BIOIDENTIFIKATION Permanente Adresse: urn:nbn:de:0125-2008070936 Fragen und Antworten Letzte Änderung: 2009-05-16
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Es stehen drei Typen von Merkmalen zur Verfügung:

• Grobmerkmale (Schleife, Tanne, Wirbel, ...)
• Feinmerkmale (Minuzien)
• Porenstruktur

Grobmerkmale haben stark genotypische Anteile und eignen sich zur Vorsortierung bei einer Identifikation über sehr großen Datenbanken. Die Minuzien sind vorwiegend randotypischer Natur und machen die Einmaligkeit eines Fingerabdrucks aus, weshalb sie direkt oder indirekt (bei Bildkorrelationsverfahren) von fast allen Fingerprintsystemen ausgewertet werden. Die Porenstruktur wird wegen der starken Qualitätsschwankungen bei der Bildaufnahme nur selten betrachtet.

Grundsätzlich ja. Allerdings können an einzelnen Fingern permanente Störungen (seltene Hautkrankheiten) oder vorübergehende Störungen (Verschmutzung, Abnutzung durch mechanischen Abrieb) auftreten, die eine Erfassung und Auswertung stark erschweren oder unmöglich machen. Optimale Sensorik und Auswertesoftware vorausgesetzt, liegt die Nutzerausfallrate der Gesamtbevölkerung unter ca. 5%. Betrachtet man ausschließlich Bürotätige, sinkt die Nutzerausfallrate unter ca. 1%.

Statisch kapazitive Typ 1

Statisch kapazitive Typ 2

Dynamisch kapazitive

Lumineszierend kapazitive

Optisch reflexive

Optisch streuende

Optisch transmissive mit Lichtleiterplatte

Optisch kontaktlose

Akustische (Ultraschall)

Drucksensitive

Thermische Zeilensensoren

Kapazitive und optische Zeilensensoren

Alle Fingerprintsensoren versuchen ein digitales Bild der Fingeroberfläche zu erzeugen. Dieses Bild hat üblicherweise eine Auflösung von 500 dpi für die einzelnen Bildpunkte (Pixel genannt). Die Bilderzeugung selbst kann für jeden Sensortyp anders aussehen:

Statisch kapazitiver Sensor Typ 1

Hier steht für jedes Pixel eine Elektrode zur Verfügung, die die Kapazität zu den Nachbarelektroden/-pixeln misst (Interpixel-Messung). Die Kapazität wiederum hängt vom Dielektrikum ab. Trifft ein Pixel auf eine Rille, also Luft, ist die Kapazität wesentlich niedriger als bei einer aufliegenden Fingerlinie. In diesem Fall ist das Dielektrikum Wasser, das sich durch eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante auszeichnet. Die Messung der Kapazität ist statisch in dem Sinne, dass eine Aufladung mit z. B. festen Ladungspaketen erfolgt und dann die Ladespannung gemessen wird. In praktischen Systemen treten immer Mischformen von Typ 1 und Typ 2 auf.

Statisch kapazitiver Sensor Typ 2

Auch hier steht für jedes Pixel eine Elektrode zur Verfügung, nur erfolgt die Kapazitätsmessung zwischen Pixel und Masse/Erde, wobei die Leitfähigkeit des Fingers eine nicht unerhebliche Rolle spielt. Die Kapazitätsmessung ist prinzipiell die gleiche wie bei Typ 1. In praktischen Systemen treten immer Mischformen von Typ 1 und Typ 2 auf.

Dynamisch kapazitiver Sensor

Hier erfolgt die Kapazitätsmessung per Wechselspannung. Auch hier können Inter-Pixel- und Pixel-Erde-Messungen angewendet werden.

Lumineszierend kapazitiver Sensor

Eine Elektrolumineszenzfolie mit einer durchsichtigen Rückseitenelektrode benutzt auf der Vorderseite den Finger als Gegenelektrode. Dort, wo die Fingerlinien aufliegen, ist die elektrische Feldstärke und damit das Leuchten am größten. Somit entsteht auf der Rückseite ein leuchtendes Abbild der Fingerlinien, das ähnlich wie beim optischen Sensor von einem Bildsensorchip erfasst werden kann.

Optisch reflexiver Sensor (unterdrückte Reflexion)

Der Finger liegt z. B. an einer Prismenfläche auf. Dort, wo der Finger mit seinen Linien das Glas berührt, wird eine Totalreflexion von Licht innerhalb des Glases gestört. Dies liefert z. B.  auf einem Kamerachip die Abbildung der Fingerlinien.

Optisch streuender Sensor

Wie beim optisch reflexiven Sensor berührt der Finger eine Prismenfläche. Durch eine andere Lichtführung und Kamerachipanordnung wird jedoch erreicht, dass das Licht dort, wo die Fingerlinien die Glasoberfläche berühren, gestreut und vom Kamerachip ausgewertet wird. An den übrigen Stellen wird das Licht verschluckt statt reflektiert. Es entsteht also ein inverses Bild mit hellen Fingerlinien und dunklen Tälern.

Optisch transmissive Sensoren mit Lichtleiterplatte

Hier wird der Finger von einer geeigneten Lichtquelle durchleuchtet. Der Finger liegt direkt auf einer Lichtleiterplatte auf, die wiederum direkt mit einem Kamerachip verbunden ist. Die Lichtleiterplatte sorgt dafür, dass der Finger nicht den Kamerachip berührt, das Licht aber trotzdem ohne Schärfeverlust und ohne sonstige Optik den Kamerachip erreicht.

Optisch kontaktloser Sensor

Die Fingerabdruck wird über eine geeignete Optik direkt von einem Kamerachip ohne Berührung der Fringeroberfläche erfasst.

Akustische (Ultraschall) Sensoren

Hier erfolgt die Abbildung der auf Glas aufliegenden Fingeroberfläche durch sehr hochfrequenten Ultraschall.

Drucksensitive Sensoren

Bei Drucksensoren wird pixelweise der Druck des aufliegenden Fingers gemessen.

Thermische Zeilensensoren

Bei diesem Sensor bewegt man den Finger linear über ein zeilenförmiges Array aus Thermosensoren, wie man sie in Groß von automatischen Türöffnern kennt. Die Thermosensoren registrieren zeitliche Temperaturdifferenzänderungen, die zwischen Fingerlinien und -rillen unterschiedlich ausfallen.

Kapazitive und optische Zeilensensoren

Diese Sensortypen, die auch Streifensensoren genannt werden, arbeiten wie die thermischen Zeilensensoren, nur dass die für jeden Bildpunkt zuständigen Einzelsensorzellen die Kapazität messen bzw. lichtempfindlich sind.

Diese Frage lässt sich leider nicht pauschal beantworten, da jede Anwendung andere Anforderungen stellt und jedes Sensorprinzip seine spezifischen Vor- und Nachteile hat. Folgende Kriterien können hier weiterhelfen:

• Kosten
• Reifegrad
• Bildqualität unter erschwerten Bedingungen
• indoor/outdoor
• persönliche/öffentliche Nutzung
• Normalfinger/Problemfinger
• trockene/feuchte Finger
• Größe
• Schutz gegen Vandalismus
• Temperaturbeständigkeit
• Fälschungsschutz
• ESD-Festigkeit (Schutz gegen elektrostatische Entladung)

Wie unterscheiden sich Zeilen- und Flächensensoren in der Praxis?

Bei Flächensensoren ist der zu erkennende Finger flach aufzulegen während die selbe Fingerfläche bei marktgängigen Streifen- oder Zeilensensoren aktiv über die Sensorzeile zu bewegen ist.

• Da ein Halbleiter-Zeilensensor wesentlich weniger Sensorzellen benötigt als ein Flächensensor, kann seine Chipfläche und damit sein Preis entsprechend niedriger ausfallen.
• Obwohl moderne Zeilensensoren unempfindlich gegen langsame, schnelle oder ungleichmäßige Bewegung des Fingers sind, benötigen sie doch mehr Eingewöhnung als Flächensensoren, bevor die Falschrückweisungsrate gewohnt niedrige Werte erreicht. Zeilensensoren empfehlen sich also für Anwendungen mit regelmäßiger Sensornutzung.
• Die meisten Flächensensoren ermöglichen eine schnellere Authentifizierung als Zeilensensoren, wenn man den Gesamtvorgang betrachtet.
• Zeilensensoren sind prinzipbedingt nicht anfällig gegen Latenzbildangriffe und benötigen deshalb auch keine Softwaregegenmaßnahmen, die in aller Regel die Falschrückweisungsrate erhöhen.
• Flächensensoren haben allgemein wegen der vielfach niedrigeren Auslesegeschwindigkeit einen niedrigeren Strombedarf als Zeilensensoren.
• Zusammen mit einer geeigneten mechanischen Fingerführung erfordern Zeilensensoren im Vergleich zu Flächensensoren einen höheren Fälschungsaufwand bei Angriffen mit Fingerprint-Plagiaten.
• Zeilensensoren erwarten ein aktives Mitwirken des Benutzers. Dies kann in manchen Anwendungen die Gefahr zufälliger Authentifizierungen (durch eigentlich ungewolltes Berühren des Sensors) verringern.
• Zeilensensoren eignen sich wegen des niedrigen Platzbedarfs besonders für Kleinstgeräte.
• Zeilensensoren sind in höherem Maße selbstreinigend als Flächensensoren.

Ob die Eigenschaften der beiden Sensortypen vorteilhaft oder nachteilig sind, hängt somit vor allem von den Forderungen ab, die eine spezielle Anwendung stellt und ist deshalb nicht pauschal beantwortbar. In der Regel kann man aber davon ausgehen, dass Zeilensensoren mehr Sicherheit und Flächensensoren mehr Benutzerfreundlichkeit bieten.

Der Finger sollte sauber sein (frei von Kleberresten und Fett), je nach Sensor nicht zu trocken (anhauchen!) oder zu feucht, sollte immer in gleicher Weise aufgelegt (gleiche Lage, gleiche Ausrichtung) und nicht mit ungleichmäßigem Druck (Beispiel: Finger fest auflegen und dann verdrehen) auf den Sensor gepresst werden. Je mehr Fingerfläche der Sensor "sieht", desto besser (also nicht die Fingerspitze benutzen!).

Bei älteren Streifensensoren den Finger mit der richtigen Geschwindigkeit (ausprobieren!) gleichmäßig und möglichst flach über den Sensor ziehen. Dabei nicht "abheben"!

Insbesondere Streifensensoren benötigen einige Übung. Deshalb kann es sich lohnen, das Enrolment zu wiederholen. War das Enrolment schlecht, kann die normale Erkennung nicht gut sein!

Ist die Wunde nicht zu tief, regeneriert sich das Fingerlinienbild wieder vollständig. Tiefe Schnitte hinterlassen linienförmige Narben, die von guten Erkennungsalgorithmen als solche erkannt werden, so dass kaum eine Beeinträchtigung der Erkennungsleistung zu befürchten ist. Die meisten Systeme bieten die Möglichkeit, beim Enrollment "Ersatzfinger" zu hinterlegen, so dass auch während des Heilungsprozesses eine Fingerprint-Authentifikation stattfinden kann.

Ja. Fast alle biometrischen Features sind mit mehr oder weniger großem Aufwand kopierbar. Fingerabdrücke lassen sich als Datensatz, als Papierabdruck, als Wachsabdruck usw. kopieren. Mit kriminaltechnischen Methoden ist es auch möglich, die Latenz-Abdrücke/Kopien, die man auf Biergläsern, Türgriffen usw. unbewusst hinterlässt, sichtbar zu machen und auszuwerten. Das älteste derzeit bekannte High-Tech-Kopierverfahren wurde im Jahr 1907 in einem Roman von R. Austin Freeman [Freeman] beschrieben: Man nehme eine Chromatgelatineplatte, belichte diese mit dem als Dia vorhandenen Fingerabdruck und wasche die Oberfläche aus. Dabei werden die nicht durch das Licht ausgehärteten Stellen entfernt, so dass ein Fingerlinienrelief entsteht. Vom Fingerprintsensor und den Auswertealgorithmen hängt es ab, ob die Kopie, zu Fälschungszwecken eingesetzt, als solche erkannt oder für das Original gehalten wird. Letztendlich entscheidet aber die spezielle Anwendung darüber, ob sich das Kopieren überhaupt lohnt und ob es schädlich ist. So hilft es in den meisten Anwendungen wenig, wenn der Fälscher von seinem eigenen Finger eine perfekte Kopie erstellen kann! Von einem optimierten Sicherheitssystem darf man erwarten, dass durch Kopien kein Schaden entstehen kann.

Es ist relativ einfach und kostengünstig, seinen eigenen Fingerabdruck zu duplizieren (vergleichbar mit der Anfertigung eines Nachschlüssels). Dies kann zum Beispiel in Form von Stempeln geschehen, die man über einen Stempelhersteller mittels elektronischer Vorlage anfertigen lässt. Mechanische Fingerkopien erfordern als Interimsschritt zunächst ein Negativ. Papierkopien werden mit Hilfe eines Stempelkissens erstellt. Kopien vom eigenen Finger sind eine Gefahr für Systeme, in denen die Vortäuschung einer Authentifikation durch einen Mittäter einen Schaden anrichten kann (Beispiel Zeiterfassungssystem: Vortäuschung einer Anwesenheit durch Überlassung einer geeigneten Fingerabdruckkopie an einen Kollegen).

Weit schwieriger ist die Anfertigung von Fingerbildkopien nichtkooperativer fremder Personen (Merkmals-Diebstahl). Hier ist man darauf angewiesen, an den richtigen Fingerabdruck der fremden Person zu kommen. Versucht man dies durch Auffinden von latenten Fingerabdrücken, stellt sich in der Praxis oft heraus, dass Latenzbilder

• schwer auffindbar sind
• meistens eine Qualität haben, die zwar eine daktyloskopische Analyse ermöglichen, aber für Verifikationszwecke an elektronischen Authentifikationseinrichtungen ungeeignet sind
• zum falschen Finger gehören
• den falschen Fingerausschnitt zeigen
• sich nicht erfassen lassen, ohne deutliche Spuren (z. B. Grafitpuder) zu hinterlassen

Bei Sicherheitsbetrachtungen wird häufig der Fehler gemacht, "kooperative Opfer" anzunehmen. Den eigenen Latenzfingerabdruck oder den einer bewusst mitwirkenden Person zu erfassen ist relativ einfach möglich. Vom Sicherungsbedarf einer Anwendung hängt es ab, ob die Fingerprint-Authentifikationseinrichtung kopierte Abrücke von echten unterscheiden können muss oder ob man den Fingerabdruck quasi als Geheimnis betrachten darf.

Kompromittierung bezeichnet hier den Diebstahl eines den Fingerabdruck repräsentierenden Datensatzes mit nachfolgender missbräuchlicher Nutzung. Wenn eine Anwendung auf der Geheimhaltung des Fingerprints basiert, hätte dies natürlich schwerwiegende Folgen, da jeder Finger einmalig aber auch (anders als ein Passwort) unveränderbar ist. Kompromittierte Finger wären dann vom Benutzer eventuell nicht mehr einsetzbar.

Nein. Vorausgesetzt natürlich, das Gesamtsystem ist vernünftig ausgelegt worden. Eine Veröffentlichung des eigenen Fingerabdrucks ist z. B. dann kein Problem, wenn die Anwendung den Fingerabdruck nicht als Datensatz irgendwoher bezieht, sondern die Daten ausschließlich über den Sensor in die Applikation gelangen können und dort sicher eingeschlossen sind. Am Sensor bedarf es geeigneter Maßnahmen, um aus dem veröffentlichen Datensatz angefertigte mechanische Kopien des Fingers abzuweisen, z. B. durch Lebenderkennung.

Der Personalausweis ist ein schönes Beispiel dafür, dass eine zuverlässige Verifikation auch bei veröffentlichtem biometrischen Charakteristikum (hier Gesicht) möglich ist. Es genügt, wenn der Personalausweis fälschungssicher ist, d. h. Fälschungen relativ einfach erkennbar sind.

Die Kopierbarkeit ist in vielen Anwendungen kein Problem, weil das Kopieren zu aufwendig oder zu langsam oder die Anwendung vom Berechtigten selber kontrollierbar ist (Fingerprint-Handy, Schusswaffensicherung). In Hochsicherheitsanwendungen sind weitere Kriterien aufzunehmen, die sicherstellen, dass der Berechtigte höchstselbst zum Fingerabdruck gehört. Hierzu gibt es z. B. folgende Möglichkeiten:

• Hinzunahme weiterer biometrischer Merkmale (auch Abdrücke weiterer Finger), um den Fälschungsaufwand weiter zu erhöhen
• Fälschungserkennung durch Material- und Strukturüberprüfung des Fingergewebes
• Lebenderkennung zur Abwehr einfacher Kopien
• Messung des Blutsauerstoffgehalts durch Messung der Hämoglobinkonzentrationsverhältnisse auf der Basis der unterschiedlichen Absorption von unterschiedlichen Infrarotlicht-Wellenlängen
• Prüfung der Reaktion des Fingers auf Sensoraktionen
• Temperaturmessung
• Hautwiderstandsmessung
• Pulsmessung
• Blutdurchflussmessung
• Beschränkung der Auswertefläche

Man beschränkt sich auf einen speziellen Ausschnitt des Fingerabdrucks, um sicherzustellen, dass nicht zufällig auf Gegenständen hinterlassene Abdrücke aufbereitet und missbraucht werden können, denn die Wahrscheinlichkeit, dass der kopierte Abdruck mit diesem Ausschnitt übereinstimmt, ist sehr gering. Dieses Verfahren setzt voraus, dass der Finger gut reproduzierbar positioniert werden kann (Fingerführung!) und dass die Zahl der erfolglosen Authentifikationsversuche eingeschränkt wird.
• Benutzung einer Fingerprint-Chipkarte

Kombiniert man die gesamte Fingerprintverarbeitung incl. Sensor, Merkmalabspeicherung mit einem einmaligen Schlüsselpärchen (bestehend aus privatem und öffentlichen Schlüssel), erhält man eine einmalige Kombination aus Besitz und Biometrie, mit der sich der Benutzer für beliebige Anwendungen und Dienste identifiziert. Eine Fälschung setzt voraus, dass die Karte in unberechtigte Hände fällt. In diesem Fall können die auf der Karte nicht austauschbaren Schlüssel in den Anwendungen gesperrt werden. Die Karte wird damit für den Fälscher wertlos. Der Benutzer muss sich im Verlustfall eine neue Karte besorgen, die einen neuen einmaligen Schlüssel enthält, die Fingerabdrücke neu einspeichern und sich bei allen Anwendungen und Diensten neu anmelden. Natürlich kann man sich auch präventiv eine Ersatzkarte zulegen.

Nein. In der Praxis müssen Fälscher außer der biometrischen Authentifikation noch weitere Hürden überwinden. Folgende Beispiele sollen das erläutern:
 
• Der Anwender benutzt daheim einen Internetzugang mit Fingerprint-Authentifikation, um sich das Passwort nicht merken bzw. aufschreiben zu müssen. Ein Einbrecher hätte zu wenig Zeit, um sich den passenden Finger vor Ort zu kopieren. Natürlich könnte er den gesamten PC samt Authentifikationseinrichtung mitnehmen, um sich dann in aller Ruhe mit den vielleicht in der Wohnung gesammelten Fingerabdrücken geeignete Kopien zu basteln (Passwörter suchen wäre deutlich einfacher). In der Zwischenzeit würde jedoch das Opfer den Diebstahl bemerkt und für den Internetzugang das alte Passwort, das per Fingerprint aktiviert wurde, geändert haben.
• Der Anwender benutzt zu Hause einen Internetzugang mit Fingerprint-Authentifikation, um sich das Passwort nicht merken bzw. aufschreiben zu müssen. Weitere Familienmitglieder könnten sich mit einer Fingerkopie Zugriff auf ein Online-Konto des Anwenders verschaffen. "Leider" wird jede Überweisung dokumentiert und damit aufgedeckt, so dass diese Art unautorisierten Zugriffs den Aufwand nicht lohnen würde. Wesentlich kritischer wäre der Diebstahl des Passworts, weil damit ein nicht an den heimischen PC gebundener Kontozugang möglich wäre, was den Täterkreis unüberschaubar vergrößern würde.

Nacheinander aufgenommene Fingerabdrücke sind auf Grund von Lageabweichungen, Anpressunterschieden, unterschiedlichen Lagewinkeln, leichten Verschmutzungen und nicht zuletzt wegen unterschiedlicher physiologischer Verfassung des Anwenders nie identisch, sondern höchstens sehr "ähnlich". Das Maß für die Ähnlichkeit wird häufig "Score" genannt. Je höher der Score, desto ähnlicher zwei Fingerabdrücke und umgekehrt. Bei minuzienbasierten Verfahren versucht man durch den Prozess des "Matchens" insbesondere die Einflüsse von Lage- und Winkelabweichungen, gelegentlich auch Maßstababweichungen (um das Wachstum im Alter zwischen null und ca. 18 Jahren herauszurechnen) zu minimieren. Dabei wird das aktuelle Bild gegen das Referenzbild solange gedreht und verschoben, bis die Abweichungen der Minuzien minimal werden. In den sich dann ergebenden Score-Wert gehen z. B. folgende Größen ein:

• Zahl der Minuzien, die übereinstimmen
• Genauigkeit der Lage-Übereinstimmung
• Grad der Übereinstimmung der Minuzienrichtung
• Übereinstimmung des Minuzientyps (Linienendung versus -verzweigung)
• Das ganze wird gewichtet mit der Bildqualität an der Stelle einer Minuzie


Grundsätzlich ist zu sagen, dass wenige, aber sehr gut übereinstimmende Minuzien einen ähnlichen Score-Wert liefern können wie ein Fall mit sehr vielen, aber nur schwach übereinstimmenden Minuzien.

Aus China ist bekannt, dass dort der Fingerabdruck zur Beurkundung von Verträgen seit spätestens 700 n. Chr. offiziell eingesetzt wird. In Europa gab es 1858 einen Vorschlag zur Einführung in der Kriminalistik, dem Deutschland im Jahre 1903 folgte. [Heindl 1922, Seite 1-108]

Es gibt zwei Extremfälle:

1. Es müssen alle N (N < 11) Finger erkannt werden
2. Es ist mindestens 1 Finger von N (N < 11) zu erkennen

In Fall 1 verbessert sich die Falschakzeptanzrate FAR (vorausgesetzt die Finger n (0 < n < N+1) sind statistisch unabhängig) gemäß
 

FAR = FAR1FAR2FAR3···FARN

wobei FARn die FAR für Finger n ist

 

=>

FAR = FAR1N

falls alle FARn gleich FAR1 sind

während sich die Falschrückweisungsrate verschlechtert:
 

FRR = 1 - (1 - FRR1)(1 - FRR2)(1 - FRR3)···(1 - FRRN)

 

=>

FRR = 1 - (1 - FRR1)N

falls alle FRRn gleich FRR1 sind

 

=>

FRR ~  N·FRR1

wenn zusätzlich N·FRR1 << 1

In Fall 2 ist es genau umgekehrt:
 

FAR = 1 - (1 - FAR1)(1 - FAR2)(1 - FAR3)···(1 - FARN)

 

=>

FAR = 1 - (1 - FAR1)N

wenn alle FARn gleich FAR1 sind

 

=>

FAR ~  N·FAR1

wenn zusätzlich N·FAR1 << 1

und für die FRR:
 

FRR = FRR1FRR2FRR3···FRRN

 

=>

FRR = FRR1N

wenn alle FRRn gleich FRR1 sind

Es ist zu beachten, dass die Annahme einer statistischen Unabhängigkeit zwar auf Grund der Einmaligkeitshypothese gerechtfertigt erscheint. Nichtvollkommenheiten wie beispielsweise ein verschmutzter Finger betreffen in der Regel jedoch auch die anderen Finger, so dass eine gewisse statistische Abhängigkeit nicht zu vermeiden ist. Für den Fall 2 bedeutet das z. B. eine reduzierte Verbesserung der FRR. Desweiteren ist es in der Praxis eher die Ausnahme, dass die Performanzdaten FAR und FRR für jeden Finger n gleich sind.

Fall 1 und 2 sind Extremfälle. Durch geeignete Verfahren der Informationsfusion lassen sich auch alle "Zwischenstufen" erreichen. Grundsätzlich sollte für jede eingestellte Erkennungsschwelle ein Weg existieren, der bei Kombination mehrerer Fingerabdrücke eine gleichzeitige Verbesserung der FAR und der FRR ermöglicht.

Die Einmaligkeit des Fingerabdrucks ist eine Arbeitshypothese, die sich im mathematischen Sinne wohl kaum beweisen lässt. Beweisbar wäre eher das Gegenteil, wenn es nämlich gelänge, zwei gleiche Fingerabdrücke zu finden. Bis heute sind keine Fingerprints von unterschiedlichen Fingern gefunden worden, die exakt gleich sind. Das gilt auch für eineiige Zwillinge, rechte und linke Finger und ist sogar für geklonte Menschen zu erwarten.

Wissenschaftlich betrachtet, muss man den Begriff Einmaligkeit ersetzen durch die Wahrscheinlichkeit, zwei gleiche Fingerabdrücke an unterschiedlichen Fingern zu finden. Diese Wahrscheinlichkeit lässt sich empirisch ermitteln, indem man kriminaltechnische Fingerprintsammlungen gegeneinander vergleicht, was bei Sammlungen über 100 Millionen Abdrücken statistisch abgesichert eine Wahrscheinlichkeit von weniger als 10^-14 nachweisbar machen sollte (in Wirklichkeit ist die Wahrscheinlickeit wegen statistischer Abhängigkeiten höher, wird aber unter 10^-6 liegen). Solch ein Großversuch ist allerdings bis heute nicht unternommen worden. Auch ist zu befürchten, und die Praxis mit wesentlich kleineren Sammlungen bestätigt dies, dass die Wahrscheinlichkeit für Benennungsfehler (Fingerabdrücke von gleichen Personen, die unter unterschiedlichen Namen eingeordnet sind) wesentlich höher liegt und damit das Ergebnis eines solchen Versuchs unbrauchbar wird.

Eine wissenschaftliche Untersuchung zu diesem Thema findet sich bei [Pankant et al. 2001].

Minuzien sind die Endungen und Verzweigungen der Fingerlinien. Da diese einem stark zufälligen Muster folgen, sind sie die Träger der "Einmaligkeitsinformation".

PC-Zugang

PC-Netz-Zugang (Internet, Intranet, ...)

Zugang zu Räumen (Schlüsselersatz)

Schutz von Waffen vor Kindern und sonstigen Unberechtigten

Handy: Netzzugang, Diebstahlschutz, mobile Finanztransaktionen, ...

Ausweis: Clubausweis, Firmenausweis, Personalausweis, ...

Kreditkarte, Bankkarte, EC-Karte

Kinderschutz (PC, Internet, TV, Videorecorder, ...)

Auto: Sitz-, Spiegel-, Temperatur- und sonstige persönliche Einstellungen

Automatisierung von Hotels

Firmeninterne Automaten (Getränke, ...)

Teilnahme an Sportveranstaltungen

Mitgliedschaften in Diskotheken, Sonnenstudios, Spielsalons, Videotheken etc.

Persönlicher Zugriff zu Patientendaten

...

Prinzipiell ist jeder Finger als Abdruckgeber für Authentifikationszwecke geeignet. Jedoch gibt es zwischen den 10 Fingern Unterschiede, die sich in einer unterschiedlichen Performanz (FAR, FRR, FTE) äußern. Diese Unterschiede haben ihren Ursprung in

• unterschiedlicher Fingerbeschaffenheit (Abnutzung, Feuchtigkeit, ...),
• unterschiedlicher Größe und
• unterschiedlicher Ergonomie (Systeme, die ergonomisch z. B. auf den Daumen optimiert wurden, lassen den Gebrauch anderer Finger manchmal nur mit Verrenkungen zu),

wobei der Sensortyp auf diese Unterschiede auch wieder ganz spezifisch reagiert. In den meisten Fällen kann man davon ausgehen, dass man mit den beiden Zeigefingern die beste Performanz bezüglich FAR und FRR erzielt.

Die Größe eines Fingerabdruck bestimmt in der Regel die Kosten eines Fingerprintsensors, die Größe des zu speichernden Referenzmerkmals-Datensatzes und nicht zuletzt die Verarbeitungszeit. Es kann deshalb Vorteile haben, nur einen Ausschnitt des Fingerabdruck zu verarbeiten. Aber welchen Einfluss hat diese Verkleinerung auf die Performanz?

Eine Näherungsbetrachtung ist möglich, wenn man vereinfachend voraussetzt, dass unterschiedliche Bereiche des Fingerabdrucks sich in Bezug auf die ausgewerteten Merkmale statistisch unabhängig voneinander verhalten. In diesem Fall gilt die gleiche Betrachtung wie für mehrere Finger, nur dass man die Zahl der Finger durch einen Flächenfaktor ersetzt. Auch hier sind die gleichen 2 Extremfälle zu betrachten, wobei die "Verknüpfung" UND oder ODER von den verwendeten Algorithmen abhängen und somit in der Regel leider außerhalb des Einflussbereichs des Systemintegrators liegt. Grundsätzlich gilt aber auch hier, dass sich eine Verkleinerung der Fläche eines Fingerprints in einer Reduzierung der Gesamtperformanz äußert. (Diese Betrachtung gilt nicht für unterschiedliche Fingerprints unterschiedlicher Finger. Hier können durchaus kleinere Fingerabdrücke auch schon mal eine größere Performanz erzielen als große Fingerprints!)

Moderne kostengünstige Fingerprint-Sensoren sind in der Regel kleiner als ein kompletter Fingerabdruck, sie verarbeiten also nur einen Ausschnitt eines Fingerabdrucks. Mit einer geeigneten mechanischen Fingerführung lässt sich erreichen, dass trotzdem gute Erkennungsleistungen erreichbar sind. Eine gute Fingerführung zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:

• Es wird immer möglichst der gleiche Ausschnitt des Fingerabdrucks vom Sensor erfasst
• Sie ist sowohl für große als auch für kleine Finger geeignet
• Sie funktioniert auch mit langen Fingernägeln
• Sie fühlt sich gut an
• Sie stellt sicher, dass die gesamte Sensorfläche vom Finger erreicht wird
• Sie wird vom Anwender intuitiv richtig genutzt
• Sie ermöglicht den Einsatz aller Finger der rechten und linken Hand
• Sie erschwert Fälschungen durch Fingerkopien so gut wie möglich

Ist ein Fingerabdruck-Erkennungssystem Teil eines Sicherheitskonzepts, ist mit entsprechend spezialisierten Angriffen zu rechnen. Von der Anwendung selber hängt es ab, welcher Sicherheitsbedarf quantitativ und qualitativ zu berücksichtigen ist. Das Spektrum reicht von reinen Komfortanwendungen bis hin zu Hochsicherheitsanwendungen mit entsprechend hohem Schadenspotential. Aber selbst bei gleichem Schadenspotential machen nicht alle Angriffsarten gleichermaßen Sinn. Es ist deshalb für jedes Anwendungszenario genau zu ermitteln, welche Angriffe mit welcher Wahrscheinlichkeit zu erwarten sind, um bestimmen zu können, mit welchem Aufwand für jede Angriffsart Schutzvorkehrungen zu treffen sind.

Eine andere Vorgehensweise kann erforderlich werden, wenn sich ein geplantes Authentifikationskonzept für eine bestimmte Anwendung als nur schwer schützbar herausstellt. Von großem Einfluss sind z. B. die Fragen "Identifikation oder Verifikation", "lokale oder zentrale Referenzmerkmalsdatenhaltung",  Einsatz von Chipkarten mit oder ohne Kryptoprozessor, oder öffentlicher versus geschützter Zugang zum Fingerprintsystem. Durch geeignete Auswahl des Sicherheitskonzepts lassen sich die Anforderungen an den Schutz der biometrischen Komponente manchmal erheblich reduzieren. In weiteren Fällen kann die Analyse jedoch auch ergeben, dass der Einsatz von anderen biometrischen Merkmalen als Fingerprint die bessere Lösung darstellt.

Die folgende Aufstellung liefert die wichtigsten Angriffsmöglichkeiten auf biometrische Sicherheitskomponenten. Von der speziellen Anwendung hängt es ab, gegen welche Angriffsarten Schutzmaßnahmen zu ergreifen sind.

Brute-Force-Angriffe

Bei einer "Brute-Force"-Attacke wird dem biometrischen System eine große Anzahl von unterschiedlichen Merkmalen angeboten, in der Hoffnung, dass eins davon ausreichend mit dem abgespeicherten Referenzmerkmal des Berechtigten übereinstimmt. Die Wahrscheinlichkeit für den Erfolg eines solchen Angriffs ist durch die Falschakzeptanzrate FAR gegeben. Man beachte, dass die Zahl der Referenzen in Identifikationssystemen einen großen Einfluss auf die FAR hat!

Bei der Spezifikation der FAR für ein Fingerprintauthentifikationssystems sollte man berücksichtigen, dass jeder Angreifer 10 Finger mit völlig unterschiedlichen Merkmalen einsetzen kann. Für den Fall, dass man beliebig viele Versuche zulässt, bedeutet dies, dass man von einer 10fach höheren FAR ausgehen sollte.

Latenzfingerabdruck-Reaktivierung

In Fingerabdrucksystemen ist, je nach Sensortyp, damit zu rechnen, dass sich auf dem Sensor verbleibende Latenzfingerabdrücke ohne Anwesenheit des Berechtigten z. B. durch Anhauchen reaktivieren lassen und so zu einer falschen Akzeptanz führen. Dieses Problem, das nur bei Flächensensoren auftreten kann, lässt sich durch geeignete Software- und Systemmaßnahmen in den Griff kriegen. Siehe auch "Wie gefährlich sind Latenzfingerabdrücke auf dem Sensor?".

Replay-Attacken

Je nach Anwendung und Systemkonzept / mechanischer Realisierung können Replayattacken zwischen Sensor und Verarbeitungseinheit zu Sicherheitsproblemen führen. Hierbei wird unmerklich das Sensorsignal eines Berechtigten abgegriffen, gespeichert und bei Bedarf wieder eingespielt, um ohne Anwesenheit eines Berechtigten eine Falscherkennung zu erzeugen. Ein USB-Sensor-Device benötigt allerdings besonderes USB-Equipment, um Replayattacken durchzuführen. Falsche Erkennungen durch Replayattacken lassen sich in vielen Fällen per Software verhindern, indem geprüft wird, ob sich ein aktuelles Merkmal lage- und winkelmäßig zu wenig von dem zuletzt erkannten Merkmal unterscheidet. In Büroanwendungen sind biometrische Replayattacken vergleichbar mit dem unbemerkten Abhören von Passwörtern auf der Tastaturleitung, wobei eine USB-Leitung sicher besser geschützt ist als eine übliche Tastaturleitung. Bei hohen Sicherheitsanforderungen bietet sich das aus der Kryptografie bekannte Challenge-and-Response-Verfahren an. Allerdings muss man sich hier die Frage stellen, ob die Verarbeitung biometrischer Daten in diesem Fall überhaupt auf dem PC stattfinden darf.

Angriffe durch Trojanische Pferde

"Feindliche" Software, die in einem (offenen) biometrischen System Replayangriffe oder Veränderungen der Sicherheitseinstellungen ohne Wahrnehmung des Benutzers durchführen kann, wird üblicherweise "Trojanisches Pferd" genannt. Trojanische Pferde sind z. B. durch (aktuelle!) Virenscanner detektierbar. In besonders sicheren Systemen sollte die biometrische Verarbeitung grundsätzlich in einem geschlossenen System außerhalb des PCs stattfinden.

Falschfinger-Angriffe

Sensoren biometrischer Systeme lassen sich im Prinzip durch mechanische Merkmalskopien (generiert z. B. von Latenzfingerabdrücken!) täuschen. Während eine Lebenderkennung gegen eine Identifikation durch Merkmale nichtlebender Körperteile helfen kann, muss eine Falschfingererkennung deutlich anspruchsvoller sein, um Kombinationen von falschen Merkmalen mit nicht zugehörigen lebenden Fingern zu erkennen.

Angriffe durch nichtlebende Merkmalsträger

In biometrischen Systemen kann (zumindest eine gewisse Zeit lang) eine Identifikation auch durch nichtlebende Körperteile hervorgerufen werden. Falls eine Anwendung für solche Angriffe in Frage kommt, ist eine Lebenderkennung unerlässlich. Beispiele sind die Messung des Blutsauerstoffgehalts oder die Messung der Reaktion auf gesteuerte (vom Menschen kaum wahrgenommene) Stimulationen des Nervensystems.

"Hill-climbing"-Angriffe

Bei dieser Art von Angriffen, die eine systematische Art von "Brute-Force"-Attacken darstellen, geht es darum, durch geeignete minimale (synthetische) Änderung der erfassten Anfragemerkmale den Ähnlichkeitswert (der das Resultat der Vergleichoperation Referenz- gegen Anfragemerkmal ist) immer weiter zu erhöhen. (Für diese intelligente Art des "Trial-and-Error" gibt es mathematische Verfahren!) Die Absicherung gegen solche Angriffe besteht z. B. darin, dass der Anwender die Ähnlichkeitswert nicht oder nur in grober Quantisierung mitgeteilt bekommt. [Soutar 2002]

Softwarefehler

Eine häufig vernachlässigte Angriffsmöglichkeit sind Software- und Systemfehler, die beim Design eines Sicherheitssystems Sicherheitslöcher entstehen lassen können. Diese Möglichkeit lässt sich durch intensive Tests geeigneter Sicherheitsexperten ("Hacker") minimieren.

Ausübung von Zwang

Ein Berechtigter kann unter Einsatz oder Androhung körperlicher Gewalt gezwungen werden, eine Authentifikation mit seinen eigenen Merkmalen durchzuführen, um einer fremden Person einen Zugriff oder Zugang zu ermöglichen. Desweiteren könnte auch der Zustand einer Bewusstlosigkeit ausgenutzt werden.

Weitere Angriffe

Sämtliche Schnittstellen innerhalb des Systems sind bei Bedarf mit den üblichen Methoden abzusichern. Das Referenzarchiv muss gegen Manipulation geschützt sein.

Unbekannte Angriffe

Grundsätzlich sollte man nicht damit rechnen, dass alle Arten von Angriffen im Voraus bekannt sind!

In Testberichten über Fingerabdruck-Sensordevices wurde verschiedentlich beanstandet, dass die permanenten Reste des Fingerabdrucks eines Berechtigten auf dem Sensor von einem Angreifer z. B. durch Anhauchen reaktiviert werden können und auf diese Weise unberechtigten Zugriff ermöglichen. Dieser Effekt ist bei einigen Sensortypen (kapazitive und optische Flächensensoren) tatsächlich nachweisbar, allerdings nur dann, wenn der Sensor vorher unbenutzt oder geputzt worden war (was von den Testern oft gar nicht registriert wurde!). Berührt man dagegen die Sensoroberfläche mehrmals, verschlechtert sich die Qualität der Latenzabdrücke durch Überlagerung so weit, dass das Risiko einer Falschakzeptanz deutlich zurückgeht. Auch lässt die Latenzbildqualität mit zunehmendem Alter stark nach. Da ein Putzen des Sensors in der Praxis fast nie erforderlich ist, sind Latenzabdrücke somit ein deutlich geringeres Risiko als gemeinhin angenommen.

Dieses Risiko lässt sich per Software weiter verringern, wenn man Fingerprints ablehnt, deren Lage zu sehr mit dem letzten Abdruck übereinstimmt, der zu einer erfolgreichen Authentifikation geführt hat. Dies lässt sich durch Abspeichern der Lagekoordinaten erreichen. Voraussetzung für das Funktionieren dieses Verfahrens ist allerdings, dass der Berechtigte seinen Finger nur dann auf den Sensor auflegt, wenn eine Authentifikation erfolgt! Hinterlässt der Berechtigte seinen Fingerabdruck auf einem inaktiven (und geputzten!) Sensor, hat diese Form der Latenzbildrückweisung keine Chance!

Eine weitere Methode zur Verhinderung der Latenzbildreaktivierung besteht darin, den Finger während der Authentifizierung etwas zu verschieben, so dass eine zweimalige Erkennung mit unterschiedlichen Sensorkoordinaten möglich ist.