[論文レビュー] On the Reliability of Cancelable Biometrics: Revisit the Irreversibility

Xingbo Dong, Zhe Jin+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2019

Biometric Identification and Security参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、キャンセル可能なバイオメトリクスシステムの不可逆性を調査し、変換されたテンプレートにおける距離相関が、Kerckhoffsの仮定下で類似度ベースの攻撃を可能にすることを明らかにした。本稿では、相互情報量を用いた情報漏洩の測定フレームワークを提案し、顔、虹彩、指紋のシステムにおいて完全な不可逆性が理論的に達成不可能であることを示し、セキュリティとパフォーマンスの妥協が必要であることを示した。

ABSTRACT

Over the years, many biometric template protection schemes, primarily based on the notion of have been proposed. A cancelable biometric algorithm needs to satisfy four biometric template protection criteria, i.e., irreversibility, revocability, unlinkability, and performance preservation. However, a systematic analysis of irreversibility has been often neglected. In this paper, the common distance correlation characteristic of cancelable biometrics is analyzed. Next, a similarity-based attack is formulated to break the irreversibility of cancelable biometric under the Kerckhoffs's assumption where the cancelable biometrics algorithm and parameter are known to the attackers. The irreversibility based on the mutual information is also redefined, and a framework to measure the information leakage from the distance correlation characteristic is proposed. The results achieved on face, iris, and fingerprint prove that it is theoretically hard to meet full irreversibility. To have a good biometric system, a balance has to be achieved between accuracy and security.

研究の動機と目的

• キャンセル可能なバイオメトリクステンプレート保護方式における不可逆性に関する体系的分析の不足に対処すること。
• Kerckhoffsの仮定下で、既知のキャンセル可能なバイオメトリクスアルゴリズムが類似度ベースの攻撃によって逆算可能かどうかを調査すること。
• 距離相関に起因する情報漏洩を定量化するために、相互情報量を用いて不可逆性を再定義すること。
• 顔、虹彩、指紋などの異なるバイオメトリクスモダリティにおいて、完全な不可逆性を達成する理論的妥当性を評価すること。

提案手法

• キャンセル可能なバイオメトリクステンプレートに共通する距離相関特性を分析し、悪用可能なパターンを同定すること。
• 既知のアルゴリズムとパラメータを活用して、元のバイオメトリクス特徴を再構築する類似度ベースの攻撃を構築すること。
• 距離相関に起因する情報漏洩を定量化するために、相互情報量を用いて不可逆性を再定義すること。
• キャンセル可能なバイオメトリクスシステムにおける情報漏洩の程度を評価するための測定フレームワークを提案すること。
• 顔、虹彩、指紋のバイオメトリクスにおける実世界のデータセットを用いて、理論的発見の妥当性を検証するフレームワークの評価を行うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルゴリズムとパラメータが公開されている状況で、類似度ベースの攻撃がキャンセル可能なバイオメトリクスシステムの不可逆性を破る可能性は何か？
• RQ2 変換されたバイオメトリクステンプレートにおける距離相関が、元のバイオメトリクスデータに関するどの程度の情報を漏洩させるか？
• RQ3 相互情報量を用いて不可逆性を再定義することで、実用的なセキュリティ保証をよりよく反映できるか？
• RQ4 異なるバイオメトリクスモダリティにおいて、キャンセル可能なバイオメトリクスシステムにおける不可逆性の理論的限界は何か？

主な発見

• キャンセル可能なバイオメトリクステンプレートにおける距離相関特性が、Kerckhoffsの仮定下で効果的な類似度ベースの攻撃を可能にする。
• 距離相関に起因する残留情報漏洩のため、キャンセル可能なバイオメトリクスシステムにおける完全な不可逆性は理論的に達成不可能である。
• 提案された相互情報量ベースのフレームワークは、情報漏洩を効果的に定量化し、測定可能なセキュリティリスクを示した。
• 顔、虹彩、指紋のデータセットにおける実験結果から、システムパフォーマンスを損なわずに不可逆性を完全に達成することは不可能であることが確認された。
• システムの正確性とセキュリティの間に根本的なトレードオフが存在し、バイオメトリクステンプレート保護における設計選択には注意が必要である。