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Robustez de los sistemas biométricos de firma dinámica, frente a ataques fraudulentos

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Publication date
2022-02
Defense date
2022-03-23
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La presente tesis doctoral surge con el interés de desarrollar nuevos mecanismos que proporcionen mayor robustez a los sistemas de reconocimiento biométrico de firma manuscrita dinámica. Para ello, se desarrollan dos grandes experimentos. El primero de ellos propone una metodología para la evaluación de la robustez de estos sistemas contra falsificaciones, haciendo especial énfasis en la viabilidad de estos ataques cuando son realizados bajo un ambiente operacional. Este experimento abarca, además, el desarrollo de una plataforma de trabajo que permite la recolección y almacenamiento de las muestras, en este caso firmas manuscritas, utilizando como dispositivos de captura tanto las tabletas graficas conectadas a un ordenador, como dispositivos móviles con pantalla táctil como smartphones o tabletas. La plataforma de trabajo desarrollada describe 11 niveles de entrenamiento a falsificadores de firmas manuscritas, donde cada nivel representa el conocimiento que tiene el falsificador acerca de la firma que va a falsificar. El desarrollo de esta plataforma ha permitido la recolección de una base de datos de más de 17.000 firmas falsificadas, las cuales han sido utilizadas para poner a prueba la metodología propuesta en el experimento 1. Se realiza una evaluación de robustez de un sistema biométrico de firma manuscrita dinámica, empleando algoritmos basados en la técnica de alineamiento dinámico temporal DTW (Dynamic Time Warping). Especialmente este experimento, toma como punto de partida, algunos desarrollos previos, realizados sobre la versión clásica del algoritmo DTW [1], y además se trabaja con una base de datos de firmas genuinas adquiridas con una tableta gráfica Wacom STU-500, las cuales se utilizan como referencia en la plataforma de trabajo desarrollada. Los resultados obtenidos de este primer experimento muestran la validez de la metodología propuesta para evaluar la robustez de un sistema de reconocimiento biométrico de firma manuscrita dinámica, y además permiten descubrir algunas vulnerabilidades de esta modalidad biométrica, las cuales serán la base para el desarrollo del experimento 2 de esta Tesis Doctoral. Este segundo experimento propone la implementación de algunos mecanismos para la detección de ataques de presentación o PAD (Presentation Attack Detection), desarrollados en función de algunas de las vulnerabilidades encontradas previamente durante el experimento uno. Específicamente, estas vulnerabilidades están relacionadas con algunas características dinámicas de la firma manuscrita como lo son: la cantidad de trazos de la firma, el tiempo de duración total de la firma, y el tiempo mientras el lápiz está apoyado en la pantalla durante la ejecución de la firma. De este modo cada vez que el sistema reciba una firma para su reconocimiento, deberá pasar en primer lugar, por el mecanismo PAD para validar si la firma cumple con la restricción impuesta por la característica dinámica respectiva, y de no ser así, el sistema tendrá que ser capaz de detectar la firma como un ataque, clasificándola de manera inmediata, como una falsificación, y descartándola. Con este segundo experimento, se realiza una nueva evaluación, donde se muestra una importante mejora en el rendimiento de estos sistemas biométricos. Se puede comprobar que las tasas de error del sistema (porcentajes de Equal Error Rates %EER) disminuyen desde un 20% aproximadamente, obtenido sin la aplicación de ningún PAD (experimento 1), hasta un 3% aproximadamente, con la aplicación de los PADs propuestos durante el experimento 2 y bajo condiciones operacionales. Con esto se demuestra que la investigación ha sido satisfactoria y con ella se ha logrado dar un paso más en la robustez de los sistemas biométricos como sistemas de identificación seguros.
This doctoral thesis arises with the interest of developing new mechanisms that provide greater robustness to biometric recognition systems for dynamic handwritten signature. For this, two large experiments are developed. The first of them proposes a methodology for robustness evaluation of these system against forgeries, with special emphasis on the viability of these attacks when they are carried out under an operational environment. This experiment also includes the development of a toolbox that allows the collection and storage of samples, in this case handwritten signatures, using as capture devices both graphic tablets connected to a computer, as well as mobile devices with a touch screen such as smartphones or tablets. The developed toolbox describes 11 levels of training for forgers of handwritten signatures, where each level represents the knowledge that the forger has about the signature to be forged. The development of this platform has allowed the collection of a database of more than 17,000 forged signatures, which have been used to test the methodology proposed in experiment 1. A robustness evaluation of a dynamic handwritten signature biometric system, is carried out, using algorithms based on the DTW (Dynamic Time Warping). Especially, this experiment, takes as a starting point, some previous developments, carried out on the classic version of the DTW algorithm [1], and works with a database of genuine signatures acquired with a Wacom STU-500 graphic tablet, which They are used as a reference in the developed toolbox. The results obtained from this first experiment show the validity of the proposed methodology to evaluate the robustness of a dynamic handwritten signature biometric recognition system, and also allow discovering some vulnerabilities of this biometric modality, which will be the basis for the development of the experiment. 2 of this Doctoral Thesis. This second experiment proposes the implementation of some mechanisms for the Presentation Attacks Detection or PAD, developed based on some of the vulnerabilities previously found during experiment one. Specifically, these vulnerabilities are related to some dynamic characteristics of the handwritten signature such as: the number of strokes of the signature, the total duration time of the signature, and the time while the pen tip is touching the screen during the execution of the signature. In this way, each time the system receives a signature for verification, it must first go through the PAD mechanism to validate if the signature complies with the restriction imposed by the respective dynamic characteristic, and if not, the system should be able to detect the signature as an attack, immediately classifying it as a forgery, and discarding it. With this second experiment, a new evaluation is carried out, which shows a significant improvement in the performance of these biometric systems. This study proves that the system error rates (percentages of Equal Error Rates% EER) decrease from approximately 20%, obtained without the application of any PAD (experiment 1), to approximately 3%, with the application of PADs proposed during experiment 2 and under operational conditions. This shows that the research has been satisfactory and it’s possible to take a further step in the robustness of biometric systems as secure identification systems.
Description
Keywords
Biometric recognition, Handwritten signature, Robustness evaluation, Dynamic Time Warping (DTW), Reconocimiento biométrico, Firma manuscrita dinámica, Alineación temporal dinámica
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