Bachelor Projekt Systementwicklung (Prof. Dr. Busch, Dr. Rathgeb, Drozdowski; WS19/20)

Bachelor PSE „Biometrie“ im WS19/20

Im Wintersemester 2019/2020 bietet die Arbeitsgruppe für Biometrie und Internetsicherheit ein Bachelor Projekt Systementwicklung im Bereich Biometrie an. Die Termine und Details zur Lehrveranstaltung werden auf dieser Seite bekannt gegeben.

Folgendes Thema soll in einer Gruppe bearbeitet werden: „Effiziente Biometrische Identifizierung mit Gesichtsmorphing“.

Projektbeschreibung

Hintergrundinformation

Biometrische Technologien werden bereits heute in zahlreichen landesweiten Anwendungen eingesetzt. Bei einer biometrischen Identifikation werden biometrische Daten, z.B. ein Gesichtsbild, gegen alle in einer Datenbank gespeicherten Referenzdaten verglichen (1:N Suche). Angesichts des rasanten Wachstums der Größe und Popularität biometrischer Systeme sind Technologien zur effizienten und genauen Verarbeitung großer Mengen biometrischer Daten unerlässlich, um praktische Reaktionszeiten zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang versuchen biometrische Indexierungsansätze die Datenbank so zu organisieren, dass eine umfassende Suche (exhaustive search) nicht erforderlich ist, d.h. der Rechenaufwand einer Suchabfrage deutlich verringert wird. Die Referenz [1] enthält ausführlichere Informationen zu diesem Thema.

Gesichtsmorphing ist ein Prozess bei dem Gesichtsbilder von mehreren verschiedenen Personen miteinander vermischt und zu einem einzigen Bild kombiniert werden. Siehe Beispiel unten mit 2 Personen.

Person 1
Person 1
Morph 1+2
Morph 1+2
Person 2
Person 2

Eine Reihe von Forschungsarbeiten haben dabei gezeigt, dass es sich hierbei um erfolgreiche Angriffe auf Gesichtserkennungssysteme handeln kann, da automatische Gesichtserkennungsysteme (aber auch die menschliche Experten) dazu neigen, alle in dem Morph enthaltenen Personen im Sinne der biometrischen Verifikation zu akzeptieren. Die Referenzen [2] und [3] enthalten ausführlichere Informationen zu diesem Thema.

Voruntersuchungen im Rahmen des Projekts BioBiDa zeigten, dass das Morphing-Verfahren neben der Verwendung als Angriff, auch dazu verwendet werden kann, die Effizienz von Gesichts-Identifikationsverfahren zu verbessern. Indem eine Baum-ähnliche Struktur von Morphbildern erzeugt wird, können die Morphbilder als eine Art Vorauswahl genutzt werden, um die Gesamtanzahl an Datenbankabfragen zu verringern, die zur Identifikation eines Subjektes anhand eines Gesichtsbildes benötigt werden. Die ersten experimentellen Ergebnisse waren vielversprechend, siehe Referenz [4]; das Thema ist jedoch nicht als bereits abgeschlossene Forschungsarbeit anzusehen, sondern eher als Proof-of-Concept, bei dem mehrere offene Aufgaben verbleiben.

Die beiden oben genannten Themen: (1) Effiziente biometrische Identifizierung und (2) Morphing von Gesichtsbildern sind der Ausgangspunkt des Projekts das in dieser Lehrveranstaltung angeboten wird.

Ziele

Das übergeordnete Ziel ist die Entwicklung und Erweiterung eines Frameworks nach der Beschreibung in der Proof-of-Concept-Publikation [4]. In diesem Zusammenhang können beispielsweise folgende Aspekte berücksichtigt werden:

  • Die Konzeption, Implementierung, und Dokumentation des Frameworks unter Verwendung von Software-Engineering-Praktiken wie Anforderungs-Engineering, automatisiertes Testen, agilen Prozessen usw.
  • Die flexible und erweiterbare Integration verschiedener vorhandener Gesichtserkennungs-Methoden.
  • Die flexible und erweiterbare Integration verschiedener vorhandener Gesichtsmorphings-Methoden.
  • Die flexible und erweiterbare Integration verschiedener vorhandener Methoden zur Vor- und Nachbearbeitung.
  • Die Impliementierung der Möglichkeit, auf unterschiedliche Gesichts-Datenbanken zu testen.
  • Die Impliementierung der Möglichkeit, flexibel verschiedene Parameterkonfigurationen der Indizierungsmethode zu testen.
  • Die Implementierung eines intelligenten (statt zufälligen) Prozesses zur Auswahl von Bildern, die zu einem Morph beitragen.
  • Die Ausführung einer wissenschaftlichen (biometrieschen) Auswertung der implementierten Methoden unter Verwendung von ISO/IEC-Standardbewertungsverfahren und -metriken.
  • Die Bewertung der Recheneffizienz des implementierten Frameworks.
  • Die Definition und die Implementierung automatisierter Tests zur Gewährleistung fortlaufender Qualitätssicherung.
  • Die Parallelisierung der im Framework implementierten Prozesse.
  • Die Virtualisierung oder Dockerisierung des implementierten Frameworks, um eine schnelle Installation zu ermöglichen.
  • Die Implementierung einer Konsolenanwendung zur einfachen Inbetriebnahme und Manipulation des Systems.
  • Die Implementierung einer (Web-)Schnittstelle zur Kommunikation mit dem System.
  • Das Design und die Implementierung einer Demo/Frontend-Anwendung zur vereinfachten Darstellung des Systemablaufs.
  • Weitere Vorschläge der Studenten.

Die Anzahl und die Typen der in Betracht gezogenen Aufgaben wird von der Größe der Gruppe sowie deren Interessen abhängig gemacht. Dies wird in dem Kick-Off Treffen der Lehrveranstaltung besprochen und entschieden.

Literatur

[1] Drozdowski et al. „Computational Workload in Biometric Identification Systems: An Overview“ (https://digital-library.theiet.org/content/journals/10.1049/iet-bmt.2019.0076)

[2] Ferrara et al. „The magic passport“ (https://ieeexplore.ieee.org/document/6996240)

[3] Scherhag et al. „Face Recognition Systems Under Morphing Attacks: A Survey“ (https://ieeexplore.ieee.org/document/8642312)

[4] Drozdowski et al. „Turning a Vulnerability into an Asset: Accelerating Facial Identification with Morphing“ (https://ieeexplore.ieee.org/document/8683326)

Treffen

Während der Treffen wird der Status des Projekts besprochen, Fragen beantwortet, und (falls vorhanden) Probleme gelöst.

Obligatorische Termine

10:15 — je nach Bedarf; spätestens jedoch 14:15. Die Treffen finden in D19, Raum 2.03a statt.

  • 2019-10-16 (KickOff)
  • 2019-11-06
  • 2019-12-04 (Status/Zwischenpräsentation)
  • 2020-01-15
  • 2020-02-12 (Präsentation und Prüfung)

Weitere Termine

Nach Vereinbarung mit den Dozenten.

Arbeitsraum

Das Studentenlabor im Gebäude D19, Raum 2.03 steht zur Verfügung.

Bewertungskriterien

Einreichung

  • Ein Bericht, der die Projektarbeit und die Ergebnisse dokumentiert.
  • Code in einem Versionskontroll-Repository (https://code.fbi.h-da.de/).
  • Folien für die mündliche Präsentation.

Prüfung

  • Findet während des letzten obligatorischen Termins statt.
  • Jedes Gruppenmitglied muss einen Teil der mündlichen Präsentation vortragen.
  • Die Dozenten werden den einzelnen Gruppenmitgliedern nach der Präsentation Fragen stellen.

Benotung

  • Die Beiträge jedes Gruppenmitglieds müssen explizit dokumentiert werden, z.B. durch Commit-Verlauf in der Versionskontrolle, wer hat welchen Abschnitt im Bericht geschrieben, wer hat welche Folien vorbereitet, usw.
  • Die Benotung ist individuell und hängt vom Gesamtbeitrag zum Projekt sowie von der mündlichen Prüfung ab.
  • Die Details werden während des Kick-Off Treffens besprochen.
  • Die Beiträge zu Code, Bericht, und Präsentation werden bei der Benotung gleichgewichtet.

Dozenten