[论文解读] Enabling Fingerprint Presentation Attacks: Fake Fingerprint Fabrication Techniques and Recognition Performance

Christof Kauba, Luca Debiasi+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2020

Biometric Identification and Security参考文献 17被引用 5

一句话总结

本文评估了五款商用指纹扫描仪在使用低成本仿制指纹材料（如乳胶、硅胶和胶水）时对呈现攻击的脆弱性。结果表明，除一款主动电容式扫描仪（IB Columbo）外，其余所有扫描仪均可被欺骗，匹配得分超过50（表明欺骗成功），凸显了尽管已采取防欺骗措施，物理欺骗攻击仍构成持续威胁。

ABSTRACT

Fake fingerprint representation pose a severe threat for fingerprint based authentication systems. Despite advances in presentation attack detection technologies, which are often integrated directly into the fingerprint scanner devices, many fingerprint scanners are still susceptible to presentation attacks using physical fake fingerprint representation. In this work we evaluate five different commercial-off-the-shelf fingerprint scanners based on different sensing technologies, including optical, optical multispectral, passive capacitive, active capacitive and thermal regarding their susceptibility to presentation attacks using fake fingerprint representations. Several different materials to create the fake representation are tested and evaluated, including wax, cast, latex, silicone, different types of glue, window colours, modelling clay, etc. The quantitative evaluation includes assessing the fingerprint quality of the samples captured from the fake representations as well as comparison experiments where the achieved matching scores of the fake representations against the corresponding real fingerprints indicate the effectiveness of the fake representations. Our results confirmed that all except one of the tested devices are susceptible to at least one type/material of fake fingerprint representations.

研究动机与目标

• 评估商用指纹扫描仪在使用自制仿制指纹进行物理呈现攻击时的脆弱性。
• 评估多种低成本材料（如乳胶、硅胶和胶水）在制作可绕过扫描仪检测的仿制指纹方面的有效性。
• 通过标准匹配器测量仿制指纹与真实指纹之间的匹配得分，量化欺骗尝试的成功程度。
• 识别哪种指纹传感技术（光学、电容式、热成像、多光谱）最易受到欺骗。
• 提供实证证据，表明即使配备内置呈现攻击检测（PAD）功能的扫描仪，仍可被简单材料成功欺骗。

提出的方法

• 使用五种材料（蜂蜡、铸模材料（Fimo/Cernit）、乳胶、硅胶和窗膜颜料）制作仿制指纹，并在表面涂抹石墨粉以增强对电容式传感器的欺骗效果。
• 从五款商用扫描仪采集指纹样本：Lumidigm V311（多光谱）、Realscan G1（光学）、IB Columbo（主动电容式）、Verifi P5000（被动电容式）和NB-3010-U（热成像）。
• 通过评估指纹图像质量，衡量仿制指纹在物理还原度上的表现。
• 使用Neurotechnology Verifinger指纹匹配器进行匹配实验，将仿制指纹与真实模板进行比对。
• 匹配得分范围为0–2000，得分>50表示欺骗成功（超过典型真实匹配阈值）。
• 针对每台扫描仪和每位用户，选取并突出显示表现最佳的欺骗尝试，重点为最高匹配得分。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些商用指纹扫描仪对使用低成本仿制指纹材料的呈现攻击具有脆弱性？
• RQ2 乳胶、硅胶和窗膜颜料等不同材料在制作可逃避扫描仪检测的仿制指纹方面的有效性如何？
• RQ3 不同类型的扫描仪中，仿制指纹与真实指纹的匹配得分表现如何？
• RQ4 商用扫描仪中内置的呈现攻击检测机制在面对简单欺骗技术时，其失效程度如何？
• RQ5 哪种指纹传感技术最具抗欺骗能力，原因是什么？

主要发现

• 除主动电容式扫描仪IB Columbo外，所有测试的指纹扫描仪均被成功欺骗，至少存在一次欺骗尝试的匹配得分超过50。
• 尽管设计用于抗欺骗，多光谱Lumidigm V311扫描仪却是最容易被欺骗的，其单个仿制指纹的匹配得分高达188。
• 被动电容式Verifi P5000扫描仪比光学和热成像扫描仪更具抗性，但仍被成功欺骗，最高得分为186。
• 主动电容式IB Columbo扫描仪是唯一未被成功欺骗的设备，所有尝试的匹配得分均未超过50。
• 最有效的欺骗方法是结合Fimo/Cernit模具、天然乳胶和一层薄薄的石墨粉，显著提升了对电容式传感器的欺骗效果。
• 即使配备内置PAD的Suprema Realscan G1扫描仪也成功被欺骗，匹配得分高达186，表明硬件检测并非万无一失。