[论文解读] A Generalized Approach for Cancellable Template and Its Realization for Minutia Cylinder-Code

Xingbo Dong, Zhe Jin+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2022

Biometric Identification and Security参考文献 27被引用 4

一句话总结

本文提出 gIoM，一种广义的索引最大值哈希技术，用于可撤销生物特征模板保护，通过最小化圆柱码（MCC）实现对无序、可变大小生物特征模板（如指纹纹线特征点）的安全、可撤销且不可逆的表示。该方法将MCC转换为基于索引的特征空间，确保模板重构在计算上不可行，同时在FVC2002和FVC2004数据库上保持了良好的识别性能。

ABSTRACT

Hashing technology gains much attention in protecting the biometric template lately. For instance, Index-of-Max (IoM), a recent reported hashing technique, is a ranking-based locality sensitive hashing technique, which illustrates the feasibility to protect the ordered and fixed-length biometric template. However, biometric templates are not always in the form of ordered and fixed-length, rather it may be an unordered and variable size point set e.g. fingerprint minutiae, which restricts the usage of the traditional hashing technology. In this paper, we proposed a generalized version of IoM hashing namely gIoM, and therefore the unordered and variable size biometric template can be used. We demonstrate a realization using a well-known variable size feature vector, fingerprint Minutia Cylinder-Code (MCC). The gIoM transforms MCC into index domain to form indexing-based feature representation. Consequently, the inversion of MCC from the transformed representation is computational infeasible, thus to achieve non-invertibility while the performance is preserved. Public fingerprint databases FVC2002 and FVC2004 are employed for experiment as benchmark to demonstrate a fair comparison with other methods. Moreover, the security and privacy analysis suggest that gIoM meets the criteria of template protection: non-invertibility, revocability, and non-linkability.

研究动机与目标

• 解决现有哈希技术对固定长度、有序生物特征模板的依赖，此类模板不适用于如指纹纹线特征点等可变大小、无序的生物特征数据。
• 开发一种广义的哈希方法，能够在保持识别准确率的同时，保护无序且可变大小的生物特征模板。
• 基于最小化圆柱码（MCC）实现一个可撤销模板系统，确保不可逆性、可撤销性与不可关联性。
• 在标准指纹数据库（FVC2002 和 FVC2004）上评估所提方法，以实现与现有方法的公平比较。

提出的方法

• 提出 gIoM，即索引最大值（IoM）哈希的广义版本，用于处理无序且可变大小的生物特征模板。
• 通过 gIoM 将表示指纹纹线特征点的可变长度特征向量 Minutia Cylinder-Code（MCC）转换为索引域，实现基于索引的表示。
• 在应用 gIoM 操作前，对 MCC 特征向量施加基于排列的变换，以增强随机性与安全性。
• 通过使从变换后的索引表示到原始 MCC 的逆映射在计算上不可行，确保不可逆性。
• 在索引域中采用基于排名的局部敏感哈希机制，以保留用于识别的判别性信息。
• 将 gIoM 框架集成到可撤销生物特征模板系统中，支持模板撤销，并防止跨系统模板关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种广义哈希技术，以保护如指纹纹线特征点等无序且可变大小的生物特征模板？
• RQ2 在无固定长度约束的情况下，如何在数学和计算上确保变换后生物特征模板的不可逆性？
• RQ3 与现有方法相比，gIoM 表示在标准指纹数据库上的识别性能保留程度如何？
• RQ4 所提方法是否满足核心隐私属性：不可逆性、可撤销性与不可关联性？
• RQ5 gIoM 方法能否在不损害准确率或安全性的前提下，有效应用于最小化圆柱码（MCC）表示？

主要发现

• gIoM 方法成功将可变大小的最小化圆柱码（MCC）模板转换为安全的基于索引的表示，实现了可撤销模板保护。
• 从 gIoM 变换后的表示到原始 MCC 的逆映射在计算上不可行，确保了强不可逆性。
• 该方法在 FVC2002 和 FVC2004 数据库上实现了具有竞争力的识别性能，证明了生物特征效用的保留。
• 安全与隐私分析表明，gIoM 满足三大核心标准：不可逆性、可撤销性与不可关联性。
• 所提方法有效保护了无序且可变大小的生物特征模板，将基于哈希的可撤销模板应用范围从固定长度格式扩展至更广泛场景。