Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur biometrischen Zugangskontrolle
vorzuschlagen, welche zum einen eine hohe Fälschungssicherheit und zum
anderen Nutzerakzeptanz aufgrund einfacher Handhabbarkeit bieten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren
zur biometrischen Zugangskontrolle mit den Merkmalen nach Anspruch
1 und durch eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen nach
Anspruch 18 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den abhängigen
Ansprüchen.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung
beruht darauf, als biometrisches Merkmal mindestens ein charakteristisches
Merkmal der Bewegung insbesondere des Ganges eines Lebewesens zumindest teilweise
auszuwerten. Anders ausgedrückt
wird mit der Erfindung der Gang oder genauer gesagt das Gangverhalten
eines Lebewesens, vorzugsweise eines Menschen, für eine biometrische Zugangskontrolle
ausgewertet. Es hat sich herausgestellt, dass der Gang eines Lebewesens
als biometrisches Merkmal in etwa die gleiche Sicherheit vor Fälschungen oder
Täuschungen
wie beispielsweise die dynamische Handschriftenerkennung bietet.
Durch eine zumindest teilweise Auswertung der Bewegung eines Lebewesens
können
daher charakteristische Informationen über das Lebewesen ermittelt
werden, die für
eine biometrische Zugangskontrolle vorteilhaft eingesetzt werden
können.
Vorzugsweise umfasst das mindestens
eine charakteristische Merkmal die Geschwindigkeit des Lebewesens,
die Beschleunigung aus einer Ruheposition des Lebewesens, die Richtung
von Schritten des Lebewesens, die Schrittgeschwindigkeit und/oder
die Schrittfrequenz des Lebewesens. All diese Faktoren können zur
Auswertung als charakteristisches Merkmal der Bewegung des Lebewesens herangezogen
werden, insbesondere da aus ihnen Daten zur automatischen Verarbeitung
abgeleitet werden können.
Das mindestens eine charakteristische Merkmal
wird in einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung mit mindestens einem Sensor am Lebewesen gemessen. Der
mindestens eine Sensor kann einen Beschleunigungssensor umfassen,
der Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Lebewesens misst und
speichert. Mit den so gemessenen Bewegungsdaten kann wie bei einer
dynamischen Handschriftenerkennung mindestens ein charakteristisches
Merkmal der Fortbewegung bzw. des Gangverhaltens eines Lebewesens
bestimmt werden.
Vorzugsweise ist der Beschleunigungssensor
ein monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor mit mindestens
einem, in Silizium geätzten
Biegebalken, der eindotierte Dehnungssensoren aufweist. Alternativ
oder zusätzlich
kann der Beschleunigungssensor ein kapazitiver monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor
sein. Ein Vorteil der monolithischen Silizium-Beschleunigungssensoren
besteht darin, dass diese sehr klein sind und daher beispielsweise
in der Kleidung eines Menschen integriert werden können, ohne
dass sich dies beispielsweise auf das Gewicht der Kleidung und damit
den Tragekomfort wesentlich auswirkt. Ferner sind Beschleunigungssensoren
Standardbauteile und damit Massenprodukte, die einerseits kostengünstig und
andererseits technisch ausgereift und dadurch zuverlässig sind.
Beispielsweise sind von dem Unternehmen Analog Devices GmbH Beschleunigungssensoren unter
der Bezeichnung ADXL202/210 erhältlich.
Mit diesen Beschleunigungssensoren können unmittelbar durch Integration
Geschwindigkeits- und Ortvektoren sowohl in analoger als auch in
digitaler Form bestimmt werden.
Vorzugsweise ist der mindestens eine
Sensor in oder an einem Schuh platziert, insbesondere im Absatz
und/oder der Sohle des Schuhs. Schuhe eignen sich besonders gut
zur Aufnahme derartiger Sensoren, da viele Menschen Schuhe täglich tragen und
demnach die Gefahr gering ist, dass ein Mensch von einer biometrischen
Zugangskontrolle abgewiesen wird, da er seinen Zugangsausweis nicht
mit sich führt.
Zudem ist die Gefahr gering, dass Schuhe wie ein Ausweis verloren
oder gar von einem Dieb entwendet werden. Selbst wenn ein Unberechtigter
im Besitz der Schuhe ist, ist gemäß der Erfindung der unberechtigte
Zugang beispielsweise zu einem gesicherten System kaum möglich, da
der Unberechtigte das Gangverhalten des Schuheigentümers kopieren müsste, was
sehr unwahrscheinlich ist.
Der mindestens eine Sensor kann auch
in einer Schuheinlage platziert sein. Hierdurch ist es möglich, Schuhe
mit dem Sensor nachzurüsten.
Schließlich ist es auch möglich, den
mindestens einen Sensor in oder an einem Fußband zu platzieren, das an
einem Fuß des
Lebewesens befestigbar ist. Diese Lösung bietet sich vor allem
für Personen
an, die keine Schuhe oder Schuheinlagen mit dem Sensor besitzen
und/oder tragen wollen. Um diesen Personen dennoch Zugang zu einem
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
gesicherten System zu ermöglichen,
können
diese das Fußband
anlegen.
Um die Handhabung des erfindungsgemäßen Verfahrens
weiter zu vereinfachen und damit die Nutzerakzeptanz zu erhöhen, sendet
der mindestens eine Sensor Daten drahtlos mittels Funk und/oder
Infrarot, um Zugang beispielsweise zu einem gesicherten Raum oder
einem Computersystem zu erhalten. Insbesondere überträgt er Daten an einen Empfänger in
einer Zugangskontrolleinrichtung. Dadurch muss eine Person den mindestens
einen Sensor für eine
Zugangskontrolle nicht ablegen, um ihn beispielsweise in ein Lesegerät einer
Zugangskontrolleinrichtung einzulegen. Die drahtlose Übertragung von
Daten kann beispielsweise mittels Bluetooth oder gemäß dem DECT-Standard,
der bei Schnurlostelefonen weit verbreitet ist, erfolgen. Denkbar
sind selbstverständlich
alle weiteren drahtlosen Übertragungsverfahren,
die Daten vorzugsweise über
kurze Abstände
zwischen Sender und Empfänger
mit geringer Sendeleistung übermitteln.
Um zu verhindern, dass während der Übertragung
von Daten von mindestens einem Sensor zu einer Zugangskontrolleinrichtung
insbesondere bei einer drahtlosen Übertragung die Daten ausspioniert werden
können,
werden diese in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verschlüsselt übertragen.
Hierzu können
alle gängigen,
insbesondere symmetrischen Verschlüsselungsverfahren eingesetzt
werden.
Insbesondere bei einer drahtlosen Übertragung
bzw. Übermittlung
der Daten bietet es sich an, diese mittels mindestens eines Fehlerkorrekturkodes für eine sichere Übertragung
zu versehen. Hierdurch wird vermieden, dass die Daten bei Übertragungsproblemen,
die beispielsweise durch Störsignale
verursacht werden können,
mehrfach vom mindestens einen Sensor zur Zugangskontrolleinrichtung übertragen
werden müssen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der mindestens eine Sensor von einem Piezoelement
mit elektrischer Energie versorgt. Hierbei ist das Piezoelement
derart am Lebewesen platziert, dass es bei einer Fortbewegung des
Lebewesens eine Piezospannung erzeugt. Diese Ausführungsform
benötigt
zur Stromversorgung keine Batterie. Dadurch ist auch kein Batteriewechsel mehr
erforderlich. Der mindestens eine Sensor und zusätzliche Schaltungselemente
sowie das Piezoelement können
somit fest in einen Schuh integriert werden. Beispielsweise kann
das Piezoelement im Absatz oder der Sohle des Schuhs derart integriert
werden, dass bei einem Auftreten mit dem Schuh ein Druck auf das
Piezoelement ausgeübt
wird, so dass dieses eine elektrische Spannung zur Versorgung des
mindestens einen Sensors erzeugt. Denkbar wäre auch, das Piezoelement in
einer Schuheinlage zu implementieren, die ebenso wie der Absatz
durch Druck beim Fortbewegen regelmäßig belastet wird.
Schließlich kann der mindestens eine
Sensor eine Auswerteschaltung zum Verarbeiten von Signalen des mindestens
einen Sensors und Aufbereiten zum Übertragen der verarbeiteten
Signale aufweisen. Beispielsweise kann die Auswerteschaltung zusammen
mit dem mindestens einen Sensor auf einem Chip integriert sein, ähnlich wie
bei einem Airbag-Sensorsystem. Eine derartig integrierte Schaltung
kann als Massenprodukt hergestellt und in Schuhe oder Schuheinlagen
eingebaut werden.
Die Auswerteschaltung umfasst vorzugsweise
einen Prozessor mit einem Speicher, der ein im Speicher abgelegtes
Programm ausführt.
Dieses Programm verarbeitet die vom mindestens einen Sensor empfangenen
Signale mit einem Algorithmus, der anhand der Signale typische Merkmale
der Fortbewegung des Lebewesens ermittelt.
Insbesondere ermittelt der Algorithmus
Geschwindigkeits- und Ortsvektoren als typische Merkmale der Bewegung
des Lebewesens.
Um zu verhindern, dass die charakteristischen
Merkmale der Fortbewegung eines Lebewesens, die von der Auswerteschaltung
ermittelt und gespeichert worden sind, unberechtigt ausgelesen werden,
können
sicherheitsrelevante Daten in einem Modul von der Auswerteschaltung
abgelegt werden, das vor unberechtigtem Zugriff geschützt ist.
Dies kann beispielsweise ein besonders geschützter Halbleiterspeicher sein,
beispielsweise ein Flash-EEPROM,
der Zusatzschaltungen aufweist, die verhindern, dass durch einen
unberechtigten Zugriff auf den Speicher Daten ausgelesen werden
können.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung zur biometrischen Zugangskontrolle,
die ausgebildet ist, um als biometrisches Merkmal mindestens ein
charakteristisches Merkmal der Bewegung eines Lebewesens zumindest
teilweise auszuwerten.
Hierzu umfasst die Vorrichtung in
einer bevorzugten Ausführungsform
mindestens einen Sensor zur Messung der Bewegung.
Der mindestens eine Sensor weist
vorzugsweise einen Beschleunigungssensor und Schaltungen zur Messung
von Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Lebewesens auf .
Der Sensor kann ein monolithischer
Silizium-Beschleunigungssensor
mit mindestens einem, in Silizium geätztem Biegebalken sein, der
eindotierte Dehnungssensoren aufweist.
Alternativ oder zusätzlich kann
der Sensor auch ein kapazitiver monolithischer Silizium-Beschleunigungssensor
sein.
Schließlich kann der mindestens eine
Sensor einen Sender zum drahtlosen Senden von Daten mittels Funk
und/oder Infrarot aufweisen, insbesondere zum Übertragen von Daten an einen
Empfänger in
einer Zugangskontrolleinrichtung.
Ferner kann der mindestens eine Sensor eine
Schaltung zum Verschlüsseln
der Daten aufweisen, beispielsweise eine Schaltung zum symmetrischen
Verschlüsseln
der Daten mit einem kryptografischen Schlüssel.
Schließlich kann der mindestens eine
Sensor auch eine Schaltung aufweisen, um die Daten mittels mindestens
eines Fehlerkorrekturkodes für eine
sichere Übertragung
zu versehen.
Die elektrische Versorgung des mindestens einen
Sensors mit elektrischer Energie kann mittels eines Piezoelements
erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist der mindestens eine Sensor eine Auswerteschaltung auf, an
die er Signale zum Auswerten liefert, die zum Verarbeiten der empfangenen
Signale und zum Aufbereiten der verarbeiteten Signale zum Übertragen
an einen Empfänger
ausgebildet ist.
Die Auswerteschaltung umfasst vorzugsweise
einen Prozessor und einen Speicher, in dem ein Programm abgelegt
ist, das der Prozessor ausführt. Das
Programm verarbeitet die vom mindestens einen Sensor empfangenen
Signale mit einem Algorithmus, der anhand der Signale typische Merkmale
der Bewegung des Lebewesens ermittelt.
Vorzugsweise ermittelt der Algorithmus
als typische Merkmale der Bewegung Geschwindigkeits- und Ortsvektoren.
Schließlich umfasst die Auswerteschaltung in
einer bevorzugten Ausführungsform
ein Modul, in das sicherheitsrelevante Daten abgelegt werden können und
das vor unberechtigtem Zugriff geschützt ist. Insbesondere werden
in diesem Modul die ermittelten charakteristischen Merkmale der
Bewegung eines Lebewesens abgelegt. Dadurch wird verhindert, dass
die darin abgelegten Daten über
Schnittstellen, also nicht nur vom Prozessor ausgelesen werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung
betrifft ein Fußband,
das die erfindungsgemäße Vorrichtung
wie oben erläutert
aufweist. Ferner betrifft die Erfindung einen Schuh, der die erfindungsgemäße Vorrichtung wie
oben erläutert
umfasst. Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst eine Schuheinlage,
welche die erfindungsgemäße Vorrichtung
wie oben erläutert
aufweist.
Schließlich betrifft die Erfindung
gemäß einem
weiteren Aspekt ein Schaltungsmodul, das zum Durchführen des
erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet
ist. Insbesondere kann dieses Schaltungsmodul einen leistungsfähigen Mikroprozessor mit
Speicher aufweisen, sowie mindestens einen Sensor, sowie weitere
anwendungsspezifische Schaltungsteile, die im Sinne der Erfindung
ausgebildet sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung zur biometrischen Zugangskontrolle ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem in
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
Die Erfindung wird im folgenden anhand
des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
In der Beschreibung, in den Patentansprüchen, der Zusammenfassung und
in der Zeichnung werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen
verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In
der Zeichnung bedeutet:
1 ein
Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
biometrischen Zugangskontrolle.
In 1 ist
eine Vorrichtung zur biometrischen Zugangskontrolle 10 dargestellt,
die einen Sensor 12 zum Messen und Auswerten mindestens eines
charakteristischen Merkmals der Bewegung eines Menschen sowie eine
Zugangskontrolleinrichtung 22 und ein Piezoelement 28 umfasst.
Die Zugangskontrolleinrichtung 22 kann
beispielsweise ein Modul eines Datenverarbeitungssystems sein, das
den Zugang zum Datenverarbeitungssystem kontrolliert. Das Piezoelement 28 dient
zur Versorgung des Sensors 12 der Vorrichtung zur biometrischen
Zugangskontrolle 10 mit elektrischer Energie.
Im folgenden wird der Aufbau des
erwähnten Sensors 12 erläutert, der
beispielsweise als Chip bzw. integrierte Schaltung in einem Schuh,
im Absatz eines Schuhs, in der Sohle eines Schuhs, in einer Schuheinlage
oder in einem Fußband
eingebaut sein kann. Der Sensor 12 dient unter anderem
zum Messen der Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung eines Menschen,
welcher den Sensor 12 mit sich trägt. Hierzu weist er einen Beschleunigungssensor 14 auf, der
beispielsweise ein monolithischer integrierter Silizium-Beschleunigungssensor
ist, der nach dem kapazitiven Verfahren arbeitet, oder mindestens
einen in Silizium geätzten
Biegebalken mit eindotierten Dehnungssensor aufweist.
Die Signale des Beschleunigungssensors 14 werden
Schaltungen 16 zugeführt,
welche die Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Lebewesens
messen. Diese Schaltungen 16 umfassen einen nicht gezeigten
Analog-Digital-Wandler,
der die analogen Signale des Beschleunigungssensors 14 in
digitale Werte zur Weiterverarbeitung umsetzt.
Die Ausgangssignale der Schaltungen 16 zur
Messung von Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung des Lebewesens
werden einer Auswerteschaltung 30 zugeführt, die einen Prozessor 32,
einen Speicher 34 und ein Modul 36 umfasst, in
das sicherheitsrelevante Daten abgelegt werden können und das vor unberechtigtem
Zugriff geschützt
ist. Mit anderen Worten kann das Modul 36 nur vom Prozessor 32 gesteuert,
insbesondere gelesen oder beschrieben werden, so dass ein externer
Zugriff, beispielsweise über
eine Schnittstelle des Sensors 12 nicht möglich ist,
Somit bietet das Modul 36 einen Schutz vor unberechtigtem
Zugriff auf sicherheitsrelevante Daten, insbesondere auf Passwörter, Schlüssel und
wichtige Messdaten des Beschleunigungssensors 14, die mindestens
ein charakteristisches Merkmal der Fortbewegung des Menschen umfassen.
Dem gegenüber stellt der Speicher 34 einen herkömmlichen
Speicher zum Ablegen von Daten, beispielsweise zum Zwischenspeichern
von Daten dar. Im Speicher 34 ist zudem ein Programm abgelegt,
das die vom Beschleunigungssensor 14 empfangenen Signale
mit einem Algorithmus verarbeitet, der anhand der empfangenen Signale
charakteristische Merkmale der Fortbewegung des Menschen ermittelt,
der den Sensor 12 mit sich trägt. Dieses Programm wird vom
Prozessor 32 ausgeführt.
Dementsprechend weist der Speicher 34 einen flüchtigen
Teil zum Zwischenspeichern von Daten und einen nichtflüchtigen
Teil für
das Programm auf.
Im normalen Betrieb der Vorrichtung
zur biometrischen Zugangskontrolle 10 wird bei Betrieb
des Sensors 12 das im Speicher 34 befindliche
Programm vom Prozessor 32 abgearbeitet. Im Rahmen dieses
Programms werden die Signale des Beschleunigungssensors 14,
die von den Schaltungen 16 (vor verarbeitet wurden, verarbeitet,
indem daraus charakteristische Merkmale der Fortbewegung des Menschen
ermittelt werden, insbesondere dessen Schrittfrequenz, -geschwindigkeit,
-beschleunigung oder dergleichen wesentliche Informationen über die Fortbewegung.
Die Auswerteschaltung 30 erzeugt
Daten, die auf den ermittelten charakteristischen Merkmalen der
Fortbewegung des Menschen basieren, und überträgt diese an eine Schaltung 24 zum
Verschlüsseln.
Die Schaltung 24 verschlüsselt die Daten mit einem vorgegebenen
Schlüssel
mittels eines symmetrischen Verschlüsselungsalgorithmus. Anschließend überträgt sie die
so verschlüsselten
Daten an eine Schaltung 26 für Fehlerkorrekturkodes. Die
Schaltung 26 fügt
den empfangenen Daten Fehlerkorrekturdaten hinzu, so dass bei einer
fehlerhaften Übertragung
ein Empfänger
aus den fehlerhaften Daten die ursprünglichen Daten anhand des Fehlerkorrekturkodes
rekonstruieren kann.
Die verschlüsselten und mit einem Fehlerkorrekturkode
versehenen Daten werden anschließend von einem Funksender 18 über eine
Funkverbindung 38 an einen Funkempfänger 20 in der Zugangskontrolleinrichtung 22 übertragen.
Vorzugsweise überprüft der Funksender 18 laufend,
ob sich in seiner Umgebung ein entsprechender Funkempfänger 20 befindet.
Beispielsweise kann hierfür
der Funkempfänger 20 der
Zugangskontrolleinrichtung 22 Daten periodisch aussenden,
die ihn identifizieren und einem entsprechenden Empfänger mitteilen, dass
er sich im Empfangsbereich des Funkempfängers 20 befindet.
Sobald eine Funkverbindung 38 zwischen Funksender 18 und
Funkempfänger 20 besteht, überträgt der Funksender 18 die
Daten an den Funkempfänger 20,
der diese an nicht dargestellte Schaltungen der Zugangskontrolleinrichtung 22 zur
Auswertung übergibt.
Diese Schaltungen vergleichen nun die empfangenen Daten, welche
die charakteristischen Merkmale der Fortbewegung des Menschen umfassen
mit Daten aus einer Datenbank, die Informationen über Personen
umfasst, die eine Zugangsberechtigung besitzen. Diese Informationen
umfassen ebenfalls charakteristische Merkmale der Fortbewegung der
entsprechenden Personen. Die Schaltungen vergleichen die einzelnen
Datensätze
aus der Datenbank mit den empfangenen Daten und gewähren, sofern
ein Datensatz mit den empfangenen Daten übereinstimmt, einer derart
identifizierten Person Zugang.
Typischerweise erfolgt also die Zugangskontrolle
ohne Eingriff des Menschen, der den Sensor 12 mit sich
trägt.
Sie erfolgt automatisch, sobald sich der Funksender 18 im
Empfangsbereich des Funkempfängers 20 befindet
und dies vom Sensor 12 detektiert wird. In diesem Fall
sendet der Sensor 12 automatisch Daten über eine bestehende Funkverbindung 38 zwischen
Funksender 18 und Funkempfänger 20 und die Zugangskontrolle
läuft in
der Zugangskontrolleinrichtung 22 ab.
Der Sensor 12 wird vom Piezoelement 28 mit elektrischer
Energie versorgt. Das Piezoelement 28 ist hierzu in der
Schuhsohle oder im Schuhabsatz im Schuh des Menschen integriert
und gibt bei jedem Auftreten einen Spannungsimpuls ab, der einen
Kondensator C des Sensors 12 auflädt. Der Kondensator C dient
zur Versorgung der Schaltungsteile des Sensors 12. Bevorzugt
werden als Schaltungsteile stromsparende Schaltungselemente, insbesondere ein
stromsparender Prozessor 32 eingesetzt, um die Energieversorgung
durch den Kondensator C nur schwach zu belasten.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, dass als biometrisches Merkmal mindestens ein charakteristisches
Merkmal der Bewegung eines Lebewesens zumindest teilweise ausgewertet
wird. Hierdurch kann eine ähnlich
hohe Sicherheit wie bei der dynamischen Handschriftenkontrolle sowie
eine hohe Nutzerakzeptanz insbesondere aufgrund der einfachen und
bequemen Handhabbarkeit erreicht werden.