Instytut Badań Medycznych ProvaDiVita

1. Wstęp

   Biometria, czyli pomiar i analiza danych biologicznych w celach identyfikacyjnych, zyskała w ostatnich latach znaczną uwagę ze względu na potencjalne zastosowania w różnych dziedzinach, w tym w zakresie bezpieczeństwa i opieki zdrowotnej. Jedną z obiecujących metod biometrycznych jest fotopletyzmografia (PPG), która obejmuje pomiar zmian objętości krwi w organizmie za pomocą czujników światła. Technologia PPG została wykorzystana w urządzeniach do noszenia, takich jak smartwatche, do monitorowania wskaźników zdrowia, takich jak tętno i poziom tlenu we krwi. Jednak jej potencjał w celach identyfikacji i uwierzytelniania pozostaje w dużej mierze niezbadany. Wykorzystując unikalne cechy fizjologiczne rejestrowane przez sygnały PPG, takie jak zmienność rytmu serca, naukowcy uważają, że biometria PPG może oferować bezpieczną i wygodną metodę weryfikacji tożsamości osób. Celem tych badań jest zbadanie wykonalności i skuteczności wykorzystania biometrii PPG do identyfikacji i uwierzytelniania w różnych scenariuszach.

   1. Definicja biometrii PPG

      Biometria, w szczególności wykorzystująca sygnały fotopletyzmografii (PPG), stała się niezawodną metodą identyfikacji i uwierzytelniania. Technologia PPG obejmuje pomiar zmian objętości krwi poprzez absorpcję światła, oferując unikalną modalność biometryczną. Badania przeprowadzone przez (J. Přibil i in., s. 7-10) bada klasyfikator modeli mieszanin Gaussa (GMM) do identyfikacji biometrycznej przy użyciu sygnałów PPG z czujników noszonych na ciele, pokazując obiecujące wyniki w dokładności identyfikacji podmiotu. Ponadto, (Yuchen Su i in., s. 726-737) wprowadza dwuskładnikowy schemat uwierzytelniania, P2Auth, który integruje pomiary PPG związane z kodem PIN i naciśnięciem klawisza na urządzeniach noszonych, zwiększając dokładność uwierzytelniania i bezpieczeństwo. Badania te podkreślają potencjał biometrii PPG w rozwijaniu bezpiecznych i dokładnych metod identyfikacji, wykorzystując sygnały fizjologiczne do solidnego uwierzytelniania użytkowników. Dzięki innowacyjnym strategiom i postępom w technologii PPG identyfikacja biometryczna nadal ewoluuje, rozwiązując luki w tradycyjnych systemach uwierzytelniania.

   2. Znaczenie identyfikacji i uwierzytelniania we współczesnym cyfrowym świecie

      W dzisiejszym cyfrowym świecie nie można przecenić znaczenia identyfikacji i uwierzytelniania. Wraz ze wzrostem cyberzagrożeń i oszustw internetowych, kluczowe jest, aby osoby i organizacje miały solidne mechanizmy weryfikacji tożsamości i udzielania dostępu do poufnych informacji. Identyfikacja zapewnia, że właściwym osobom udzielany jest dostęp do określonych zasobów, podczas gdy uwierzytelnianie potwierdza, że te osoby są tymi, za których się podają. To warstwowe podejście pomaga chronić przed nieautoryzowanym dostępem i potencjalnymi naruszeniami bezpieczeństwa. Ponadto stosowanie metod uwierzytelniania biometrycznego, takich jak biometria PPG, zapewnia wyższy poziom bezpieczeństwa niż tradycyjne systemy oparte na hasłach. Wykorzystując unikalne cechy fizjologiczne, takie jak zmienność rytmu serca, biometria PPG zapewnia bardziej niezawodny i bezpieczny sposób weryfikacji tożsamości w sferze cyfrowej. Ta zaawansowana technologia nie tylko zwiększa bezpieczeństwo, ale także poprawia wrażenia użytkownika, upraszczając proces uwierzytelniania i zmniejszając ryzyko kradzieży tożsamości. (Kim Ho Yeap i inni).

2. Zalety biometrii PPG w identyfikacji

   Ponadto wykorzystanie biometrii PPG w identyfikacji oferuje liczne zalety w porównaniu z tradycyjnymi metodami. Jedną z kluczowych korzyści jest nieinwazyjna natura technologii PPG, ponieważ można ją bezproblemowo zintegrować z istniejącymi urządzeniami, takimi jak smartfony i urządzenia do noszenia, bez konieczności stosowania dodatkowego sprzętu. Ta wygoda zwiększa komfort użytkowania i zmniejsza potrzebę stosowania wielu metod uwierzytelniania. Ponadto biometria PPG zapewnia wysoki poziom dokładności w identyfikacji osób, a badania wykazują wskaźniki rozpoznawania powyżej 95%. Ta niezawodność jest kluczowa w aplikacjach wrażliwych na bezpieczeństwo, w których precyzja ma pierwszorzędne znaczenie. Ponadto sygnały PPG można przechwytywać w czasie rzeczywistym, co umożliwia ciągłe monitorowanie w celach dynamicznego uwierzytelniania. Ten ciągły model uwierzytelniania zwiększa bezpieczeństwo, zapewniając, że tożsamość użytkownika jest konsekwentnie weryfikowana w trakcie całej interakcji.(Kim Ho Yeap i inni)Ogólnie rzecz biorąc, zalety biometrii PPG dowodzą jej skuteczności jako obiecującej technologii w bezpiecznych procesach identyfikacji.

   1. Monitorowanie nienaruszające i ciągłe

      Ciągły monitoring uwierzytelniania użytkowników, w szczególności za pomocą biometrii dynamiki naciśnięć klawiszy, oferuje proaktywne podejście do cyberbezpieczeństwa. Dzięki włączeniu technik takich jak Gaussian Mixture Model with Universal Background Model (GMM-UBM) i głębokiego uczenia maszynowego proces staje się bardziej solidny i skuteczny (Yunbin Deng i in.). Takie podejście nie tylko eliminuje potrzebę dodatkowego sprzętu, ale także zapewnia bezproblemową autoryzację bez zakłócania przepływu pracy użytkowników. Ponadto integracja wykrywania anomalii zorientowanego na użytkownika z biometrią dynamiki naciśnięć klawiszy może wzmocnić mechanizm kontroli bezpieczeństwa, uzupełniając w ten sposób tradycyjne metody uwierzytelniania statycznego. Jak podkreślono w (João Ferreira i in., s. 216-223), znaczenie ciągłej weryfikacji tożsamości podkreśla potencjał rozszerzenia systemów wykrywania włamań (IDS) na poziom uwierzytelniania użytkownika. Wykorzystując techniki nienaruszające prywatności, takie jak analiza dynamiki naciśnięć klawiszy, systemy mogą osiągnąć wyższy poziom bezpieczeństwa i dokładności identyfikacji użytkownika w scenariuszach w czasie rzeczywistym.

   2. Wysoka dokładność i niezawodność identyfikacji użytkownika

      Kluczowym wymogiem dla systemów identyfikacji użytkowników jest wysoka dokładność i niezawodność. Kompleksowe uwierzytelnianie użytkowników musi być zbudowane na solidnych danych biometrycznych, aby zapobiec nieautoryzowanemu dostępowi. Biometria PPG oferuje obiecujące rozwiązanie ze względu na swoje unikalne cechy, takie jak zmienność rytmu serca i wzorce przepływu krwi. Analizując te sygnały fizjologiczne, PPG może osiągnąć wysoki poziom dokładności w identyfikacji użytkownika. Badania wykazały, że systemy oparte na PPG mogą dokładnie odróżniać osoby przy niskim wskaźniku błędów. Ponadto niezawodność biometrii PPG jest wykazana przez jej odporność na ataki spoofingowe, zapewniając bezpieczeństwo systemu. (Gene Tsudik)W ten sposób integracja biometrii PPG w procesach identyfikacji i uwierzytelniania może zapewnić bezpieczne i niezawodne rozwiązanie dla różnych zastosowań.

3. Wyzwania i rozważania dotyczące wdrażania biometrii PPG w celu uwierzytelniania

   Integracja biometrii fotopletyzmograficznej (PPG) w celu uwierzytelnienia stwarza złożone wyzwania i rozważania w kontekście rozwijania cybernetycznych środków bezpieczeństwa fizycznego. Wykorzystanie spostrzeżeń z (Oleksandr Kuzniecow i in., s. 9-15), który podkreśla potrzebę bezpiecznych systemów uwierzytelniania biometrycznego w obliczu zagrożeń związanych z komputerami kwantowymi, jest zgodny z eksploracją solidnych mechanizmów uwierzytelniania. Ponadto, (Chia-Wei Lien i in., s. 1-37) rzuca światło na ewoluujący krajobraz opcji biometrycznych do zabezpieczania urządzeń IoT, podkreślając złożoność wyboru odpowiednich modalności biometrycznych. W przypadku zastosowania do biometrii PPG wyzwania te ujawniają się w równowadze między wygodą użytkownika a skutecznością zabezpieczeń, niezawodnością czujników i stabilnością danych w czasie. Strategiczna integracja biometrii PPG w ramach ram uwierzytelniania wymaga niuansowego zrozumienia wymagań interakcji użytkownika, możliwości obliczeniowych i możliwości oferowanych przez nowe technologie czujników, podkreślając tym samym znaczenie kompleksowych badań w zakresie optymalizacji protokołów uwierzytelniania w celu zwiększenia bezpieczeństwa cybernetyczno-fizycznego.

   1. Obawy dotyczące bezpieczeństwa i prywatności

      Wśród rosnącej adopcji biometrii PPG do celów identyfikacji i uwierzytelniania, rosną obawy dotyczące bezpieczeństwa i prywatności. Jednym z głównych problemów jest podatność danych biometrycznych na kradzież lub nieautoryzowany dostęp. W przeciwieństwie do haseł lub kodów PIN, informacji biometrycznych, po ich naruszeniu, nie można zmienić. Rodzi to znaczne ryzyko dla osób i organizacji polegających na biometrii PPG w celu bezpiecznego dostępu do systemów lub obiektów. Ponadto gromadzenie i przechowywanie danych biometrycznych budzi pytania etyczne dotyczące zgody i potencjalnego niewłaściwego wykorzystania danych osobowych. W związku z tym konieczne jest, aby twórcy i wdrażający systemy biometryczne PPG priorytetowo traktowali solidne środki bezpieczeństwa i przejrzyste zasady prywatności w celu złagodzenia tych obaw. Właściwe szyfrowanie, protokoły uwierzytelniania i regularne audyty mogą pomóc w ochronie danych biometrycznych i zapewnieniu zaufania wśród użytkowników. (Richard Jiang i in.).

   2. Czynniki środowiskowe wpływające na odczyty biometryczne PPG

      Oprócz indywidualnych różnic w fizjologii, czynniki środowiskowe mogą również wpływać na dokładność i niezawodność odczytów biometrycznych PPG. Na przykład zmiany temperatury otoczenia mogą wpływać na rozszerzanie i zwężanie naczyń krwionośnych, co prowadzi do wahań jakości sygnałów PPG. Podobnie, zmiany poziomu wilgotności mogą wpływać na przewodnictwo skóry i działanie czujników PPG, co potencjalnie prowadzi do błędów w pomiarach biometrycznych. Ponadto narażenie na zewnętrzne źródła światła, takie jak światło słoneczne lub sztuczne oświetlenie, może zakłócać wykrywanie sygnałów PPG, wprowadzając szum do odczytów. Istotne jest, aby badacze i praktycy brali pod uwagę te czynniki środowiskowe podczas wdrażania systemów biometrycznych PPG, aby zapewnić spójne i dokładne procesy identyfikacji i uwierzytelniania. Poprzez zrozumienie i złagodzenie wpływu tych czynników można zwiększyć niezawodność i skuteczność biometrii PPG w zastosowaniach w świecie rzeczywistym. (Narodowa Rada Badań Naukowych i in.).

4. Wniosek

   Podsumowując, wykorzystanie biometrii PPG w identyfikacji i uwierzytelnianiu przedstawia obiecującą drogę do zwiększenia środków bezpieczeństwa w różnych zastosowaniach. Poprzez analizę unikalnych cech fizjologicznych osób, takich jak tętno i wzorce przepływu krwi, technologia PPG oferuje zaawansowany poziom dokładności weryfikowania tożsamości. Może to pomóc zapobiec nieautoryzowanemu dostępowi do poufnych informacji i poprawić ogólne protokoły bezpieczeństwa. Jednak, jak każda technologia, istnieją potencjalne ograniczenia i wyzwania, które należy rozwiązać. W miarę prowadzenia dalszych badań w tej dziedzinie, ważne będzie rozważenie czynników, takich jak użyteczność, skalowalność i obawy dotyczące prywatności, aby zapewnić powszechne przyjęcie biometrii PPG. Pokonując te przeszkody, technologia PPG ma potencjał zrewolucjonizowania sposobu, w jaki podchodzimy do identyfikacji i uwierzytelniania w przyszłości.

   1. Podsumowanie korzyści i wyzwań związanych z wykorzystaniem biometrii PPG do identyfikacji i uwierzytelniania

      Z jednej strony, wykorzystanie biometrii PPG do identyfikacji i uwierzytelniania oferuje kilka korzyści. Po pierwsze, technologia ta jest nieinwazyjna, dzięki czemu jest przyjazna dla użytkownika i łatwo integruje się z codziennymi czynnościami. Ponadto sygnały PPG można przechwytywać zdalnie, co umożliwia wygodne i bezkontaktowe procesy uwierzytelniania. Ponadto, unikalność poszczególnych sygnałów PPG zapewnia wysoki poziom dokładności w identyfikacji użytkowników, zwiększając środki bezpieczeństwa. Istnieją jednak również wyzwania związane z wykorzystaniem biometrii PPG. Jednym z istotnych problemów jest możliwość ataków spoofingowych, w których przeciwnicy próbują oszukać system, używając fałszywych lub zmanipulowanych sygnałów PPG. Zapewnienie odporności metod uwierzytelniania opartych na PPG na takie ataki pozostaje krytycznym obszarem badań. Ponadto kwestie związane z jakością sygnału i czynnikami środowiskowymi mogą mieć wpływ na niezawodność i wydajność systemów biometrycznych PPG, co podkreśla potrzebę ciągłych postępów technologicznych i ulepszeń. (Xiaoxia Yin i in.).

   2. Przyszłe perspektywy i potencjalne postępy w technologii biometrycznej PPG

      Ostatnie postępy w technologii biometrycznej PPG otworzyły niezliczone możliwości na przyszłość. Jedną z ekscytujących perspektyw jest potencjał zwiększenia dokładności i niezawodności w identyfikacji osób na podstawie ich unikalnych sygnatur fizjologicznych. W miarę jak naukowcy udoskonalają algorytmy i sprzęt, możemy spodziewać się większego bezpieczeństwa uwierzytelniania i zmniejszonych szans na fałszywe wyniki pozytywne lub negatywne. Ponadto rozwój urządzeń do noszenia z wbudowanymi czujnikami PPG może zrewolucjonizować sposób, w jaki podchodzimy do kwestii bezpieczeństwa osobistego i kontroli dostępu. Urządzenia te mogą zapewnić ciągły monitoring danych biometrycznych, oferując bezproblemowe i bezproblemowe korzystanie z nich, jednocześnie wzmacniając środki bezpieczeństwa. W niedalekiej przyszłości możemy nawet zobaczyć integrację technologii biometrycznej PPG w szerokim zakresie zastosowań wykraczających poza tradycyjną identyfikację i uwierzytelnianie, takich jak monitorowanie opieki zdrowotnej i spersonalizowane śledzenie sprawności fizycznej.

Odnośniki:

• J. Přibil, A. Přibilová, I. Frollo, „Eksperyment z identyfikacją podmiotu opartą na GMM z sygnałów PPG pozyskiwanych przez czujniki noszone na ciele”, 2023, s. 7-10

• Yuchen Su, Guoqing Jiang, Yicong Du, Yuefeng Chen, Hongbo Liu, Yanzhi Ren, Huan Dai, Yan Wang, Shuai Li, Yingying Chen, „P2Auth: Two-Factor Authentication Leveraging PIN and Keystroke-Induced PPG Measurements”, 2023, s. 726-737

• Oleksandr Kuznetsov, Yelyzaveta Kuznetsova, Emanuele Frontoni, Yuriy Gorbenko, „W kierunku solidnego uwierzytelniania biometrycznego: wdrażanie kryptografii postkwantowej za pomocą ekstraktorów rozmytych opartych na kodzie”, 2023, s. 9–15

• Chia-Wei Lien, Sudip Vhaduri, „Wyzwania i szanse uwierzytelniania użytkowników biometrycznych w erze IoT: badanie”, 2023, s. 1-37

• Yunbin Deng, Yu Zhong, „Uwierzytelnianie użytkownika za pomocą dynamiki naciśnięć klawiszy przy użyciu zaawansowanych metod uczenia maszynowego”, 2015

• João Ferreira, H. Santos, „Dynamika naciśnięć klawiszy w celu ciągłego egzekwowania kontroli dostępu”, 2012, s. 216–223

• Kim Ho Yeap, Chee Theng Chow, Hui Tyen Low, Humaira Nisar, „Ulepszona identyfikacja biometryczna z wykorzystaniem sygnałów fotopletyzmograficznych”, Wydawnictwo Cambridge Scholars, 2024-03-25

• Gene Tsudik, „Bezpieczeństwo komputerowe – ESORICS 2023”, Natura Springera

• Richard Jiang, Somaya Al-maadeed, Ahmed Bouridane, prof. Danny Crookes, Azeddine Beghdadi, „Bezpieczeństwo biometryczne i prywatność”, Skoczek, 2016-12-21

• Narodowa Rada Badawcza, Wydział Inżynierii i Nauk Fizycznych, Rada ds. Informatyki i Telekomunikacji, Komitet ds. Biometrii, „Rozpoznawanie biometryczne”, Narodowe Akademie Prasowe, 2010-12-12

• Xiaoxia Yin, Kendall Ho, Daniel Zeng, Uwe Aickelin, Rui Zhou, Hua Wang, „Nauka o informacjach o zdrowiu”, Skoczek, 2015-05-05