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  • 9. Juli 2008, Neue Zürcher Zeitung

    Gesichter treffsicher erkennen

    Gesichter treffsicher erkennen

    Fehlerfreie Interpretation und sichere Speicherung als Knackpunkte der biometrischen Technik

    Im Computer dreidimensional simulierte Gesichtszüge von Tom Hanks. (Bild: Volker Blanz / Thomas Vetter / Universität Basel)
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    Im Rahmen biometrischer Identitätskontrollen spielt die Gesichtserkennung eine immer grössere Rolle. Die entsprechenden Systeme haben in den letzten Jahren deutliche Fortschritte gemacht. Sowohl die Trefferquote als auch die Datensicherheit müssen allerdings noch verbessert werden, bevor die Technik als ausgereift gelten kann.

    Tim Schröder

    Ab 2010 werden auch in der Schweiz nur noch elektronische Pässe ausgestellt, auf deren winzigem Funkchip zwei Fingerabdrücke sowie eine digitale Passfoto des Besitzers gespeichert sind. Denn die Behörden vieler Länder, allen voran die amerikanische Regierung, drängen darauf, biometrische Verfahren bei der Einreisekontrolle stärker zu nutzen. Dabei stützt man sich auf fälschungssichere, individuelle Charakteristika des Menschen, zu denen neben dem Fingerabdruck auch das Gesicht gehört. Erste Länder betreiben biometrische Grenzkontrollen bereits im Alltagseinsatz – Beispiele sind Flughäfen in den USA, Australien und der portugiesische Flughafen Faro. Hier müssen sich Reisende mit elektronischem Pass schon heute durch das Auflegen des Fingers oder mit einem Blick in die Kamera als rechtmässiger Passbesitzer ausweisen. Der Computer gleicht das Bild der Kamera dann mit dem digitalen Passbild ab. Andere Nationen sind zögerlicher. Sie warten die Resultate grosser Feldversuche ab, in denen die biometrischen Systeme zeigen sollen, ob sie wirklich etwas taugen. Ein gutes Dutzend solcher Untersuchungen wurden in den vergangenen fünf Jahren bereits durchgeführt – auch im Stadion Bern oder an den Flughäfen in Zürich und Frankfurt am Main –, und in Grossbritannien beginnt diesen Sommer ein weiterer Grossversuch. Bis jetzt sind die Erfahrungen grundsätzlich gut: Die Erkennung des Fingerabdrucks funktioniert nahezu perfekt, an der Treffsicherheit der Gesichtserkennungssysteme muss indes noch gearbeitet werden.

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    Starke Verbesserung der Trefferquote

    Bewertet werden die Gesichtserkennungssysteme alle paar Jahre in einer Art Meisterschaft, dem Face Recognition Vendor Test. Zu diesem wichtigen internationalen Wettbewerb lädt Jonathon Phillips vom amerikanischen National Institute of Standards and Technology jeweils Fachleute aus Hochschulen und Unternehmen ein. Wer etwas auf sich hält, schickt Phillips seine neuste Analyse-Software zu und hofft darauf, dass die eigenen Rechenvorschriften, die eigenen Algorithmen, am besten abschneiden. Die Resultate des letzten Tests aus dem vergangenen Jahr zeigen, dass sich Gesichtserkennungssysteme in den vergangenen Jahren rasend schnell weiterentwickelt haben – und dies nicht nur vereinzelt, sondern auf breiter Front.

    Das Mass aller Dinge sind dabei zwei Parameter, die «false accept rate» und die «false reject rate». Erstere besagt, wie oft ein unberechtigter Eindringling vom System irrtümlich akzeptiert und durchgelassen wird. Letztere gibt an, wie oft ein autorisierter Nutzer nicht richtig erkannt und vom biometrischen System fälschlich abgewiesen wird. Die beiden Messgrössen sind Gegenspieler: Stellt man das System besonders scharf ein, damit möglichst jeder Unberechtigte abgewiesen wird, steigt automatisch die «false reject rate», weil dann schon Pickel oder Kratzer im Gesicht dazu führen, dass der Computer das eigentlich bekannte Porträt als fremd einstuft. Wer Gesichtserkennungssysteme miteinander vergleichen will, misst die «false reject rate» daher stets bei einer vorgegebenen «false accept rate». Doch nicht nur Hautunreinheiten verwirren bis heute die Gesichtserkennungssysteme. Die Automaten vertun sich auch dann, wenn eine Person an der Passkontrolle schlecht ausgeleuchtet ist, den Kopf schräg hält oder lächelt, wie Andrzej Drygajlo erklärt, ein Biometrie-Experte von der ETH Lausanne. Reisende müssen deshalb mit ernstem Gesicht direkt in die Kamera schauen. Derzeit steht ihnen ausserdem meist noch ein Beamter zur Seite, der die Kontrolle übernimmt, wenn der Gesichts-Scanner trotzdem versagt.

    Dort, wo biometrische Einreisekontrollen heute schon Alltag sind, werden fast immer zweidimensionale Systeme eingesetzt, die das Gesicht des Reisenden ablichten und die Digitalfoto anschliessend mit dem Passbild vergleichen. Die Apparate sollten unter genau definierten Bedingungen eingesetzt werden, beispielsweise bei optimaler Beleuchtung. In einem solchen Fall erreicht die Bildanalyse-Software tatsächlich passable Werte für die «false reject rate» und die «false accept rate». Wie der Bochumer Branchenexperte Stefan Gehlen erläutert, erzielten beim letzten Face Recognition Vendor Test die besten Systeme bei niedriger «false accept rate» eine «false reject rate» von nur noch 1 Prozent, das entspricht einer Falschmeldung unter 100 Gesichts-Scans. Vor zehn Jahren betrug der Wert noch 54 Prozent, was 54 ungerechtfertigten Verweisen entspricht.

    Doch wenn die vollautomatische, zeitsparende Passkontrolle Realität werden soll, wird das nicht reichen. Drygajlo setzt deshalb auf multimodale Systeme, bei denen mehrere biometrische Merkmale – das Gesicht, der Fingerabdruck und ausserdem zum Beispiel das Muster der Iris – kombiniert werden. Alle Merkmale zusammen dürften die Trefferquote nahe an die 100 Prozent treiben und die «false reject rate» gegen null. Auch Drygajlo weiss aber, dass der Widerstand gegen die Einführung weiterer biometrischer Merkmale gross ist. Weil der Chip im Pass die Daten per Funk übermittelt, fürchten Biometrie-Gegner, dass Kriminelle die sensible Individual-Information unbemerkt abhören und missbrauchen könnten – auch wenn der Funkchip nur eine Reichweite von unter einem Meter hat. Die Daten seien bis anhin in der Tat zu schlecht geschützt, sagt Drygajlo. Für ihn liegt das vor allem daran, dass die Behörden, getrieben durch den Schrecken des 11. September, überstürzt auf biometrische Systeme gesetzt haben. Normalerweise werde erst eine Technologie entwickelt und dann entwickle sich der Markt, sagt er. In diesem Falle aber hinke die Technik hinter den Forderungen der Behörden her.

    Wie ein sicheres multimodales Biometriesystem in der Zukunft aussehen könnte, untersucht Drygajlo jetzt gemeinsam mit anderen Experten und mit Unternehmen im europäischen Projekt «Cost 2101». Ein Problem, das sie dabei bedenken müssen, ist, dass unbeobachtete Betrüger das System mit einer vor die Kamera gehaltenen Foto überlisten könnten. Besserung erhofft man sich von neuen dreidimensionalen Scannern, die seit etwa zwei Jahren auf dem Markt sind. Die 3-D-Algorithmen lassen sich nicht durch zweidimensionale Bilder täuschen. Zudem muss der Kunde den Kopf nicht unbedingt gerade halten; die Geräte kommen auch mit Halbprofilen zurecht. Bis jetzt setzen allerdings nur Privatunternehmen 3-D-Scanner ein – zum Beispiel der Tabakkonzern Philip Morris International in seinem neuen Verwaltungsgebäude in Lausanne oder die Bank Pictet & Cie in Genf. Die Mitarbeiter benutzen das Biometriesystem tagtäglich und können sich daran gewöhnen.

    Wie die 3-D-Scanner dagegen mit ungeschulten Menschenmassen an Flughäfen zurechtkommen, soll jetzt eines der ersten Projekte dieser Art weltweit zeigen: das europäische Projekt «3-D-Face», an dem die Flughäfen Berlin Schönefeld und Salzburg sowie verschiedene Hochschulen und Firmen beteiligt sind. Sicher ist schon jetzt, dass auch die 3-D-Systeme ihre Schwächen haben. Viele moderne 3-D-Scanner belichten das Gesicht mit einem Linienmuster, das von einer Kamera aufgenommen wird. Aus dem durch Nase oder Wange erzeugten Beugungsmuster der Linien kann der Computer dann auf die Gesichtsform schliessen. Der Nachteil daran ist, dass Wange und Nase im Halbprofil Schatten werfen. Im Zweifelsfalle erkennt der Algorithmus das Gesicht nicht: Zugang verweigert.

    Bessere Erkennung dank Gitternetz

    Um solche Probleme zu umschiffen, gehen manche Firmen einen alternativen Weg. Sie überziehen die fotografierten Gesichter mit einem Gitternetz. An jedem Kreuzungspunkt bestimmt das Programm anhand der Fotos charakteristische Werte – etwa Helligkeiten oder Kontraste. Anschliessend legt die Software das Foto-Gitternetz über das im Pass gespeicherte Referenzbild. Der Computer verschiebt das Gitternetz auf dem Referenz-Gesicht so lange, bis die aktuellen Messwerte mit den gespeicherten möglichst deckungsgleich sind. Der Vorteil besteht darin, dass das Verschieben der Gitter auch bei Schrägaufnahmen funktioniert. Allerdings wird auch dieses System durch schlechte Beleuchtung verwirrt.

    Von diesen störenden Licht- und Schattenspielen will sich der Informatiker Volker Blanz von der Universität Siegen unabhängig machen. Er konstruiert stattdessen aus den Fotos eines Probanden ein künstliches Gesicht. Das Programm übersetzt dabei Oberflächeneigenschaften wie die Struktur der Haut in Zahlenwerte, die gespeicherten Erfahrungswerten aus früheren Analysen von Gesichtern anderer Personen entsprechen. Überspitzt formuliert bestehe die Oberfläche des neu generierten Gesichts aus einem Drittel Herr Müller, einem Achtel Herr Schmid, einem Fünftel Herr Meier und so weiter, sagt Blanz. Ist die Aufnahme eines Probanden nicht gut ausgeleuchtet, kann das Programm anhand des künstlichen Gesichts berechnen, wie dessen Oberfläche in einem bestimmten Winkel aussehen sollte. So rechnet es störende Lichteffekte einfach weg. Faszinierend ist auch, dass das Programm dank seinen «Erfahrungswerten» sogar 2-D-Aufnahmen in 3-D-Konstrukte wandeln kann. Die Trefferquote ist sehr gut, der Nachteil ist allerdings, dass Blanz vor der Analyse auf der Aufnahme bis anhin noch kennzeichnen muss, wo Mund, Nase und Augen des Probanden liegen, damit das System funktioniert.

    Einen Schritt weiter geht der Informatiker Thomas Vetter von der Universität Basel, der Doktorvater von Blanz: Sein System erfasst zusätzlich Gesichtsmerkmale wie Leberflecken und Narben. Untersuchungen zeigen, dass etwa 80 Prozent der Erwachsenen eine solche individuelle Marke besitzen. Dadurch werde die computergestützte Erkennung noch einmal deutlich verbessert, sagt Vetter.

    Das Problem der Datensicherung

    Gesichtserkennungssysteme werden also laufend verfeinert. Doch selbst die ausgefeiltesten Analyse-Programme werden die Kritiker nicht beruhigen können, solange nicht klar ist, ob die Daten sicher verwahrt werden können. Für gewöhnlich wandelt ein Biometriesystem die Messwerte eines Gesichts-Scans oder eines Fingerabdrucks um in ein sogenanntes Template, eine Art Zahlencode. Entwendet jemand dieses Template, könnte er sich damit Zugang zu verschiedensten Sicherheitssystemen verschaffen – dem per Fingerabdruck gesicherten Laptop, dem Büro oder dem Bankkonto. Anders als eine Kreditkarte oder eine PIN ist ein biometrisches Template unersetzbar. Einmal in falschen Händen, so fürchten Biometrie-Gegner, könnte es immer wieder missbraucht werden.

    Einer, der dieses Problem zu lösen versucht, ist Alexander Nouak vom Fraunhofer-Institut für Grafische Datenverarbeitung in Darmstadt. Er entwickelt derzeit ein Verfahren, mit dem sich die Biometrie-Datensätze verschlüsseln lassen. Mit einer mathematischen «Hash-Funktion» verwandelt er das Template in einen undefinierbaren Zahlensalat, aus dem ein Angreifer nicht mehr auf das Ursprungs-Template zurückschliessen kann. Nur das autorisierte System, die Zollstation oder die Bank kennt diese «Hash-Funktion». Für jede neue Anwendung kommt eine neue «Hash-Funktion» zum Einsatz, und der Forscher verschlüsselt das Template zusätzlich als doppelte Sicherung mit einem Zufallscode. Nouak ist deshalb überzeugt, dass es in nächster Zeit tatsächlich gelingt, sichere biometrische Systeme zu entwickeln und so Missbräuche zu vermeiden.

     


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