Interlexikon-Biometrie

DIMAWEB-Interlexikon (Fachbegriffe)

BIOMETRIE

Allgemein

Die BIOMETRIE (auch Biometrik) beschäftigt sich mit Messungen an Lebewesen und den dazu erforderlichen Mess- und Auswerteverfahren.

Je nach Anwendungsbereich gibt es unterschiedliche Detaildefinitionen. Christoph Bernoulli benutzte 1841 als einer der ersten Wissenschaftler den Begriff Biometrie in einer sehr wörtlichen Interpretation für die Messung und statistische Auswertung der menschlichen Lebensdauer.

Der Begriff Biometrie besitzt die zwei Facetten der biometrischen Statistik und der biometrischen Erkennungsverfahren, die auch in der Praxis getrennt sind. Bei biometrischer Statistik geht es um die Entwicklung und Anwendung statistischer Methoden zur Auswertung von Messungen aller Art an lebenden Wesen. Sie wird intensiv von allen Lebenswissenschaften genutzt. Wegbereiter der wissenschaftlichen Methodik war Karl Pearson (1857–1936). In diesem Kontext wird Biometrie auch als Synonym für Biostatistik verwendet.

Als Erkennungsverfahren setzte man schon früh die Biometrie zur Personenidentifikation ein. So entwickelte Alphonse Bertillon 1879 ein später Bertillonage genanntes System zur Identitätsfeststellung, das auf 11 Körperlängenmaßen basierte (Anthropometrie). 1892 legte Francis Galton den wissenschaftlichen Grundstein für die Nutzung des Fingerabdrucks (Daktyloskopie).

Heute definiert man Biometrie im Bereich der Personenerkennung auch als automatisierte Erkennung von Individuen, basierend auf ihren Verhaltens- und biologischen Charakteristika.

Weitere Anwendungsgebiete der Biometrie sind beispielsweise automatisierte Krankheits-Diagnoseverfahren.

Biometrie lebt vom Zusammenspiel der Disziplinen Lebenswissenschaften, Statistik, Mathematik und Informatik. Erst die heutige Informationstechnologie macht es möglich, die hohen Rechenleistungsanforderungen üblicher biometrischer Verfahren zu bewältigen.

Biometrische Statistik-Methoden

Biometrie als Entwicklung und Anwendung statistischer Methoden im Rahmen empirischer Untersuchungen an Lebewesen dient dem wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn, der Entscheidungsfindung und der wirtschaftlichen Optimierung von Produkten. 

Beispiele

 

  • Biologie
  • Epidemiologie (Erforschung von Krankheitsursachen, Verbreitungswegen und Umwelteinflüssen)
  • Forstwirtschaft
  • Genetik (Untersuchung der genetischen Komponenten von Krankheiten zur besseren Vorbeugung)
  • Landwirtschaft (Futtermittelentwicklung und -optimierung usw..)
  • Medizin (Ermittlung von Risikofaktoren bei bestimmten Krankheiten usw..)
  • Versicherungsmathematik (Berechnung und Prognose der relevanten Parameter für Lebensversicherer)
  • Veterinärmedizin (Abbauverhalten von Arzneimitteln; Erforschung von Krankheitsursachen usw..)

 

Biometrische Erkennungsverfahren und Charakteristika

Biometrische Erkennungsmethoden haben in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erlebt. Der technologische Fortschritt erlaubt in zunehmendem Maße die rasche Messung biologischer Charakteristika und deren Auswertung mit vertretbarem Aufwand und hoher Qualität. Der Einsatz von Biometrie ist ein vielversprechender Ansatz, das ungelöste Problem vieler Sicherheitskonzepte zu lösen: Wie verbindet man Identitäten und die dazugehörigen Rechte mit den die richtige Identität aufweisenden physischen Personen?

Das im Jahr 2001 in Australien gegründete Biometrics Institute hat satzungsgemäß die Aufgabe, den verantwortungsbewussten Gebrauch von biometrischen Technologien zu fördern.

Beim Einsatz der Biometrie zur automatisierten Erkennung von Personen kommt es darauf an, individuelle biometrische Verhaltens- oder Körpercharakteristika zu finden, die sich u.a. durch folgende Eigenschaften auszeichnen:

  • Einmaligkeit: Der Messwert des Charakteristikums ist für möglichst alle Personen unterschiedlich
  • Konstanz: Der Messwert hängt nicht vom Alter der Person oder dem Messzeitpunkt ab
  • Messbarkeit: Es sollte eine gut definierbare Messgröße existieren, für die es geeignete Sensoren gibt
  • Universalität: Das Charakteristikum kommt bei möglichst vielen Personen vor.

Biometrische Charakteristika werden häufig unterschieden in aktiv/passiv, verhaltens-/physiologiebasiert oder dynamisch/statisch. Zu den langfristig stabilen verhaltensbasierten Charakteristika zählen die Stimme, die Hand- oder Unterschrift, das Tippverhalten und die Gangdynamik. Langfristig stabile physiologische Charakteristika sind beispielsweise der Fingerabdruck, die Iris oder die Handgeometrie. Diese Unterscheidung ist zwar weitgehend akzeptiert, es existieren aber Grenzbereiche. So sind die meisten verhaltensbasierten biometrischen Charakteristika beeinflusst durch die Physiologie, etwa die Stimme durch den Sprachapparat des Menschen.

Als biometrische Charakteristika können u. a. verwendet werden: 

DNA (mobiler DNA-Test, genetischer Fingerabdruck)
Fingerabdruck (Fingerlinienbild)
Gangstil (engl. automatic gait recognition)
Gesichtsgeometrie
Handgeometrie
Handlinienstruktur
Handvenenstruktur
Iris (Regenbogenhaut)
Körpergeruch
Körpergröße (Anthropometrie)
Lippenbewegung, meist im Zusammenhang mit Stimmerkennung (Klangfarbe)
Nagelbettmuster
Ohrform
Retina (Augenhintergrund)
Stimme (nicht zu verwechseln mit Spracherkennung)
Tippverhalten auf Tastaturen (engl. keystroke dynamics)
Unterschrift (statisch, dynamisch, auch Handschrift)
Zahnabdruck

Realisierung und Funktionsweise

Ein biometrisches Erkennungssystem setzt sich im Wesentlichen aus den Komponenten Sensor (Messwertaufnehmer), Merkmalsextraktion und Merkmalsvergleich zusammen. Welche Arten von Sensoren zum Einsatz kommen, hängt stark vom biometrischen Charakteristikum ab. So ist eine Videokamera für die meisten Charakteristika geeignet; für die Fingerabdruckerkennung kommen auch andere bildgebende Verfahren in Frage. Die Sensorkomponente liefert als Ergebnis ein biometrisches Sample. Die Merkmalsextraktion entfernt mittels komplexer Algorithmen alle vom Sensor gelieferten Informationen, die nicht die geforderten Merkmalseigenschaften erfüllen und liefert als Ergebnis die biometrischen Merkmale. Der Merkmalsvergleicher errechnet schließlich einen Vergleichswert (Score) zwischen dem in der Einlernphase gespeicherten biometrischen Template und dem aktuellen, von der Merkmalsextraktion gelieferten Datensatz. Über- bzw. unterschreitet dieser Vergleichswert eine (einstellbare) Schwelle, gilt die Erkennung als erfolgreich.

In der „Einlernphase“, dem Enrolment, werden die biometrischen Merkmalsdaten als Referenzmuster in digitaler Form verschlüsselt abgespeichert. Beim nächsten Kontakt mit dem biometrischen System wird ein aktuelles Sample aufgenommen und mit dem Referenzmuster (Template) verglichen. Das System entscheidet dann, ob die Ähnlichkeit der beiden Muster hinreichend hoch ist und damit beispielsweise ein Zutritt erfolgen darf oder nicht.

Die wichtigsten Erkennungsarten sind die Verifikation und die Identifikation. Bei der Verifikation muss die zu verifizierende Person dem System zunächst ihren Namen oder ihre User-ID mitteilen. Danach entscheidet das biometrische System, ob die Person zum zugehörigen Referenzmerkmalsdatensatz gehört oder nicht. Bei der Identifikation offenbart die zu erkennende Person ausschließlich ihr biometrisches Charakteristikum, das System ermittelt daraus durch Vergleich mit den Referenzmerkmalsdatensätzen aller Nutzer den zugehörigen Namen bzw. die User-ID.

Anwendungen

Biometrische Erkennungsverfahren sind fast überall einsetzbar, wo die Identität einer Person direkt oder indirekt eine Rolle spielt. Allerdings sind nicht notwendigerweise alle Anwendungen erfolgreich. Wichtig ist, dass die Anwendung und die Möglichkeiten eines speziellen biometrischen Charakteristikums zusammenpassen. Die gängigsten Verfahren sind die Verifikation mit Karte/Ausweis und die reine Identifikation, bei der der Anwender ausschließlich über das biometrische Charakteristikum authentifiziert wird. Letzteres ist zwar sehr komfortabel, stellt aber mit steigender Nutzerzahl hohe Anforderungen an das biometrische Charakteristikum (FAR), die Rechenleistung und den Datenschutz und ist in der Regel nicht für sicherheitskritische Bereiche geeignet. Bei Benutzung eines Ausweises können die biometrischen Referenzdaten in einem Chip gespeichert oder auf der Karte als 2D-Strichcode aufgedruckt sein. Es gibt auch Systeme, die die Karte nur als Pointer für den in einer Datenbank gespeicherten Referenzdatensatz nutzen.

Automatisierte Fingerabdruck-Identifizierungssysteme (AFIS) unterstützen den Daktyloskopen beim Vergleich von Tatortfingerabdruckspuren mit den gespeicherten oder abzunehmenden Fingerabdrücken von Straftätern bzw. Verdächtigen. Während die manuelle Auswertung von Fingerabdrücken in Deutschland bereits seit 1903 zu den bewährten Ermittlungswerkzeugen der Kriminalpolizei gehört, fanden die ersten computergestützten Verfahren in den 1980er Jahren in den USA und 1993 in Deutschland Eingang in die Ermittlungsarbeit.

PC-Anmeldung per Fingerabdruck: Mit dem Erscheinen kostengünstiger Halbleiter-Fingerprintsensoren ab ca. 1998 etablierten sich die ersten Produkte am Markt, die die Passwort-Anmeldung am PC bzw. am Firmennetzwerk durch eine Fingerprinterkennung ersetzten oder ergänzten. Obwohl sich solche Systeme bisher nur im professionellen Bereich durchsetzen konnten, ist in Zukunft zu erwarten, dass die meisten Notebooks standardmäßig mit noch kostengünstigeren Streifensensoren ausgestattet sein werden. (Streifensensoren erfordern vom Nutzer eine aktive Bewegung über den Sensor.) Als Hauptargument wird die Kosteneinsparung durch Wegfall vergessener Passwörter genannt.

Biometrische Reisepässe und Personalausweise: Basierend auf dem internationalen Standard 9303 der ICAO werden z.B. in Deutschland seit dem 1. November 2005 nur noch Reisepässe mit integriertem Chip ausgegeben, auf dem ein digitales Lichtbild als biometrisches Sample gespeichert ist. Seit November 2007 werden auch die Fingerabdrücke erfasst. Biometrische Reisepässe zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus: eventuelle Personaleinsparungen bei der Grenzkontrolle durch höhere Abfertigungsrate, Unterstützung bei der Feststellung der Zugehörigkeit von Pass und Inhaber, hohe Kosten, die der Passinhaber zu tragen hat, sowie ungeklärte datenschutzrechtliche Situation bei Nutzung der biometrischen Daten durch Fremdstaaten. In der Schweiz ist die Aufnahme elektronischer biometrischer Charakteristika in den Pass freiwillig. Ab dem 1. November 2010 sind auch die deutschen Personalausweise mit biometrischen Merkmalen versehen. Hiervon teilweise ausgenommen sind die vorläufigen Reisepässe (erkennbar am grünen Umschlag), die Kinderreisepässe oder die vorläufigen Personalausweise. Diese haben zwar keinen integrierten Chip, setzen aber trotzdem ein biometrisches Foto voraus. Bei Kindern sind mehr Abweichungen auf den Fotos zugelassen und Fingerabdrücke können wahlweise erst ab dem 6. Lebensjahr abgegeben werden.

Dauerkarten: Für nicht übertragbare Dauerkarten bietet sich der Einsatz biometrischer Erkennung an, um eine Weitergabe an Nichtberechtigte zu verhindern. Der Zoo Hannover setzt für diesen Zweck bereits seit einigen Jahren erfolgreich ein Gesichtserkennungssystem ein. Weitere Anwendungen, meist auf Basis Fingerprint, finden immer mehr Verbreitung in Fitnessstudios, Solarien und Thermalbädern.

Physischer Zutritt: Für den Zugang zu besonders schützenswerten Bereichen werden herkömmliche Authentifikationsmethoden um biometrische Verfahren ergänzt. Beispiele sind Gesichtserkennung in Personenschleusen zu Chipkartenentwicklungsbereichen, Fingerprinterkennung in Kernkraftwerksbereichen und Iriserkennung in der Babystation einer Berchtesgadener Klinik. In Japan erfreut sich die Handvenenerkennung großer Beliebtheit.

Bezahlen per Fingerabdruck: Immer mehr Geschäfte bieten ihren registrierten Stammkunden die Möglichkeit, statt mit einer Kundenkarte per Fingerabdruck zu bezahlen, wobei die Bezahlung durch Abbuchung erfolgt. Eigenschaften: der Kunde braucht weder Bargeld noch eine Karte; es bestehen datenschutzrechtlich ähnliche Probleme wie bei Rabattkartensystemen.

Erfassung von Asylsuchenden: Von Asylsuchenden werden bei ihrer Einreise in die EU die Abdrücke aller 10 Finger erfasst. Mit Hilfe der zentralen EURODAC-Datenbank kann dann festgestellt werden, ob ein Asylsuchender bereits von einem anderen EU-Land abgewiesen wurde.

Spielkasinos setzen gelegentlich Biometrie ein (meist Gesichtserkennung und Fingerprint), um Spielsüchtige am Zutritt zu hindern. Spieler, die von sich selbst wissen, dass sie zeitweise süchtig sind, können freiwillig beim Spielkasino ihre biometrischen Daten hinterlegen, um sich auf diese Weise vor der Ausübung ihres Suchtverhaltens zu schützen.

Quellenangaben

Biometrics Institute
E-Book Biometrie (PDF; 505 kB)
NSTC Policy for Enabling the Development, Adoption and Use of Biometric Standards

Biometrische Statistik
Deutsche Region der Internationalen Biometrischen Gesellschaft (IBS-DR)
Region Österreich-Schweiz (ROeS) der Internationalen Biometrischen Gesellschaft (IBS)

Biometrische Erkennungsverfahren
Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik, BSI, Biometrie
FAQ der Bioidentifikation
Erklärung der Funktionsweisen der einzelnen biometrischen Identifikationssysteme
Biometrie – wie einsetzen und wie keinesfalls? (PDF, 1,5 MB)

Handbuch der Populationistik. S. 389, Digitalisat (Scanseite 405), 1841.
Biometrie - lebendige Zahlen (PDF), IBS, 2003
Francis Galton and Fingerprints, Finger Prints, 1892
SO/IEC: Harmonized Biometric Vocabulary
ARD: Einzelhandel − Fingerprint-System überlistet. Archiviert vom Original am 26. April 2009
BBC News: Malaysia car thieves steal finger

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