geeigneten Numerierungssystem zugeteilt wird, so daß der Meßmenge mindestens ein Wert aus einer abzählbaren Menge von Werten zugewiesen werden kann und dieser mindestens eine Wert verschlüsselt wird. Dieser verschlüsselte Wert wird mit einem (auf einem Aufzeichnungsträger) gespeicherten ebenfalls verschlüsselten Wert verglichen, um die Person zu identifizieren.

[0018] Bei der Anwendung werden die auf dem Aufzeichnungsträger enthaltenen Daten mit den Daten verglichen, die vom Nutzer zur Identifizierung, beispielsweise durch Scannen eines Fingerabdrucks, eingelesen worden sind.

[0019] Zur Verdeutlichung wird nachfolgend ein Beispiel näher erläutert. Dieses Beispiel verdeutlicht die Bildung von Numerierungen mittels dreier Äquvivalenzklassen, gebildet durch n-Voxelraster.

[0020] Es wird davon ausgegangen, daß Parametersätze P_i = {p_i,1, p_i,2, p_i,3, ...} gemessen werden. Diese Parametersätze stellen Meßmengen dar. Es genügt diese Betrachtung, da bei bijektiv numerischer Darstellung der Meßmengen leicht aus den Darstellungen geeignete Parametersätze abgebildet werden können. Weiterhin ist ein geeignetes Maß M definiert, das die Dreiecksungleichung erfüllt und zum Vergleich von Parametersätzen geeignet ist.

[0021] Passend zu diesem Maß werden Dimensionen für den Raum der Meßmengen insofern definiert, daß für alle Dimensionen d gilt, wenn P_i, P_k und P_l in allen Dimensionen bis auf eine d gleich sind und P_i von P_k dasselbe Maß wie P_k von P_l hat, und P_i, P_k und P_l verschieden sind, daß dann P_i von P_l das doppelte Maß wie von P_k hat. Es geht selbstverständlich auch andersherum. Es werden Dimensionen und ein geeignetes Maß definiert, wobei aber oft in einer Anwendung bereits ein Maß vorliegt.

[0022] Es werden so viele Dimensionen definiert wie nötig sind, um den Meßraum vollständig aufzuspannen. Des weiteren werden so wenig Dimensionen wie möglich definiert, damit keine lineare Abhängigkeiten der Dimensionen bestehen.

[0023] Die Forderung nach der Senkrechten zwischen den Dimensionen kann, muß aber nicht gegeben sein. Der Begriff n-Voxel bezeichnet somit im folgenden nicht unbedingt n-Kuben. Da wir nicht unbedingt euklidische Räume betrachten, sind die n-Voxel nicht unbedingt geometrisch zu sehen, in jedem Falle aber isomorph und mit jeweils nach dem verwendeten Maß gleich großen Kanten.

[0024] Anschließend werden geeignete Referenzklassen gebildet, indem eine Maßzahl m₀ so gewählt wird, daß diese größer als der vierfache maximale Streufaktor der Häufchen und also größer als die vierfache Maßzahl m ist, die als maximales Maß zur Ähnlichkeit im Sinne der Betrachtung der Meßmengen ist. Eine solche Maßzahl m gibt es in jedem biometrischen Verfahren, oft auch implizit, da in vielen Fällen das Maß implizit in der algorithmischen Lösung des Vergleichens von Darstellungen von Meßmengen implementiert vorliegt. Die Maßzahl m₀ wird vorzugsweise möglichst klein gewählt, also möglichst nahe an 4m₀.

[0025] Zu beachten ist, daß jeder Meßraum endlich ist. Es gibt somit in allen Dimensionen Gültigkeitsintervalle, da jede Messung einen gültigen Meßbereich in jedem Meßparameter hat.

[0026] Daraufhin wird der Meßraum in ein n-Voxelraster R₁ aufgeteilt, wobei die Voxel eine Kantenlänge von m₀ haben. Die n-Voxel bilden die Äquvivalenzklassen von Punkten im Meßraum. Das Problem "überhängender" n-Voxel wird einfach ignoriert, womit der Meßraum entsprechend vergrößert wird. Eines der n-Voxel hat den Ursprung als Eckpunkt.

[0027] Weiterhin wird der Meßraum in ein weiteres n-Voxelraster R₂ aufgeteilt. Diese n-Voxel haben ebenfalls eine Kantenlänge von m₀. Der Ursprung bildet hier jedoch den Mittelpunkt eines n-Voxels. Auch hier wird das Problem der Überhänge der n-Voxel am Rand ignoriert.

[0028] Beim Betrachten von R₁ und R₂ ist festzustellen, daß im zweidimensionalen noch Schnittpunkte zwischen den n-Voxelkanten beider Räume existieren. Dies ist bei drei Dimensionen nicht mehr der Fall. Der Beweis hierfür ist bekannt und vielfach geführt in der Literatur nachzulesen.

[0029] Falls - da zweidimensional - nötig, wird der Raum zum dritten in ein solches n-Voxelraster R₃ aufgeteilt, so daß dieses die Schnittpunkte der n-Voxel aus R₁ und R₂ als Mittelpunkte seiner n-Voxel besitzt. Dieses Raster hat dann die doppelte n-Voxeldichte von R₁ und R₂, mit anderen Worten, die n-Voxel von R₃ haben als Kantenlänge 1/2 m₀. Auch in diesem Fall funktioniert das erfindungsgemäße Verfahren.

[0030] Die n-Voxel der Raster R₁, R₂ und gegebenenfalls R₃ können nun leicht numeriert werden. Es wird lediglich nach einer beliebigen Systematik duchgezählt.

[0031] Jeder Parametersatz wird nun durch zwei bzw. drei Nummern von n-Voxeln repräsentiert. Es ist äußerst unwahrscheinlich, daß zwei Parametersätze gemessen werden, die von verschiedenen Biomassen stammen und trotzdem in einem der Raster dasselbe n-Voxel besetzen. Dies ist aufgrund der Tatsache, daß es äußerst unwahrscheinlich ist, daß zwei Biomassen sehr ähnlich sind. Auf dieser Annahme basieren auch alle anderen biometrischen Verfahren, die bspw. in der Identifikationstechnik eingesetzt werden. Umgekehrt ist es aber unmöglich, daß zwei Parametersätze derselben Biomasse gültig gemessen werden, ohne daß nicht wenigstens in einem Raster die beiden Parametersätze ein und dasselbe n-Voxel besetzen.

[0032] Es handelt sich bei dieser Implementierung also um eine zweifache bzw. dreifache Numerierung.

[0033] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren genügt somit die Speicherung von Mustern, die die Numerierungen nicht bijektiv abbilden.

[0034] Es können somit beim Einsatz bei Identifikationsverfahren im Gegensatz zur Verarbeitung von Parametersätzen oder von bijektiv numerischen Darstellungen von Referenzmeßmengen Numerierungen einwegverschlüsselt gespeichert werden. Es ist nicht mehr nötig, die verschlüsselten Nummern zu entschlüssen. Es genügt, die Numerierung der neuen Meßmenge zu ermitteln und einwegzuverschlüsseln und dann die verschlüsselten Werte zu vergleichen. Als Verschlüsselungsalgorithmen können hermkömmliche Standardalgorithmen dienen, wie beispielsweise MD5. Somit können ohne große Sicherheitsbedenken hinreichend lange Hashes von Numerierungen auf elektronischen, magnetischen oder sonst üblichen Datenträgern, wie beispielsweise Magnet- oder Chipkarten, scheibenförmige Datenträger oder ähnliche, gespeichert werden. Bei geeignet gewählter Numerierung und hinreichend großer Numerierungsbreite ist der einzig bekannte Angriff auf diese Schlüssel, um zurück zu der Ursprungsnumerierung zu kommen, das Brute-Force-Attack-Verfahren bzw. durch langwieriges Ausprobieren, was nicht praktikabel ist.

[0035] Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert demnach sämtliche Anwendungen der Biometrie unter sicherheitstechnischen Gesichtspunkten. Mit diesem Verfahren werden biometrische Anwendungen genau so sicher wie Verfahren, bei denen geeignet gewählte lange Kennwörter oder Paßphrases zur Anwendung kommen. Somit ist einer der Hauptkritikpunkte an der Sicherheit von biometrischen Verfahren zur Identifikation ausgeräumt.

[0036] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es durchaus denkbar, auf sichere Art und Weise Nummern von Fingerabdrücken MD5 gehasht auf einer Geldautomat- oder Kreditkarte zu speichern und per Biometrie am POS-Gerät zu prüfen, ob der Fingerabdruck zeigt, daß die bedienende Person autorisiert für die Verwendung der Karte ist. Diese Speicherung kompromittiert nicht mehr die Sicherheit des Verfahrens, da endlich die Hauptforderung in der Kryptographie, nämlich dokumentierte und offengelegte Verfahren zu verwenden und trotzdem sicher zu sein, auch bei biometrischen Verfahren problemlos erfüllt sein kann.

[0037] Zudem spart die Speicherung von Nummern im Gegensatz zur Speicherung von Parametersätzen im erheblichen Maße Speicherplatz. Bei der Speicherung von Parametersätzen ist oftmals mehr als 125 Byte Speicherplatz pro Parametersatz notwendig. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren reicht beispielsweise bei der gezeigten zweifachen Numerierung bei 64 Bit-Nummern bereits der Speicherplatz von 16 Byte aus. Nutzt man die Eigenschaft, daß es ausreichend ist, Muster nicht bijektiver Abbildungen zu speichern, sind sogar wesentliche kleinere Speichermengen denkbar. Bei der Verwendung von 64 Bit-Darstellungen der Nummern und bei der Berücksichtigung der Tatsache, daß es sehr unwahrscheinlich ist, in der Anwendungen zwei Darstellungen zu finden, die in ihrem XOR-Muster bei je 32 Bit, also insgesamt in 32 Bit, gleich sind. So genügen beispielsweise 4 Byte zur Speicherung und Vergleichsmöglichkeit. Das übertrifft in der minimalen Speicherplatzmenge auch jede bijektiv numerische Darstellungsmethode einer Meßmenge bei mindestens gleicher Vergleichswahrscheinlichkeit.

[0038] Die beigefügte Zeichnung zeigt ein dreifaches Gitterraster. Zu erkennen ist die Überlagerung dreier Raster 10, 12, 14, verdeutlicht durch die Verwendung unterschiedlich unterbrochener Linien. Mittels der Raster 10, 12, 14 wird eine Fläche in unterschiedliche Bereiche unterteilt.

[0039] Mit Hilfe der Raster 10, 12, 14 wird ein Parameterraum, in dem sich mögliche Werte befinden, aufgespannt. Jedes Raster 10, 12, 14 definiert eine abzählbare Menge von Feldern, so daß jedem Feld in jedem Raster 10, 12, 14 ein Wert zugewiesen werden kann. Abzählen bedeutet somit in diesem Fall, eine Beziehung zwischen Position im Parameterraum und einer natürlichen Zahl herzustellen, die dann einwegverschlüsselt werden kann. Einer Meßmenge können nunmehr drei Werte, nämlich jeweils einer in jedem Raster 10, 12, 14 zugewiesen werden. Diese drei Werte werden verschlüsselt und dienen zur Identifizierung der Person, deren biometrische Daten Grundlage der ermittelten Meßmenge war.

Ansprüche

1. Verfahren zur Verarbeitung und Speicherung von biometrischen Daten, bei denen die erfaßten Daten in Form einer Meßmenge dargestellt werden, die Meßmenge einem geeigneten Numerierungssystem zugeteilt wird, der Meßmenge mindestens ein Wert aus einer abzählbaren Menge von Werten zugewiesen wird und dieser mindestens eine Wert verschlüsselt auf einem geeigneten Datenträger gespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine Wert einwegverschlüsselt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Numerierung der Meßmenge mittels mindestens einer Äquivalenzklasse gebildet wird.

4. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit ausgeführt wird.

5. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit ausgeführt wird.

6. Aufzeichnungsträger zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, auf dem ein Datensatz aufgezeichnet ist, der mindestens einen verschlüsselten Wert wiedergibt, wobei der mindestens eine Wert die Numerierung einer biometrische Daten darstellenden Meßmenge wiedergibt.

7. Verfahren zum Verwenden biometrischer Daten zur Identifizierung, bei denen biometrische Daten einer Person erfaßt werden, die erfaßten Daten in Form einer Meßmenge dargestellt werden, die Meßmenge einem geeigneten Numerierungssystem zugeteilt wird, so daß der Meßmenge mindestens ein Wert aus einer abzählbaren Menge von Werten zugewiesen wird, dieser mindestens eine Wert verschlüsselt wird und mit mindestens einem auf einem Aufzeichnungsträger gespeicherten verschlüsselten Wert verglichen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die biometrischen Daten durch Abscannen erfaßt werden.

9. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach Anspruch 7 oder 8 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit ausgeführt wird.

10. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit ausgeführt wird.

Zeichnung