指紋防偽技術(shù)及檢測(cè)方法研究

■ 文/公安部檢測(cè)中心 張哲

關(guān)鍵字：指紋防偽 假指紋攻擊 指紋活性檢測(cè)

1 引言

隨著科技和信息化的快速發(fā)展，生物特征識(shí)別技術(shù)逐漸興起并發(fā)展迅速。鑒于傳統(tǒng)的身份認(rèn)證方式（如鑰匙、密碼、證卡）存在易丟失、易遺忘且不與用戶唯一綁定等缺點(diǎn)，基于生物特征識(shí)別的認(rèn)證方式成為替代傳統(tǒng)身份認(rèn)證方式的主要手段得到廣泛應(yīng)用。

生物特征認(rèn)證是指通過(guò)光學(xué)、聲學(xué)、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)等方式和生物傳感器等高科技手段與計(jì)算機(jī)技術(shù)密切結(jié)合，利用人體生理特征或行為特征進(jìn)行身份鑒定。利用生理特征進(jìn)行身份識(shí)別的主要方法有指紋識(shí)別、掌紋識(shí)別、虹膜識(shí)別和人臉識(shí)別等，利用行為特征進(jìn)行身份識(shí)別的主要方法有聲音識(shí)別、筆跡識(shí)別和步態(tài)識(shí)別等。

由于采集便捷、性價(jià)比高，基于指紋識(shí)別的身份認(rèn)證系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)更為成熟，且增長(zhǎng)迅速。與其他生物特征認(rèn)證方式相比，指紋認(rèn)證已在電子商務(wù)、電子政務(wù)和安全防范等產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)第二代居民身份證需要采集指紋信息用于指紋識(shí)別，移動(dòng)設(shè)備和出入口識(shí)別設(shè)備中也越來(lái)越多地采用基于指紋識(shí)別的身份認(rèn)證技術(shù)。

隨著基于指紋識(shí)別的身份認(rèn)證應(yīng)用越來(lái)越普遍，系統(tǒng)的安全性變得尤為重要。指紋認(rèn)證系統(tǒng)面臨多種安全威脅，例如使用假指紋對(duì)指紋傳感器進(jìn)行攻擊、攻擊模塊間的通信通道、攻擊軟件模塊及攻擊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。這些威脅中，使用偽造假指紋進(jìn)行攻擊是指紋識(shí)別系統(tǒng)面臨的最迫切需要解決的問(wèn)題，因?yàn)榕c其他威脅不同，使用偽造指紋攻擊指紋識(shí)別系統(tǒng)不需要掌握任何系統(tǒng)知識(shí)，即可實(shí)施攻擊。

2 指紋防偽的研究現(xiàn)狀

伴隨著偽造指紋的出現(xiàn)，指紋認(rèn)證系統(tǒng)的安全性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。卓越的指紋認(rèn)證系統(tǒng)應(yīng)具備認(rèn)證前辨別真假指紋的能力，如何防止假指紋攻擊指紋認(rèn)證系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。人的指紋由許多交替的脊線和谷線組成，指紋防偽方法的原理是使用專業(yè)傳感器設(shè)備記錄指紋圖像中的紋理細(xì)節(jié)或細(xì)節(jié)點(diǎn)，利用這些信息通過(guò)特定算法判斷所顯示的指紋是來(lái)自真手指還是假手指。

2.1 指紋防偽方法的分類

現(xiàn)有的指紋防偽方法主要分為：基于硬件的指紋防偽方法和基于軟件的指紋防偽方法。

早期的指紋防偽一般采用基于硬件的方法，該方法需要在指紋采集器上增加一個(gè)或者多個(gè)傳感器來(lái)獲取生命體征，例如手指血流、導(dǎo)電性、顏色變化、溫度和氣味等?；谟布闹讣y防偽方法需要用到一些特殊類型的指紋傳感器，例如用于捕獲手指皮下脊紋的多光譜掃描儀和用于提供兩個(gè)互補(bǔ)信息流的雙攝像頭指紋傳感器等，集成了額外傳感器的指紋認(rèn)證系統(tǒng)變得更加復(fù)雜和昂貴。

近年來(lái)，基于軟件的指紋防偽方法越來(lái)越受到人們的關(guān)注，該方法可從采集的指紋圖像（或一系列幀）中提取特征，通過(guò)分析真假指紋圖像層面的差異性來(lái)進(jìn)行指紋活性檢測(cè)。因?yàn)樵摲椒ú恍枰黾宇~外的硬件輔助設(shè)備，所以不會(huì)產(chǎn)生昂貴的額外成本。基于軟件的指紋防偽可以在軟件層面方便地集成到指紋認(rèn)證系統(tǒng)，因此基于軟件的指紋防偽解決方案具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

基于軟件的指紋防偽算法利用從指紋圖像中提取的動(dòng)態(tài)行為（例如皮膚變形、汗水）和靜態(tài)特征（例如紋理、汗孔、皮膚彈性）進(jìn)行假指紋攻擊檢測(cè)。進(jìn)行身份認(rèn)證時(shí)，指紋傳感器上采集的圖片序列會(huì)因?yàn)槭种冈诎磯哼^(guò)程中產(chǎn)生的形變而變化。由于真實(shí)指紋的皮膚更具有彈性，因此人工偽造假指紋產(chǎn)生的皮膚形變不如真實(shí)手指產(chǎn)生的皮膚形變明顯，基于這種考慮，提出了基于皮膚形變的指紋活性檢測(cè)方法。出汗是真手指的典型現(xiàn)象，汗水從毛孔開(kāi)始，隨時(shí)間沿著指紋脊線擴(kuò)散，使毛孔之間的區(qū)域在圖像中變黑，可以通過(guò)觀察短時(shí)間內(nèi)獲取的多個(gè)指紋圖像來(lái)獲取空間濕度模式，因而可以利用毛孔產(chǎn)生的汗液來(lái)進(jìn)行指紋活性檢測(cè)。由于手指上存在大量的汗孔，但在偽造過(guò)程中很難保留這些汗孔，因此可以通過(guò)分析指紋圖像脊線中汗腺孔的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行指紋活性檢測(cè)。真指紋和偽造指紋圖像顯示出不同的紋理特性，例如形態(tài)、平滑度和方向，因此紋理可以用于指紋認(rèn)證系統(tǒng)的欺騙檢測(cè)。

到目前為止，上述大多數(shù)基于軟件的指紋防偽算法是基于手工設(shè)計(jì)的特征表示，手工特征提取主要依賴于經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，指紋防偽算法的關(guān)鍵是如何更好地提取指紋圖像的特征表示。此外，由于空間位置信息的丟失以及對(duì)活指紋圖像的細(xì)節(jié)缺乏考慮，因此難以在算法的辨別力和魯棒性之間取得平衡。

2.2 指紋防偽方法的對(duì)比

基于硬件的指紋防偽算法雖然能防御大多數(shù)的假指紋攻擊，但由于集成了額外硬件設(shè)備，使得指紋識(shí)別系統(tǒng)變得更加復(fù)雜和昂貴，用戶認(rèn)證所需時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)變差。此外，當(dāng)攻擊者使用新的制造技術(shù)改進(jìn)假指紋并成功通過(guò)指紋識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，很難及時(shí)更新這些附加的硬件設(shè)備。由于指紋非常容易受到外部環(huán)境的干擾，所以基于硬件的指紋防偽算法穩(wěn)定性相對(duì)較弱，且仍然不能適用于惡劣環(huán)境下的檢測(cè)。同時(shí)，手指上的污漬、破裂和干燥也會(huì)削弱測(cè)量設(shè)備的檢測(cè)性能，進(jìn)而影響檢測(cè)效果。

與基于硬件的假指紋檢測(cè)相比，只需通過(guò)用戶指紋圖像便可以實(shí)現(xiàn)指紋活性檢測(cè)的基于軟件的方法不僅方便快捷，而且兼容性高、成本低，只需要在軟件層面修改就可以實(shí)現(xiàn)指紋檢測(cè)系統(tǒng)的更新?；谲浖臋z測(cè)對(duì)象有動(dòng)態(tài)的（指紋圖像序列）和靜態(tài)的（單張指紋圖像）。動(dòng)態(tài)對(duì)象的檢測(cè)需要從指紋圖像序列獲得動(dòng)態(tài)行為，用戶需要在指紋注冊(cè)階段多次收集指紋，所以該方法耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。與動(dòng)態(tài)對(duì)象檢測(cè)方法相比，靜態(tài)對(duì)象的檢測(cè)由于僅需要一個(gè)或幾個(gè)圖像而不是一系列圖像用于指紋活動(dòng)度檢測(cè)，所以更加適用于指紋活性檢測(cè)。值得注意的是，和基于深度學(xué)習(xí)的指紋活性檢測(cè)相比較而言，大多數(shù)使用紋理特征的基于軟件的指紋防偽算法通常依靠專家知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)手工特征。

3 假指紋制作

隨著指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)越來(lái)越多基于指紋識(shí)別的設(shè)備。目前很多門鎖、打卡器、手機(jī)等設(shè)備上都使用指紋識(shí)別作為身份認(rèn)證的解決方案。人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂弥讣y的頻率逐漸提高，隨著假指紋的種類越來(lái)越多和制作技術(shù)越來(lái)越精湛，傳統(tǒng)的指紋識(shí)別設(shè)備只會(huì)通過(guò)指紋比對(duì)來(lái)進(jìn)行身份認(rèn)證而不會(huì)判別指紋的真假，這樣的漏洞容易產(chǎn)生安全隱患，基于指紋識(shí)別的身份認(rèn)證系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

研究假指紋制作對(duì)指紋防偽算法研究至關(guān)重要，特別是基于深度學(xué)習(xí)的指紋防偽算法，深度學(xué)習(xí)的模型需要大量的數(shù)據(jù)樣本來(lái)訓(xùn)練。假指紋制作有兩種方式：配合和非配合。在配合方式中，可以使用要偽造的真實(shí)手指，這樣的偽造指紋制作便利且質(zhì)量較高，可以輕易地通過(guò)無(wú)防偽功能的指紋識(shí)別系統(tǒng)。

偽造指紋的種類可以分為2D指紋模和3D指紋模，其攻擊的指紋傳感器類型不同。2D指紋模可首先使用配合方式或非配合方式（殘留指紋）獲取指紋，利用配合方式在指紋涂抹或者非配合方式對(duì)淺指紋進(jìn)行顯影，獲得清晰的指紋紋理信息，然后利用照相機(jī)進(jìn)行拍照或利用膠帶等粘性物質(zhì)進(jìn)行提取，最后打印拍攝的照片指紋或者將膠帶等粘黏在紙上（紙張顏色應(yīng)該盡可能與指紋顏色形成對(duì)比），這樣可以獲得2D指紋模。

3D指紋模可首先制作模具，模具可采用納米膠、蠟、橡皮泥或者市面上比較通用的制作紀(jì)念品的克隆粉等材料制成。以最為常見(jiàn)的蠟制作模具為例，將蠟點(diǎn)燃融化，把需要制作假指紋的手指用力按壓在融化后的蠟上，然后將蠟放置不動(dòng)自然冷卻，固化后即可得到一枚立體指印，該立體指印即為對(duì)應(yīng)手指的3D假指紋模具?？寺》奂笆嗄＞呖稍诳寺》郏ㄊ啵┲械谷脒m量水，快速攪拌成均勻粘稠的膠體，手指按壓到膠體表面保持不動(dòng)，直到膠體完全凝固，即制成模具。用納米膠和橡皮泥模具的原理與上述兩種類似，將手指按壓到硅膠和橡皮泥表面即可。模具制作完成后，只要把硅膠、白乳膠等材料均勻覆蓋到模具的立體指印上，待其完全凝固，或把橡皮泥按壓到模具表面，便可得到具有和真指紋相同凹凸紋路的假指紋。

4 未來(lái)展望

盡管指紋防偽方法研究取得了一定進(jìn)展，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，更多技術(shù)手段的加入使得假指紋制作工藝越來(lái)越精湛，指紋認(rèn)證系統(tǒng)將會(huì)面臨越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

指紋采集設(shè)備和假指紋材料的多樣性是指紋防偽算法研究的痛點(diǎn)，未來(lái)的指紋防偽算法需要對(duì)設(shè)備的依賴越來(lái)越小，同時(shí)要求對(duì)假指紋材料具有更好的魯棒性。在研究算法的同時(shí)應(yīng)該注重對(duì)假指紋攻擊以及假指紋制作的研究，通過(guò)對(duì)假指紋制作材料和技術(shù)的研究，制作出大量用于攻擊指紋認(rèn)證系統(tǒng)的高質(zhì)量假指紋樣本，豐富的指紋樣本可以促進(jìn)指紋防偽算法研究工作的開(kāi)展。

5 結(jié)語(yǔ)

由于指紋認(rèn)證系統(tǒng)的普遍使用，指紋認(rèn)證系統(tǒng)的安全變得更加重要。假指紋攻擊在一定程度上威脅著指紋認(rèn)證系統(tǒng)的安全性，因此，迫切需要采取有效的措施來(lái)防止欺騙攻擊。在基于指紋的身份認(rèn)證領(lǐng)域提出了許多反欺騙方法，指紋采集儀器容易受到欺騙攻擊，即可以利用偽造指紋來(lái)欺騙攻擊指紋識(shí)別系統(tǒng)，因此指紋活性檢測(cè)逐漸成為對(duì)抗假指紋攻擊和增強(qiáng)指紋認(rèn)證系統(tǒng)安全性的常用方法。