DE19830830C2 - Verfahren zur Lebenderkennung menschlicher Haut - Google Patents

Description

In modernen Zutritts- bzw. Zugriffsberechtigungssystemen kann u. a. der Fingerabdruck zur Identifikation verwendet werden. Eine wesentliche Voraussetzung dafür ist die Fälschungs­ sicherheit. Insbesondere muß verhindert sein, daß mit nach­ gemachten Fingern oder abgeschnittenen Fingern die Zugangs­ berechtigung erlangt werden kann. Es ist daher wesentlich, zusammen mit dem Fingerabdruck auch zu überprüfen, daß die Person mit diesem Fingerabdruck lebt. In der WO 95/26013 sind verschiedene Methoden zur elektronischen Personenidentifika­ tion beschrieben, mit denen zusätzlich zur Aufnahme eines Fingerabdruckes festgestellt werden kann, ob die Person lebt. Zu diesen Methoden gehören die Aufnahme der Pulsfrequenz oder elektrokardiographischer Signale, die Messung des Sauerstoff­ gehaltes des Blutes, der Hauttemperatur, des Blutdruckes oder mechanischer Eigenschaften der Hautoberfläche.

In der DE 91 07 918 U1 ist eine Vorrichtung zur Datensiche­ rung beschrieben, bei der ein Fingerabdrucksensor im Zusam­ menhang mit einer Tastatur, die mit einem Rechner betriebs­ verbunden ist, eingesetzt wird. Es ist angegeben, im Bereich einer als Auflagefläche für eine Fingerbeere vorgesehenen Kontaktplatte einen Infrarotsensor anzuordnen, der fest­ stellt, ob es sich bei dem aufgelegten Gegenstand um durch­ blutetes, lebendes Gewebe handelt. Als zusätzliche Siche­ rungseinrichtung, um zu verhindern, daß anstelle des Fingers eines Benutzers eine Nachbildung des Fingers eingelegt wird, könnte zumindest ein Paar von Potentialdifferenz-Elektroden an der Kontaktplatte vorgesehen sein, durch welche eine Mes­ sung des Potentialunterschiedes der Haut möglich ist. Auch damit kann lebendes von totem Gewebe oder einem Kunststoffab­ druck unterschieden werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches Ver­ fahren zur Lebenderkennung menschlicher Haut anzugeben, das insbesondere geeignet ist, in Verbindung mit einem Fingerab­ drucksensor eingesetzt zu werden.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den ab­ hängigen Ansprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgenützt, daß die lebende menschliche Haut einen charakteristischen Schichtauf­ bau besitzt. Von entscheidender Bedeutung für die hier darge­ stellte Erfindung ist, daß diese Schichten eine deutlich un­ terschiedliche elektrische Leitfähigkeiten besitzen. Befinden sich diese Schichten im elektrischen Feld einer Anordnung von Elektroden, so bildet sich ein resistiv-kapazitives System mit einem ganz charakteristischen Frequenzverlauf.

In der beigefügten Figur sind Diagramme dargestellt, in denen der ohmsche Widerstand (Realteil der Impedanz) bzw. die Kapa­ zität (proportional zum Imaginärteil der Impedanz) für ver­ schiedene Bedingungen über dem Logarithmus der Frequenz der an­ liegenden Spannung aufgetragen sind. Bei der zugrundeliegenden Messung wurde ein Zeigefinger auf einen mit Oxid bedeckten Si­ liziumwafer aufgelegt und die Impedanz dieser Anordnung gemes­ sen. In den Diagrammen auf der linken Seite sind jeweils Kur­ venscharen eingetragen für verschiedene Fingerzustände. Die ge­ strichelte Kurve 1 gilt für einen nassen Finger, die durchgezo­ gene Kurve 2 für einen normalen Finger und die untere punktier­ te Kurve 3 für einen trockenen Finger. Der oberen punktierten Kurve 4 liegt die Messung der Kuppe eines Mittelfingers zugrun­ de. In den Diagrammen auf der rechten Seite sind die Kennlinien für zwei verschiedene Testpersonen übereinander dargestellt. Es ist leicht erkennbar, daß sich derselbe charakteristische Ver­ lauf dieser Kurven weitgehend unabhängig vom Fingerzustand und von der Testperson ergibt.

Besonders ausgeprägt ist das Charakteristikum des Kurvenverlau­ fes des ohmschen Widerstandes. Dieser Verlauf ist nur schwer mit einem künstlichen Finger nachzuahmen im Fall eines abge­ schnittenen Fingers ändert sich der Kurvenverlauf rasch durch das Absterben des Hautgewebes. Im folgenden soll nun beschrie­ ben werden, wie dieser charakteristische Impedanzverlauf zur Verifikation der Echtheit und Lebendigkeit des aufgelegten Fin­ gers verwendet werden kann.

In einem ersten Schritt wird zunächst eine Refenrenzkennlinie generiert. Dabei kann sowohl direkt der Frequenzverlauf (wie in der beigefügten Figur dargestellt) gemessen werden, oder aber auch der zeitliche Verlauf eines Meßsignals verwendet werden. Ein Beispiel für letztere Methode ist das Anlegen eines Span­ nungssprungs an die Elektroden und die Vermessung des zeitli­ chen Verlaufs des Ladestroms. Die jeweiligen Kennlinien sehen völlig verschieden aus, sind aber prinzipiell gleichwertig, da sie über eine Fouriertransformation bzw. Faltung miteinander korreliert sind. Welche Methode verwendet wird, hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Falls hohe Anforderungen an die Si­ cherheit der Identifizierung gestellt werden, können z. B. Real- und Imaginärteil des Impedanzverlaufs ausgewertet werden. Bei einfacheren Anwendungen genügt die Verwendung des Absolutbetra­ ges der Impedanz, da dieser Betrag durch eine einfache Mitte­ lung des Meßstromes gewonnen werden kann. Vorzugsweise wird die Referenzkennlinie so erzeugt, daß sie einen durchschnittlichen Verlauf der Impedanzkurve repräsentiert. Das kann z. B. durch Mittelung über mehrere, ggf. unter verschiedenen Bedingungen aufgenommene, Kurven erreicht werden. Vorzugsweise wird die Re­ ferenzkennlinie für jede später zu identifizierende Person ge­ sondert aufgenommen.

Die gewählten Impedanzwerte in dem gewählten Bereich der Wech­ selspannungsfrequenz werden z. B. zusammen mit den wesentlichen Charakteristiken (Minutien) des Fingerabdrucks gespeichert. Es kann dann bei der Kontrolle des Fingerabdruckes sowohl der Fin­ gerabdruck selbst, als auch die Kennlinie zur Lebenderkennung mit den gespeicherten Werten verglichen werden. Da nur geringe Schwankungen zwischen verschiedenen Personen festzustellen sind (s. die Diagramme auf der rechten Seite der Figur), kann ggf. auch eine einzige Referenzkurve für alle zu identifizierenden Personen verwendet werden. Beim Vergleich einer aktuellen Kenn­ linie mit dieser abgespeicherten Referenzkennlinie sind dann allerdings etwas größer Schwankungsbreiten (weitere Toleranz­ grenzen) zuzulassen.

Anstatt zur Messung der Frequenzabhängigkeit eine reine Sinus­ schwingung zu verwenden, kann man auch eine Überlagerung von Frequenzen verwenden. Derartige Überlagerungen, z. B. Pulsfor­ men (Rechteckimpulse, Sägezahnimpulse oder dergleichen) sind oft einfacher generierbar als reine Sinusschwingungen. Durch geeignete Filterung kann der Bereich, in dem die überlagerten Frequenzen liegen, auf eine bestimmte Intervallbreite einge­ schränkt werden. Die erhaltenen Meßwerte bzw. Kennlinien ent­ sprechen einer Mittelung von Meßwerten mit sinusförmiger Anre­ gung. Wenn die Intervallbreite der überlagerten Frequenzen aus­ reichend klein gewählt wird, läßt sich aber auch mit dieser vereinfachten Methode eine ausreichend charakteristische Kenn­ linie erzeugen bzw. bei der aktuellen Messung aufnehmen.

Bei jeder Personenidentifikation wird die betreffende Kennlinie gemessen und mit der Referenzkennlinie verglichen. Wenn sich dabei eine ausreichende Übereinstimmung ergibt und die perso­ nenspezifischen Meßwerte (Minutien des Fingerabdrucks) eben­ falls mit den Referenzwerten übereinstimmen, gilt die Person als identifiziert und erhält die Zutritts- oder Zugriffsberech­ tigung. Ein solcher Kennlinienvergleich kann in einer an sich bekannten Weise unter Auswertung der Differenz der Funktions­ werte erfolgen. Man kann z. B. die Quadrate der Differenz der Werte der Kennlinien zu jeder Frequenz summieren bzw. integrie­ ren, die absoluten Beträge dieser Differenzen summieren bzw. integrieren oder das Maximum dieser Differenzen bestimmen. Die Genauigkeit des Vergleichs kann ggf. auch dadurch erhöht wer­ den, daß man die Logarithmen oder die ersten Ableitungen der Kennlinien miteinander vergleicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einem Fingerabdrucksen­ sor unter Verwendung elektrischer Leiter in dem Sensor durch­ geführt werden. Dazu wird ein Sensor verwendet, bei dem in bzw. unter einer Auflagefläche zur Aufnahme eines Fingerabdrucks elektrische Leiter angebracht sind, die beim Auflegen der Fin­ gerspitze in unmittelbare Berührung mit der Hautoberfläche (galvanische Kopplung) bzw. in einen bestimmen Abstand zu der Hautoberfläche (kapazitive Kopplung) gelangen. Im letzten Fall befindet sich z. B. zwischen dem Leiter und der Auflagefläche für den Finger eine dielektrische Schicht als Schutzschicht oder Abdeckung.

Zu der Messung kann ein einzelner Leiter verwendet werden oder zwei elektrisch voneinander isolierte Leiter. Wenn nur ein Lei­ ter verwendet wird, wirkt der aufgelegte Finger als Verbindung zum Erdungspotential. Bei der Verwendung von zwei elektrischen Leitern werden die Leiter vorzugsweise in einem Abstand ange­ ordnet, der größer ist, als die Dicke der Epidermis. Das Ver­ fahren läßt sich daher mit Leitern durchführen, die einen Ab­ stand von mindesten 2 mm zueinander haben. Es genügt, wenn die Leiter zwei etwa 10 mm² große Metallplatten sind; je nach ge­ wünschter Meßauflösung können auch deutlich kleinere Abmessun­ gen verwendet werden. Die Messung der Impedanz kann in einer an sich bekannten Weise erfolgen, wobei nur darauf zu achten ist, daß die gewählte Meßmethode ein für den Zweck ausreichend ge­ naues Ergebnis liefert. Falls das Verfahren bei einem Fingerab­ drucksensor eingesetzt wird, wird der Leiter bzw. werden die Leiter zur Feststellung der Lebenderkennung vorzugsweise am Rand der Auflagefläche für die Fingerspitze angeordnet. Da der Sensor in der Regel selbst aus elektrisch leitenden Sensorele­ menten aufgebaut ist, können auch einzelne dieser Sensorelemen­ te zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens verwendet wer­ den. Das Verfahren kann daher im Prinzip auch mit herkömmlichen Sensoren unter Verwendung geeigneter elektronischer Mittel durchgeführt werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Lebenderkennung von menschlicher Haut,

• - bei dem ein Bereich einer Hautoberfläche in Kontakt mit min­ destens einem elektrischen Leiter oder in einen, vorgegebenen Abstand zu mindestens einem elektrischen Leiter gebracht wird,
• - bei dem an den elektrischen Leiter ein elektrisches Potential einer Überlagerung von Frequenzen oder einer elektrischen Wechselspannung mit einer veränderbaren Frequenz angelegt wird,
• - bei dem mit einer mit diesem Potential durchgeführten elek­ trischen Messung eine Meßfunktion ermittelt wird, indem min­ destens ein Wert, der von einer durch die Hautoberfläche be­ stimmten Impedanz abhängt, als Funktion der Zeit bzw. als Funktion der Frequenz ermittelt wird und
• - bei dem die Übereinstimmung dieser Meßfunktion mit einer Re­ ferenzfunktion geprüft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das elektrische Potential eine Überlagerung von Fre­ quenzen ist, die einen Spannungspuls oder einen Spannungssprung ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das elektrische Potential eine Überlagerung von Fre­ quenzen aus einem begrenzten Intervall ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem als Wert, der einer durch die Hautoberfläche bestimmten Impedanz zugeordnet ist, der absolute Betrag der Impedanz ge­ wählt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein Bereich einer Hautoberfläche in Kontakt mit min­ destens zwei elektrischen Leitern oder in einen vorgegebenen Abstand zu mindestens zwei elektrischen Leitern gebracht wird, wobei die Leiter voneinander elektrisch isoliert und in einem Abstand von mindestens 2 mm zueinander angeordnet sind.