Dinâmica gestual com condutividade da pele: uma abordagem multimodal para autenticação biométrica

• Author(s): Sá, Vítor J.
• Date: 2014
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/34281
• Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
• Subject(s): 681.3-7; Engenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e Tecnologias
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: Portuguese
• Advisor(s): Santos, Henrique Dinis dos; Magalhães, Paulo Sérgio
• Contributor(s): Universidade do Minho

Description

Tese de doutoramento do Programa Doutoral em Tecnologias e Sistemas de Informação

Esta tese consiste num estudo de viabilidade (social e tecnológica) de uma solução de autenticação com recurso à biometria comportamental de dinâmica gestual (restringida ao gesto de apontar) e à biometria cognitiva de condutividade da pele. O problema da transmissibilidade do segredo de autenticação, seja por algo que se sabe ou por algo que se possui, tem-nos conduzido à utilização de tecnologias biométricas, em que o segredo consiste em algo que se é ou algo que se faz. No entanto, as biometrias podem sofrer do problema da replicabilidade, mesmo quando se trata de biometrias comporta mentais, o que nos leva às biometrias cognitivas. Para além disso, no controlo de acesso lógico coloca-se o problema da validade da autenticação ao longo do tempo. Este problema, por vezes denominado problema de autenticação contínua, é mais facilmente ultrapassado com recurso a sistemas multimodais, uma vez que diferentes processos de autenticação, em conjunto, podem responder de um modo mais eficiente a diferentes momentos de autenticação. A multimodalidade é ainda uma forma conveniente de dificultar a transmissibilidade/replicabilidade dos padrões biométricos. A biometria cognitiva menos intrusiva é a condutividade da pele existindo estudos recentes que parecem indicar a existência de margem e potencial para reduzir as taxas de erro que ainda lhe estão associadas. Por outro lado, a disseminação dos dispositivos móveis com interação através do toque e utilizados na mão, o permite com alguma naturalidade a utilização da dinâmica gestual, podendo ser facilmente utilizada com a condutividade da pele, levou a que fossem estas as tecnologias biométricas escolhidas. Designamos este sistema multimodal por Galvanic Pointer Dynamics (GPD). Para responder à questão de investigação sobre a viabilidade de implementar, com vantagens comparativas, uma solução do tipo GPD formularam-se seis hipóteses às quais está associado um modelo de análise dividido em dois conceitos principais: o conceito de viabilidade, com as dimensões social, tecnológica e económica; e o conceito de biometria multimodal, com as dimensões de dinâmica gestual (biometria comportamental e furtiva) e de condutividade da pele (biometria cognitiva e colaborativa). Cada dimensão é constituída por várias componentes que possuem um conjunto de indicadores, os quais traduzem o trabalho desenvolvido. A dimensão social do conceito de viabilidade foi dividida na predisposição para o enrollment e na disponibilidade para o uso. A primeira foi avaliada através de uma experiência realizada com 48 pessoas onde se pretendeu compreender o conceito de "tempo aceitável" para um processo de enrollment. A segunda foi avaliada recorrendo ao Modelo de Aceitação de Tecnologia (TAM), cujos indicadores escolhidos foram a percepção de utilidade, a facilidade de utilização e a ligação psicológica. Este estudo, realizado com abrangência nacional, foi antecedido por um estudo prévio que pretendeu avaliar o nível de conhecimento da população sobre biometrias. Perante os resultados obtidos foi decidido estudar o nível de aceitação do GPD não só da população geral, mas também de uma população mais restrita (profissionais com interesses na área da segurança). A segunda dimensão avaliada, no conceito de viabilidade, é a tecnológica, dividida nas componentes de software e de hardware. Como indicador da viabilidade tecnológica no que respeita ao software apresentamos um protótipo funcional que, enquanto prova de conceito, se limitou às questões de recolha, armazenamento e processamento da informação necessária para autenticação, sem preocupações de usabilidade. Todo o protótipo foi sujeito a uma avaliação da sua precisão enquanto processo de autenticação tendo em vista a obtenção dos valores de FAR, FRR e CER para diferentes thresholds. O algoritmo utilizado foi uma variação do algoritmo proposto por Magalhães em 2008 de forma a contemplar a multimodalidade. Para avaliação dos efeitos cognitivos da condutividade da pele foi realizada uma recolha de dados que permitiu analisar caso a caso as variações apresentadas pelas curvas de condutividade. Como indicadores da viabilidade tecnológica no que respeita ao hardware foram apresentados um projeto tridimensional de um equipamento para uso com autenticação por GPD e uma maquete, tendo sido realizados testes de usabilidade. A terceira dimensão do conceito de viabilidade é a dimensão económica, para o que foi realizado um estudo da elasticidade do preço associado à introdução de sensores de condutividade da pele em dispositivos móveis. O conceito de biometria multimodal tem como dimensões as tecnologias de autenticação por dinâmica gestual e por condutividade da pele. Ambas as dimensões são compostas pelas fases de captura de dados e de decisão relativa à autenticação. Uma vez que a plena integração destas componentes não está no âmbito deste trabalho, os indicadores relevantes são o projeto, a maquete e o protótipo apresentados anteriormente. Este trabalho permitiu chegar às seguintes conclusões, que confirmam a veracidade das seis hipóteses inicialmente colocadas: um sistema multimodal do tipo GPD é bem aceite pelos utilizadores; existe um algoritmo capaz de distinguir as alterações da condutividade da pele induzidas por um fator cognitivo; é possível integrar os sensores necessários à captura de dados relativos à condutividade da pele em dispositivos móveis existentes; é possível integrar o software multimodal do tipo GPD em dispositivos móveis com implementação atual no mercado; uma solução multimodal do tipo GPD apresenta vantagens económicas face a algumas das biometrias convencionais; e, por último, uma solução multimodal do tipo GPD apresenta vantagens face a uma solução de dinâmica gestual e face a uma solução de autenticação por condutividade da pele.

This thesis consists of a feasibility study (social and technological) of an authentication solution using the behavioural biometrics of gestural dynamics (restricted to the pointing gesture) and the cognitive biometrics of skin conductivity. The problem of transmissibility of the authentication secret, either something we know or something we own, have led us to the use of biometric technologies, in which the secret consists in something we are or something we do. However, the biometrics can suffer from the problem of replicability, even when it comes to behavioural biometrics, which Ieads to cognitive biometrics. In addition, in the logic access control arises the problem of authentication validity over time. This problem, sometimes called continuous authentication problem, is more easily overcome with the use of multimodal systems, since different authentication processes, taken together, can respond more efficiently to different times of authentication. Multimodality is also a convenient way to hinder the transmissibility/replicability of biometric patterns. The less intrusive cognitive biometrics is the skin conductivity existing recent studies that seem to indicate the existence of margin and potential to reduce error rates still associated with it. Moreover, the spread of mobile devices with touch interaction and used on the hand that allows with some naturally the use of gestural dynamics, which can be easily used with the skin conductivity, meant that these were the chosen biometric technologies. We designated this multimodal system by Galvanic Pointer Dynamics (GPD). To answer the research question about the feasibility of implementing, with comparative advantages, a solution of GPD type we formulated six hypotheses to which is associated an analysis model divided into two main concepts: the concept of feasibility, with the social, technological and economic dimensions; and the concept of multimodal biometrics, with the dimensions of gestural dynamics (behavioural and stealthy biometrics) and skin conductivity (cognitive and collaborative biometrics). Each dimension consists of several components that have a set of indicators, which reflect the developed work. The social dimension of the feasibility concept was divided in the predisposition to enrolment and the availability for use. The first was evaluated through an experiment conducted with 48 people where it was intended to understand the concept of "acceptable time" for a process of enrolment. The second was evaluated using the Technology Acceptance Model (TAM), which chosen indicators were the perceived usefulness, the ease of use and the psychological link. This study, conducted with national coverage, was preceded by a previous study that sought to assess the level of knowledge of the population about biometrics. Given the results, it was decided to study the level of acceptance of GPD not only by the general population but also by a more restricted population (professionals with interests in security). The second dimension evaluated, in the concept of feasibility, is the technological, divided into the software and hardware components. As an indicator of technological feasibility with regard to the software we presented a functional prototype that, while proof of concept, was limited to issues concerning the collection, storage and processing of information needed for authentication, without usability concerns. The entire prototype was subjected to an assessment of their accuracy while authentication process in order to obtain the values of FAR, FRR and CER for different thresholds. The algorithm used was a variation of the algorithm proposed by Magalhães in 2008 in order to consider multimodality. To evaluate the cognitive effects of skin conductivity was performed a data collection that allowed us to analyse in each case the variations presented by the conductivity curves. As indicators of technological feasibility with regard to hardware we presented a three-dimensional project of equipment for use with GPD authentication and a maquette, having been conducted usability tests. The third dimension of the concept of feasibility is the economic dimension, for which a study was made of the price elasticity associated with the introduction of skin conductivity sensors in mobile devices. The concept of multimodal biometrics authentication has as dimensions the technologies of gestural dynamics and skin conductivity. Both dimensions are composed by the phases of data capture and authentication decision. Once the full integration of these components is not in the scope of this work, the relevant indicators are the project, the maquette and the prototype presented previously. This work led to the following conclusions, which confirm the veracity of the six hypotheses initially placed: a multimodal system of GPD type is well accepted by users; there is an algorithm capable of distinguishing changes in skin conductivity induced by a cognitive factor; it is possible to integrate the necessary sensors to capture data on skin conductivity on existing mobile devices; it is possible to integrate the multimodal software of GPD type on mobile devices with current implementation in the market; a multimodal solution of GPD type presents economic advantages compared to some of the conventional biometrics; and, lastly, a multimodal solution of GPD type has advantages compared to a solution of gestural dynamics and compared with an authentication solution by skin conductivity.

Fundação para a Ciência e Tecnologia no âmbito do Programa Operacional Sociedade da Informação, referência PRAXIS XXI/BD/20095/99.