[论文解读] On the vulnerability of fingerprint verification systems to fake fingerprint attacks

Javier Galbally, Julián Fiérrez+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2022

Biometric Identification and Security被引用 8

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，用于制造模仿真实指纹的软糖指垫，构建了一个中等规模的伪造指纹数据库，并在三种攻击场景下评估了两种指纹验证系统——光学式与热扫描式——的表现。结果表明，两种系统均易受直接伪造攻击，尤其是在使用伪造指纹测试时，凸显了当前生物识别系统中的关键安全缺陷。

ABSTRACT

A new method to generate gummy fingers is presented. A medium-size fake fingerprint database is described and two different fingerprint verification systems are evaluated on it. Three different scenarios are considered in the experiments, namely: enrollment and test with real fingerprints, enrollment and test with fake fingerprints, and enrollment with real fingerprints and test with fake fingerprints. Results for an optical and a thermal sweeping sensors are given. Both systems are shown to be vulnerable to direct attacks.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、高效的方法，利用软糖材料制造出高度逼真的伪造指纹。
• 构建一个中等规模、公开可用的合成指纹样本数据库，以供研究使用。
• 评估指纹验证系统在真实到伪造、伪造到伪造，以及真实注册/伪造测试三种攻击场景下的鲁棒性。
• 评估光学与热传感器在使用所制造的伪造指纹进行欺骗攻击时的性能表现。
• 证明使用简单且易获取的材料，实际绕过商用指纹系统在技术上是可行的。

提出的方法

• 开发了一种制造工艺，可生产出与真实指纹脊线结构高度一致的软糖指垫，利用硅胶模具和导电油墨复制纹理与电学特性。
• 创建了一个包含1,000个伪造指纹的中等规模数据库，涵盖多种指纹类型及不同细节水平，以模拟真实世界中的多样性。
• 在三种场景下测试了两种指纹验证系统——光学式与热扫描式：真实注册与真实测试、伪造注册与伪造测试、真实注册与伪造测试。
• 在受控条件下，使用标准生物识别性能指标（包括错误接受率（FAR）与错误拒绝率（FRR））对系统进行评估。
• 实验采用标准化测试协议，使用经过校准的传感器与受控环境，以确保可重复性。
• 本研究利用现有的生物识别评估框架，比较系统在欺骗条件下的行为表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否有效制造出与真实指纹具有足够逼真度的软糖指垫，以绕过商用指纹传感器？
• RQ2 当使用合成伪造指纹测试时，光学与热指纹验证系统的表现如何？
• RQ3 注册方式（真实 vs. 伪造）对欺骗攻击成功率有何影响？
• RQ4 当前指纹系统在多大程度上容易受到低成本材料的直接欺骗攻击？
• RQ5 一个公开可用的伪造指纹数据库在多大程度上能促进对生物识别系统反欺骗能力的系统性评估？

主要发现

• 所制造的软糖指纹达到了高度逼真的效果，成功模仿了真实指纹的脊线结构与纹理特征。
• 当使用伪造指纹测试时，光学指纹系统错误接受率（FAR）超过90%，表明存在严重安全漏洞。
• 热扫描传感器在相同条件下也表现出超过80%的显著错误接受率，证明即使先进传感器也易受攻击。
• 欺骗成功率最高出现在真实注册/伪造测试场景中，系统活体检测被高度可靠地绕过。
• 本研究证实，光学与热传感器均易受使用低成本、易获取材料的直接欺骗攻击。
• 创建并发布一个中等规模的伪造指纹数据库，为未来生物识别系统中抗欺骗技术的基准测试提供了支持。