- Ausarbeitung - Vorlesung: Biometrik (Arbeitsgruppe Multimedia and Security, SS 2003) Team: Marcus Holley, Tobias Hoppe, Sebastian Stober

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1 Gummi-Fingerprints la Matsumoto - Ausarbeitung - Vorlesung: Biometrik (Arbeitsgruppe Multimedia and Security, SS 2003) Team: Marcus Holley, Tobias Hoppe, Sebastian Stober Inhalt 1 Einf hrung... 2 Grundlagen Fingerabdr cke Matsumoto - Rezept Durchf hrung des Matsumoto-Rezeptes Erster Eindruck nach der Durchf hrung des Matsumoto-Rezeptes Eigene Variationen am bisherigen Rezept Protokoll der Versuchsdurchf hrung... 4 Tests... 5 Diskussion / Bewertung... 6 Quellen-Verzeichnis... 1 Einf hrung Im IT Sicherheitsbereich gewinnt die Analyse biometrischer Merkmale wie Fingerabdr cke zunehmend an Bedeutung. Verschiedene Hersteller versprechen f r ihre Produkte hohe Erfolgsquoten, aber wie leicht lassen sich ihre Systeme wirklich hinter das Licht f hren? Basierend auf dem Versuch des japanischen Kryptographen Tsutomu Matsumoto von der Yokohama National University wollen wir untersuchen, wie verschiedene Fingerprint-Systeme auf Abdr cke k nstlicher Fingerduplikate reagieren. Dazu planen wir, Matsumotos Versuch zun chst m glichst identisch nachzuvollziehen und nach der Auswertung erster Ergebnisse eventuell einige eigene Modifikationen vorzunehmen. 1

2 2 Grundlagen 2.1 Fingerabdr cke Zum Abnehmen von Fingerabdr cken gibt es Sensoren, die auf unterschiedlichen Arten von Technologien beruhen. Dazu geh ren: Statisch kapazitive Sensoren Typ 1 Statisch kapazitive Sensoren Typ 2 Dynamisch kapazitive Sensoren Lumineszierend kapazitive Sensoren Optisch reflexive Sensoren Optisch transmissive Sensoren mit Lichtleiterplatte Akustische Sensoren (Ultraschall) Drucksensitive Sensoren Thermische Zeilensensoren Kapazitive und optische Zeilensensoren Es ist zu erwarten, dass nicht alle Sensortypen gleich auf einen falschen Finger reagieren werden. Matsumotos Versuche zeigte beispielsweise, dass die von ihm hergestellten k nstlichen Finger von optischen Sensoren oft akzeptiert wurden, w hrend dies bei kapazitiven Sensoren nur selten der Fall war. 2.2 Matsumoto - Rezept Matsumoto stellte die k nstlichen Finger aus einfacher Gelatine her, auf der zum Beispiel auch Weingummiprodukte basieren. Deshalb sind diese k nstlichen Finger auch durchaus essbar, wenngleich sie in der unges ten Standardversion noch keinen gro en Genussfaktor mit sich bringen Da die Behebung dieses Nachteils f r die mit den biometrischen Systemen erzielten Ergebnisse nicht von besonderer Bedeutung sein d rfte, hier also zun chst Matsumotos geschmacklich nicht optimiertes Grundrezept: Zutaten: Zubereitung: Modelliermasse (F r die Negative) Blatt-Gelatine (F r die Positive) 1) Herstellen des Negativs: Modelliermasse vorbereiten Ziel-Finger hereindr cken 2) Herstellen des Positivs 300 ml kochendes Wasser mit 30 g Gelatine zusammenmischen und verr hren (20 min.) Gelatinemasse ins Negativ gie en und 10 Minuten im K hlschrank abk hlen lassen. 2

3 3 Protokoll der Versuchsdurchf hrung Durchf hrung des Matsumoto-Rezeptes Teil 1: Herstellung eines (mehrfach verwendbaren) Negativs: Matsumoto stellte die Negative mit Hilfe einer Kunststoff-Modellier-Masse her, die vor dem Aufnehmen des Abdrucks erw rmt wird. Weil wir hier leider kein vergleichbares Material finden konnten, sind wir auf ein Zweikomponenten-Silikon ausgewichen, wie es in der Zahntechnik verwendet wird, aber auch f r allgemeine Modellierzwecke f r jedermann zu bestellen ist. Auf eine etwas einfachere und kosteng nstigere L sung weisen wir unten im Abschnitt 3.2 noch hin. Vorbereiten der Modelliermasse Auf die weiche, hellblaue Modelliermasse geben wir etwas H rterpaste. Vermischen der beiden Komponenten Durch Verkneten der beiden Massen wird die Modelliermasse mit der H rterpaste zu einer homogenen Masse vermischt. Dieser Vorgang sollte nicht l nger als Sekunden dauern, da man sonst Gefahr l uft, dass die Masse sonst hart wird, bevor der Abdruck genommen werden kann. Nehmen des Fingerabdruckes In die noch weiche Masse wird nun der Finger gedr ckt. Damit auch die u eren Bereiche bernommen werden, rollen wir den Finger dabei leicht ab. 3

4 Die fertige Negativ-Form Nach wenigen Minuten ist die Modellier-Masse geh rtet und l sst sich ohne Einsatz h herer Gewalt nicht weiter verformen. Teil 2: Herstellung des Gummi-Fingers: Mit Hilfe dieser Formen k nnen wir jetzt beliebig viele Gummifinger herstellen: Die Zutaten 10 g wei e Blattgelatine (6 Blatt) 100ml Wasser Diese Menge reicht f r ca. 3 Gummifinger. Die vorgefertigten und gleich wieder ben tigten Negativ-Formen sind rechts unten zu sehen. Aufkochen des Wassers und Hineingeben der Blattgelatine Bei unserem ersten Versuch zeigte es sich, dass es hilfreich ist, die Gelatine vorher noch besser zu zerkleinern als aus diesem Bild ersichtlich. Dadurch verklumpt die Gelatine im n chsten Schritt weniger und l st sich im Wasser deshalb merklich schneller und unter weniger R hraufwand auf. Umr hren, bis sich die Gelatine aufgel st hat Das Aufl sen der Gelatine dauerte in unserem ersten Versuch Minuten, was sich durch oben angemerktes Verkleinern aber noch um einige Minuten verk rzen lie. Zun chst lassen wir das Wasser weiterkochen damit sich die Gelatine besser aufl st. 4

5 Zweite Phase des Umr hrens Die Verwendung eines Schneebesens bietet sich an, damit sich die letzten kleineren Gelatinebrocken besser aufl sen. Die eben noch recht d nnfl ssige Masse sollte jetzt langsam dickfl ssiger werden. Der Topf braucht nicht mehr weiter aufgeheizt werden, die Masse kann also ruhig schon etwas abk hlen. Die Gelatinemasse ist fertig zum Eingie en Seit dem Einsch tten der festen Gelatine in das kochende Wasser sind beim Einr hren inzwischen etwa 20 Minuten vergangen und die Gelatinemasse hat eine dickfl ssigere Form angenommen. Wir hoffen, dass sich die wohl durch den Schneebesen entstandenen Luftbl schen nicht negativ auf unser Ergebnis auswirken werden. F llen der Negative mit der Gelatinemasse Mit einem Teel ffel nehmen wir die jetzt dickfl ssige Gelatinemasse aus dem Topf und geben sie in unsere Negativ-Formen. Die Gummifinger abk hlen lassen Damit die Gummifinger fest werden, kommen sie nun zum Abk hlen f r Minuten in das K hlfach. 5

6 Die fertigen abgek hlten Gummifinger Nach 15 Minuten sind die Gummifinger abgek hlt und haben allem Anschein nach eine realistische Festigkeit erreicht. Herausl sen der fertigen Gummifinger Das Herausl sen der Gummifinger aus den Formen geht leicht und gl cklicherweise auch ohne dass R ckst nde der Gelatine in den Formen zur ckbleiben. Eine Form und der fertige herausgel ste Gummifinger (Ganz rechts ist ein Versuchsfinger zu sehen, den wir mit einem anderem Material aus der Zahntechnik aus derselben Form hergestellt haben.) Der fertige Gummifinger aus Gelatine Gegen das Licht sind die Merkmale des zur Herstellung unseres Negatives verwendeten Fingers auch in unserem fertigen Gelatinemodell gut zu erkennen. 6

7 3.1.2 Erster Eindruck nach der Durchf hrung des Matsumoto-Rezeptes Die Gummifinger sind unserer Meinung nach f r den ersten Versuch recht gut gelungen. Die Struktur des Originalfingers scheint gut abgebildet zu sein und die Konsistenz der Gelatine ist nach dem Herausnehmen aus dem K hlschrank recht nah an einem echten Finger. Diese essbare Masse ist allerdings noch v llig geschmacklos. Man k nnte vorher eventuell noch S stoff hinzugeben, was f r die Qualit t des Ergebnisses allerdings keine effektive Verbesserung bedeuten d rfte ;-) Inwieweit sich die biometrischen Systeme unseren Gummifingern gegen ber verhalten, werden wir noch untersuchen. Aber schon jetzt sind bereits einige Probleme zu erwarten. Nimmt man die im K hlfach erkaltete Gelatinemasse f r einige Zeit in die Hand (wir probierten dies mit einem Randst ck, also der aus der Form bergelaufenen Gelatine) so wird sie im Verlauf von einer knappen Minute merklich weicher und klebrig. Das d rfte bei Temperatur-Sensoren zu Problemen f hren, die erwarten, dass der Finger ann hernd K rpertemperatur vorweist. Um solche Probleme zu verhindern, k nnte man versuchen, von Gelatine auf andere Materialien f r den Gummifinger auszuweichen. Denkbar w ren verschiedene Silikone oder andere Kunststoffe wie etwa Latex, was oft auch in Special Effects bei Filmproduktionen zur Modellierung von K rperteilen Verwendung findet. 7

8 3.2 Eigene Variationen am bisherigen Rezept Alternative Methode zur Herstellung eines Negativs: Wir haben noch eine weitere M glichkeit zur Herstellung des Negatives gefunden. Die Vorteile gegen ber des oben geschilderten Verfahrens liegen in der leichteren Beschaffbarkeit des Materials sowie dessen g nstigeren Preises: einfaches Kerzenwachs. Die drei wesentlichen Schritte sind hierbei: F llen einer kleinen flachen Dose (beispielsweise ein Deckel einer kleinen Bonbondose) mit fl ssigem Wachs. Dieses soweit abk hlen lassen, bis das Wachs fest aber noch nicht hart geworden ist (ca. 5 Minuten). Erzeugen einer Mulde durch Hineindr cken eines Fingers und das Wachs komplett erkalten lassen (ca 5-10 Minuten). Die Erfahrung zeigte jedoch, dass dabei noch kein brauchbarer Abdruck erzeugt werden kann, da das Wachs unten noch fl ssig und oben schon zu fest ist. Ziel dieser Aktion ist nur das Erzeugen einer Mulde, die schon ungef hr die Gr e des Fingers hat. Mit der Flamme eines Feuerzeuges die obere Schicht der eben erzeugten Mulde wieder zum Schmelzen bringen, leicht ank hlen lassen (damit das Wachs nicht mehr zu hei und zu fl ssig ist) und nun den Finger hineindr cken. Nachteile dieser Methode sind, dass der dritte Schritt ein wenig bung und Timing erfordert, bis der Abdruck zufriedenstellend gelingt. Ein weiteres Problem dieser Wachsmethode k nnte sein, dass die Wachsform bei Hineingie en einer zu warmen Masse f r den Abdruck schmilzt und dieser so misslingt. Bei den Gelatinefingern trat dieses Problem in unserem Versuch allerdings nicht auf, da die Gelatinemasse beim Verr hren schon gen gend abgek hlt war. In diesem Fall lie en sich keine entscheidenden Qualit tsunterschiede zwischen den Fingern erkennen, die mit der Wachs- und der Zwei-Komponenten-Silikon-Methode hergestellt wurden. Alternative Methode zur Herstellung der Gummi-Finger: Die Verwendung von Sofort-Gelatine vereinfacht die Herstellung der Gummifinger etwas. Sie ist bereits pulverf rmig und l st sich deshalb besonders schnell im Wasser auf, das zudem nicht gekocht werden muss sondern kalt oder besser lauwarm sein kann. Als Mischungsverh ltnis nahmen wir hier 100 ml lauwarmes Wasser pro Packung Sofort-Gelatine (30g). Wenn es mit der Blattgelatine vergleichbar ist, entspricht das einer etwa 2mal h heren Konzentration, man k nnte es also noch mit einer etwas geringeren Konzentration testen. Aber auch so unterschied sich das Ergebnis nicht wesentlich von den mit Blattgelatine hergestellten Gummifingern, obwohl in unserem Versuch die mit der Sofortgelatine hergestellten Gummifinger trotz der h heren Konzentration etwas weicher wurden als die mit Blattgelatine gemachten. 8

9 4 Tests F r unsere Tests haben wir noch einmal frische Gummifinger hergestellt, in diesem Fall einmal wieder mit der schon im vorigen Abschnitt 3.2 beschriebenen Sofort-Gelatine. Als Test-Hardware wurde uns ein Notebook mit der Siemens ID Mouse Professional zur Verf gung gestellt. Einlernen einer Person: Als erste Versuchsperson lernten wir Tobias in der Demo-Suite ein. Dazu muss mit dem Zeigefinger der rechten Hand dreimal hintereinander kurz auf den oben auf der Maus befindlichen Sensor gedr ckt werden. Zun chst testeten wir, wie die Software berhaupt auf die Zielperson reagiert. Wir f hrten also einige Identifikationen und Verifikationen durch, was auch ohne Probleme korrekt gelang. Nun versuchten wir, das System mit einer Verifikation des entsprechenden Gummifingers auf die Probe zu stellen: W hrend dies im ersten Versuch noch misslang, lie sich das System aber bereits im zweiten Anlauf von unserer Attrappe berlisten. Wie sich jetzt schon andeutet, reagierte das System auf unsere falschen Finger jedoch deutlich mi trauischer als auf die echten Finger: Bei weiteren Wiederholungen dieses Versuchs wurde der falsche Finger meistens zurecht abgewiesen. Au erdem dauerte es vom Aufdr cken des Gummifingers bis zur Akzeptanz des Sensorbildes deutlich l nger als bei dem entsprechenden echten Finger. Allerdings erfordert es auch etwas bung, den Druck bei Auflegen des Gummifingers durch dieses recht dicke St ck Gelatine auf zufriedenstellende Weise auf den Sensor zu bertragen, worauf wir gleich noch etwas n her eingehen werden. 9

10 Im weiteren Verlauf lernten wir dann Marcus ein. Die folgenden Bilder zeigen das Einlernen und drei Ergebnisse diesmal von der Identifikation des entsprechenden falschen Fingers: Auf den unteren beiden Bildern wird besonders deutlich, in welch unterschiedlichen Qualit tsstufen ein und derselbe Gummifinger zum Teil vom Sensor aufgenommen wurde - auch im Vergleich mit dem Bild des echten Fingers beim Einlernen. Speziell bei Marcus erfolgten interessanterweise aber auch mit schlechteren Sensorbildern (siehe linkes Beispiel) h ufig erfolgreiche Identifikationen. Zwischendurch testeten wir auch einen echten Gummifinger, den wir probeweise aus einem weichen Kunststoff hergestellt hatten. Der Sensor lieferte von diesem kein Bild bzw. keine Konturen und nur durch Anfeuchten desselbigen wurden die Strukturen erst etwas deutlicher. Daher vermuten wir, dass unsere Testmaus einen kapazitiven Sensor verwendet. Das k nnte einige der oft recht ausgepr gten schwarzen L cher in den Sensorbildern unserer Gelatinefinger erkl ren: zwar war die Oberfl che der Gummifinger recht gut gelungen, allerdings befanden sich teilweise recht nah unter der Oberfl che noch Luftblasen aus dem Herstellungsprozess. Unser Verdacht ist daher, dass diese Luftbl schen zumindest bei dieser Art von Sensor Komplikationen verursachen. Das deckt sich auch mit den Versuchsergebnissen von Matsumoto, bei dem sich optische Sensoren meist, kapazitive hingegen jedoch selten von dieser Art von Gummifingern berlisten lie en. 10

11 Weitere Beobachtungen: Sebastians Gummi-Fingerabdruck wurde nicht als Originalfinger erkannt. Den Grund daf r haben wir nicht n her untersucht. Bald lie sein Gummifinger - wohl auch wegen der Hitze im Raum - in der Konsistenz etwas nach und die gescannten Bilder wurden noch etwas schlechter. Wir vermuteten, dass es an der Qualit t des Gelatinefingers lag und damit ein Herstellungsfehler war. Um dies zu best tigen, h tten wir noch ein paar Gummi-Exemplare nachproduzieren und testen m ssen. Tobias Gelatine-Finger wurde zu Anfang mehrfach erfolgreich erkannt. Sp ter gelang dies zunehmend weniger, auch hier wurden also leichte Abnutzungserscheinungen deutlich. Der Gummifinger von Marcus hielt deutlich l nger durch und wurde auch gegen Ende noch oft erfolgreich als echter Finger erkannt - wie wir gesehen haben auch oft, wenn das gescannte Bild von sichtbar geminderter Qualit t war. Hier kamen wir zur Vermutung, dass sich die Fingerabdr cke von unterschiedlichen Personen vielleicht in unterschiedlichem Masse f r solche Gelatineabdr cke eignen. Bei weiteren Versuchen gelang es Marcus, den Druck auf den Gummifinger besser zu verteilen, indem er seitlich mit mehreren Fingern von oben auf den Gummifinger dr ckte. Mit etwas bung konnte der falsche Gelatinefinger so bis zu zehn oder f nfzehn Male hintereinander erfolgreich als echter Finger erkannt werden. Systematik der Tests: Unsere Tests waren bis hierhin wenig systematisch. Zumindest konnten wir festhalten, dass unsere k nstlichen Finger des fteren als echte Finger akzeptiert wurden, wenngleich wir uns offensichtlich recht nah an der unteren Schwelle der akzeptierten Eingaben bewegten. Wollte man diese Tests systematisch durchf hren, sollte man auf folgendes achten: Testen mit mehreren Gummifinger-Exemplaren pro Proband (evtl auch aus versch. Negativen) Testen auf mehreren Endger ten (insbesondere auch auf verschiedenen Sensortypen!) Testen mit verschiedenen Gelatinearten / Mischungsverh ltnissen / Herstellungsprozessvarianten Genaues Protokollieren und Auswerten der Versuchsreihen. Sofern m glich, auch Notieren von Zwischendaten um zu sehen, wie nah man dem Schwellwert kommt Zusammenfassung der Tests: Siehe Abschnitt 5 11

12 5 Diskussion / Bewertung Was l sst sich zusammenfassend ber unsere Ergebnisse sagen? Zur Herstellung der Negative und Gummifinger: Unsere Gummifinger waren sehr schlecht zu lagern. Bei unserer ersten Versuchsreihe traten nach wenigen Tagen Sch den durch Feuchtigkeit und die Lagerung im Tiefk hlfach auf. W hrend der darauffolgenden Wochen sind sie auf einen Bruchteil ihrer Ursprungsgr e zusammengeschrumpft und waren l ngst nicht mehr brauchbar. Die zweite Versuchsreihe hielt sich bei besserer Lagerung (im normalen K hlfach und durch eine Abdeckung vor Feuchtigkeit gesch tzt) schon besser und l nger, wobei sich nach zwei Wochen aber auch eine gewisse Schrumpfung erahnen lie. Zur den Reaktionen der getesteten biometrischen Systeme auf die falschen Finger: Aus den Ergebnissen, die wir letztendlich aus Herstellung und den Tests auf der uns zur Verf gung gestellten Hardware gemacht haben, haben wir gelernt: Diese hier dargelegte Methode ist nicht geeignet, um ohne ausgiebiges Ein ben schnell beliebige Fingerabdruckscanner zu berlisten, denn: Die Herstellung der Gelatinefinger erfordert bung. Man sollte nicht erwarten, mit den ersten Exemplaren schon ein akzeptables Ergebnis erzielen zu k nnen. Wie sich gezeigt hat, sollten wir unseren Herstellungsprozess wohl eventuell sogar noch optimieren, um Luftbl schen im Inneren der Gelatinefinger zu verhindern, die kapazitive Sensoren zu st ren scheinen... Gelatinefinger nutzen schnell ab - besonders bei warmen Temperaturen. Andererseits machen robustere Gummifinger aus Kunststoff Probleme mit gewissen Sensoren. Man sollte also vorher den Sensortyp kennen und m glichst schon darauf getestet haben. Auch die Anwendung erfordert bung: Man sollte vorher ausprobieren, wie man den Druck bestm glich durch den Gummifinger auf den Sensor bertr gt. Auch deswegen ist die vorherige Kenntnis des Zielsystems n tzlich. 12

13 6 Quellen-Verzeichnis Tsutomu Matsumoto: Impact of Artificial "Gummy" Fingers on Fingerprint Systems ( Tsutomu Matsumoto: Importance of open discussion on adversarial analyses for mobile security technologies - A case study for user identification: ( Stefan Kelm: Fun with Fingerprint Readers - Mailingliste lists.lrz-muenchen.de ( David Cyranoski: Detectors licked by gummy fingers ( ( Manfred Bromba: Fingerprint FAQ ( 13