基于步態(tài)的生物識(shí)別技術(shù)的新型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架

倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的研究人員最近設(shè)計(jì)了一種新的生物識(shí)別密碼系統(tǒng)方法，用于保護(hù)可穿戴和植入式醫(yī)療設(shè)備的無(wú)線通信。他們的框架在IEEE Explore上發(fā)表的一項(xiàng)研究中概述，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)框架和步態(tài)信號(hào)能量變化。

在過(guò)去十年中，無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了越來(lái)越多的身體傳感器網(wǎng)絡(luò)(BSN)設(shè)備的發(fā)展。這些是輕巧，低功率的傳感器節(jié)點(diǎn)，可以佩戴或植入人體，以監(jiān)測(cè)老年患者或慢性病患者的健康狀況。

盡管其有價(jià)值的應(yīng)用，BSN設(shè)備引發(fā)了重要的安全問(wèn)題，因?yàn)楣粽呖梢云平膺@些無(wú)線連接的傳感器并破壞患者的個(gè)人和健康信息。然而，鑒于這些小型化傳感器的計(jì)算能力非常有限，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)安全方案不能應(yīng)用于這些設(shè)備。因此，研究人員尋求開(kāi)發(fā)新的高級(jí)安全機(jī)制，以有效保護(hù)這些敏感數(shù)據(jù)。

用于保護(hù)BSN設(shè)備的有效解決方案是生物識(shí)別密碼系統(tǒng)(BCS)方法，其識(shí)別患者的生物特征，例如他/她的面部，虹膜，指紋，心電圖(ECG)或光電容積描記術(shù)(PPG)。帝國(guó)理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的BCS方法，特別關(guān)注步態(tài)信號(hào)能量變化; 換句話說(shuō)，分析不同的人走路的方式。

“最先進(jìn)的生物識(shí)別技術(shù)/可穿戴安全通常使用心電圖(ECG)，心臟的電活動(dòng)，但它的皮膚附著電極極大地限制了它的應(yīng)用，”該論文的第一作者Yingnan Sun告訴TechXplore。“我們覺(jué)得有必要探索一種既容易收集又無(wú)創(chuàng)的新型生物識(shí)別技術(shù)，以及人們走路的步態(tài)。”

術(shù)語(yǔ)“步態(tài)”是指肢體在動(dòng)物和人類中的運(yùn)動(dòng)模式，特別是當(dāng)它們行走/跑步時(shí)。不同種類的動(dòng)物有其獨(dú)特的步態(tài)，但在個(gè)體之間也可以觀察到輕微的差異。

可以通過(guò)在身體上佩戴低成本慣性傳感器(例如加速度計(jì))來(lái)捕獲步態(tài)信號(hào)。目前，幾乎所有可穿戴設(shè)備和許多可植入設(shè)備都已配備慣性傳感器。使用步態(tài)信號(hào)來(lái)形成BCS可以在可穿戴設(shè)備和可植入設(shè)備之間建立安全的通信信道。

“使用步態(tài)信號(hào)進(jìn)行安全性的挑戰(zhàn)在于身體不同位置的不同傳感器捕獲的步態(tài)信號(hào)具有不同的模式，”Sun解釋道。“為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們引入了一個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)框架，它將傳感器信號(hào)投影到一個(gè)統(tǒng)一的幀，并增加信號(hào)相關(guān)性。”

研究人員使用他們新開(kāi)發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架從BSN傳感器中提取相似的特征，按需生成二進(jìn)制密鑰，無(wú)需用戶干預(yù)。當(dāng)他們?cè)诓綉B(tài)數(shù)據(jù)集上測(cè)試他們的方法時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)生成的二進(jìn)制密鑰對(duì)所有主體都具有高熵。

“我們發(fā)現(xiàn)使用所提出的ANN框架可以顯著增加不同可穿戴傳感器捕獲的步態(tài)信號(hào)之間的相關(guān)性，從而大大提高了安全方案的性能，”Sun說(shuō)。“這個(gè)新提出的安全框架比我們之前的工作效率高68.75%，在步行的12秒內(nèi)生成128位密鑰。”

使用其框架生成的密鑰通過(guò)了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)和Dieharder統(tǒng)計(jì)測(cè)試，可以有效地區(qū)分不同人的步態(tài)。新方法作為生物識(shí)別安全工具顯示出巨大的希望，并最終有助于更好地保護(hù)可穿戴設(shè)備和可植入設(shè)備收集的數(shù)據(jù)。

“目前，我們只研究了加速度信號(hào)在安全方案中的應(yīng)用，但步態(tài)信號(hào)也包括其他類型的信號(hào)，例如陀螺儀信號(hào)，”Sun說(shuō)。“在不久的將來(lái)，我們希望進(jìn)一步提高我們提出的結(jié)合其他信號(hào)的安全方案的性能。”