Ein Fingerabdruck, der unter die Haut geht

Der Fingerabdruck ist in den vergangenen Jahren immer mehr in unseren Alltag vorgedrungen. Mittlerweile haben viele Smartphones und Laptops einen Fingerabdruckscanner, der den Zugriff auf das Gerät einschränkt, und auch moderne Ausweispapiere speichern dieses biometrische Merkmal. An der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (HS-BRS) entwickeln Biometrie-Experten im Projekt 3D-Finger nun ein Gerät, das dreidimensionale Fingerabdrücke aufnehmen kann. Weil es dabei auch tieferliegende Hautstrukturen registriert, können die 3D-Abdrücke kaum gefälscht werden.

Der Fingerabdruck ist das älteste und bekannteste biometrische Merkmal: Vermutlich wurde er schon im 7. Jahrhundert im chinesischen Kaiserreich als unverwechselbare Unterschrift verwendet. Im Jahr 1888 konnte der Naturforscher Sir Francis Galton dann den wissenschaftlichen Beweis erbringen, dass das Muster der Papillarlinien auf der Fingerkuppe bei jedem Menschen individuell ist.

Ein blau eingefärbter, dreidimensionaler Fingerabdruck vor schwarzem Hintergrund

Ein dreidimensionaler Fingerabdruck aus dem OCT-Scanner der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg.

H-BRS / Kirfel

Lange Zeit hat diese Erkenntnis jedoch fast nur in der Kriminaltechnik eine Rolle gespielt, denn die Abdrücke mussten mittels Tinte von der Fingerkuppe auf Papier übertragen und dann mühsam von Hand verglichen werden. Für den großflächigen Einsatz im Alltag war dieses Verfahren viel zu langsam und aufwändig.

Mit zunehmender Digitalisierung und wachsender Rechnerkapazität hat sich das grundlegend geändert. Einen Fingerabdruck zu scannen und ihn mit einem gespeicherten Abdruck oder sogar einer ganzen Datenbank abzugleichen, das geht inzwischen innerhalb von Sekunden – kein Wunder also, dass sich immer mehr Anwendungen für die Nutzung von Fingerabdrücken aufgetan haben, von der Einreisekontrolle an Ländergrenzen bis zur Zugangskontrolle bei Veranstaltungen.

Je mehr Anwendungen, desto mehr Fälschungsversuche

Wie so häufig steigt jedoch mit der Zahl der Anwendungen auch die Zahl der kreativen Versuche, eine Technik zu umgehen: „Beim Fingerabdruck reichen die Überwindungsversuche von der Herstellung dünner Fake-Abdrücke aus Silikon über das Abfeilen der Papillen bis hin zur kompletten Hauttransplantation an den Fingerkuppen“, sagt Prof. Dr. Norbert Jung. Der Informatiker leitet an der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg das Institut für Sicherheitsforschung und befasst sich seit langem beruflich mit solchen Tricks. Sein Ziel: Techniken zu entwickeln, die zumindest die bekanntesten Fälschungen von biometrischen Merkmalen unmöglich machen.

In ihrem aktuellen Projekt 3D-Finger wollen Norbert Jung und sein Team dem Fingerabdruck eine dritte Dimension verleihen. Dazu nutzen sie eine Technik, wie sie auch Augenärzte und Hautärzte oft im Einsatz haben: die optische Kohärenztomografie, kurz OCT. Der OCT-Scanner kann etwa zwei Millimeter tief in die Haut schauen und damit auch Strukturen abbilden, die unter der äußersten Hautschicht liegen.

Optische Kohärenztomografie (OCT)

OCT ist das optische Pendant zur Ultraschalltechnik: Anstatt Schallwellen kommen hier Lichtwellen zum Einsatz. Dabei nutzt man aus, dass das Licht einige Millimeter weit ins Gewebe eindringt und dort je nach Gewebetyp unterschiedlich zurückgestreut wird. Die zurückkehrenden Lichtsignale werden mit „ungestreutem“ Licht aus einer Referenzmessung überlagert und von einem Detektor aufgefangen. Das Gewebe wird dabei punktweise abgetastet, und aus den Unterschieden zwischen dem gestreuten Licht und dem Referenzlicht errechnet das System ein Abbild des Gewebes. Je nach Art des OCT-Geräts werden Lichtwellen von etwa 800 bis 1400 Nanometern Wellenlänge eingesetzt. Diese liegen knapp außerhalb des sichtbaren Spektrums im Bereich der Infrarotstrahlung und sind somit völlig ungefährlich, auch für einen breiten Alltagseinsatz der Methode.

Alexander Kirfel, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Projekt, erklärt die Idee dahinter: „Die Strukturen in den unteren Hautschichten folgen denen in der oberen Schicht. Es gibt also sozusagen einen äußeren und einen inneren Fingerabdruck, die sich sehr ähnlich sind.“ Diese Erkenntnis ist für das Projekt allerdings Fluch und Segen zugleich: Einerseits macht diese Dopplung Fälschungen schwierig, weil man mit der OCT-Technik leicht nachweisen kann, wenn innerer und äußerer Abdruck nicht zusammenpassen. Andererseits wäre ein abweichender innerer Abdruck aber noch ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor: Eine unverwechselbare Kombination aus zwei unterschiedlichen Merkmalen ist schwerer nachzuahmen als eine Kombination aus zwei übereinstimmenden Merkmalen. „Wir hatten anfangs gehofft, dass die Unterschiede größer sind“, meint Kirfel.

Scannen und rechnen in unter zehn Sekunden

Der junge Wissenschaftler hat sich jedoch nicht entmutigen lassen und in den letzten Monaten unbeirrt die Algorithmen entwickelt, die die OCT-Aufnahmen zu einem Bild verarbeiten. Die OCT-Technik selber weiterzuentwickeln, sei hingegen nicht das Ziel des Vorhabens, erklärt Projektleiter Jung: Dass der 3D-Fingerabdruck im Prinzip funktioniert, wurde bereits in einem Vorläuferprojekt beim Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) gezeigt. „Dort war noch ein selbstgebautes OCT im Einsatz, aber wir verwenden ein mittlerweile fast handelsübliches Gerät mit einer Wellenlänge von 1300 Nanometern, wie es auch Hautärzte nutzen.“

Dem Team der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg geht es schließlich nicht mehr um Grundlagenforschung: 3D-Finger ist schon sehr nah dran an der konkreten Anwendung, das Projektziel ist ein funktionsfähiger Prototyp, der die hohen Anforderungen der künftigen Abnehmer erfüllt. Ein schneller 3D-Fingerabdruckscanner könnte zum Beispiel in vollautomatischen Kiosk-Systemen an Flughäfen eingesetzt werden, um große Zahlen Einreisender in kurzer Zeit abzufertigen. Dafür muss der Scanner aber zugleich schnell und kostengünstig genug sein, um mit den bestehenden Systemen konkurrieren zu können.

„Die Zielvorgabe unserer Praxispartner für die Scangeschwindigkeit liegt bei maximal zehn Sekunden – inklusive Datenauswertung“, sagt Kirfel. Das ist ein ambitioniertes Ziel, aber nicht unerreichbar: Aktuell dauert ein Scan von 109 Voxeln (also je tausend „Bildpunkte“ in Höhe, Breite und Tiefe) etwa sieben bis acht Sekunden. Die verbleibenden zwei Sekunden für die Auswertung erreichen die Wissenschaftler bereits, indem sie mehrere Grafikkarten parallel rechnen lassen.

Feldversuche mit dem Fälscherkoffer

Die Zeitvorgabe ist also erfüllt, aber trotzdem hat das Projektteam noch eine Menge Arbeit vor sich. Nach der Entwicklung der Algorithmen stehen als nächstes Feldversuche auf dem Programm. „Um eine biometrische Methode fälschungssicher zu machen, muss man sie natürlich an möglichst vielen unterschiedlichen Fälschungen testen“, sagt Norbert Jung. Dank ihrer Erfahrungen in diesem Bereich und der langjährigen Zusammenarbeit mit dem BSI können die Wissenschaftler inzwischen auf eine Art „Fälscherkoffer“ (eine Toolbox mit verschiedensten Fakes) zugreifen und sich so durch die verschiedensten Überwindungsmethoden für Fingerabdrücke testen. Dass OCT-Scanner auf einfache Silikonabdrücke nicht hereinfallen, können sie aber jetzt schon sagen: Die Silikonschicht falle im Scan sofort als „dritter Abdruck“ auf, so Jung.

Während die anstehenden Feldversuche das System gegen Angriffe von außen sichern, muss natürlich auch die Software vor Eindringlingen geschützt werden. „Die größte Fälschungssicherheit bringt schließlich nichts, wenn dann Hacker die gespeicherten Abdrücke stehlen und diese Daten missbrauchen“, führt Norbert Jung aus. Eines der Arbeitspakete befasst sich daher mit der Template Protection, einem Verfahren zur sicheren Verschlüsselung der Fingerabdruck-Daten.

Berührungsloser Scan mit vielen Vorteilen

Und noch eine weitere wichtige Aufgabe haben die Forscher auf dem Zettel: die Abwärtskompatibilität zu bereits vorhandenen 2D-Fingerabdrücken. Zwischen derzeitigen Fingerabdruckscannern und dem neuen Verfahren gibt es nämlich einen wichtigen Unterschied. Bei der Erfassung von 2D-Abdrücken wird der Finger auf die Scannerfläche aufgelegt und dabei mehr oder weniger plattgedrückt. Der 3D-Scanner dagegen arbeitet mit einem schwebenden Verfahren, die Fingerkuppe wird aus einer Entfernung von einigen Millimetern berührungslos gescannt.

„Der schwebende Scan hat für uns viele Vorteile“, erläutert Kirfel: „Man kann einen größeren Merkmalsraum erfassen, der Abdruck wird deutlicher, und Fälschungen sind leichter zu erkennen als beim Auflegen.“ Der Nachteil ist jedoch, dass die Software die Unterschiede zwischen 3D- und 2D-Abdruck und den räumlichen Faktor herausrechnen muss, um alte und neue Abdrücke vergleichen zu können.

In einigen Jahren, so hofft das Projektteam, könnten die ersten Kiosk-Systeme für Grenzkontrollen oder auch Einwohnermeldeämter bereitstehen. Selbst bei Großveranstaltungen könnte der 3D-Scanner die Zugangskontrollen ergänzen. Dann brauchen Fälscher und Trickser eine Menge neuer kreativer Ideen, um die Kontrollen zu umgehen – und Norbert Jung und sein Team werden sich neue Wege einfallen lassen, um das zu verhindern.