IR-basierte Authentifizierung
Das sicherste Passwort der Welt
Hygienisch, präzise, effizient: Gesichtserkennung mit Infrarot-LED-Technik, eingebettet in ein Ökosystem aus leistungsstarken Sensor- sowie Scanmodulen, macht beispielsweise Zugangskontrollen so sicher wie nie.
Mit der wachsenden Sensibilität gegenüber Infektionskrankheiten seit der COVID-19-Pandemie hat Gesichtserkennung bei kontaktlosen Authentifizierungsverfahren an Bedeutung gewonnen. Insbesondere der biometrische Fingerabdruck gerät als Alternative ins Hintertreffen. Im Alltag begegnet uns die Gesichtserkennung bereits häufig beim Entsperren des Smartphones. Aber auch in Sicherheitssystemen wie intelligenten Türschlössern, Zugangsterminals oder Ausweislesern überzeugt Gesichtserkennung nicht nur als berührungsfreie, sondern auch besonders benutzerfreundliche, reaktionsschnelle, sichere und präzise Technologie.
Herzstück moderner Systeme sind leistungsstarke Infrarot-Emitter in Kombination mit optimierten Treibern und präzisen bildgebenden Sensoren, wie sie beispielsweise Lichtexperte ams Osram für viele Arten der biometrischen Authentifizierung und sonstige Erkennungsverfahren herstellt. Die Eigenschaften der verwendeten Emitter und Sensoren haben entscheidenden Einfluss, um maximale Sicherheit zu gewährleisten und gleichzeitig Energieverbrauch und Herstellungskosten des Gesamtsystems gering zu halten.
Von Automatisierung bis Sicherheit
Unsichtbares Infrarotlicht spielt eine wichtige Rolle im weiten Feld der Sicherheit. Es findet in vielen Bereichen Verwendung, in denen Technologie zu Erkennungszwecken eingesetzt wird. Im industriellen Kontext können Infrarotlicht-basierte Systeme dazu dienen, den Automatisierungsgrad zu erhöhen und den Einsatz von Robotern zu verbessern. Im öffentlichen Bereich werden sie zum Beispiel zur Nummernschilderkennung oder zur Verkehrsüberwachung eingesetzt. Vor allem aber basieren die meisten Sicherheitslösungen auf der IR-Technologie. Dazu gehört die Überwachung von Innen- und Außenbereichen öffentlicher wie privater Räume genauso wie die biometrische Authentifizierung an mobilen Geräten und Wearables.
Einer der größten Vorteile von Infrarotlicht ist der, dass seine Funktionstüchtigkeit – insbesondere in den Spektralbereichen um 850 und 940 nm – nur in geringem Maße von den umgebenden Lichtverhältnissen abhängig ist. Daher kann es beispielsweise auch bei Tageslicht, Dunkelheit oder sogar starkem Gegenlicht zuverlässig eingesetzt werden. Es überzeugt dadurch besonders bei der biometrischen Authentifizierung.
Gesichtserkennung ist nicht gleich Gesichtserkennung
Biometrische Authentifizierungsmethoden basieren zum Großteil auf den Eigenschaften (Größe, Form, Position usw.) und der einzigartigen Kombination von Gesichtsmerkmalen wie Wangenknochen, Augen, Nase, Mund, Lippen, Kinn, Kieferlinie, Stirn, Kopfhaut und Ohren. Häufig wird die Gesichtserkennung mit anderen Authentifizierungsmethoden, wie dem Scan eines Fingerabdrucks, der Iris oder des Venenmusters einer Hand, kombiniert. Diese mehrfache Absicherung reduziert die Falscherkennungsrate und die Falschrückweisungsrate (False Acceptance Rate, FAR / False Rejection Rate, FRR) – also Vorgänge, bei denen eine Person zu Unrecht erkannt (falsch akzeptiert), sowie Vorgänge, bei denen jemand fälschlicherweise nicht erkannt wird (falsch abgelehnt). Berührungslose biometrische Scan-Optionen überzeugen jedoch vor allem aus hygienischer Sicht immer mehr Anwender.
Je nach Einsatzzweck stellen Infrarotlicht-basierte Systeme zur Authentifizierung unterschiedliche Anforderungen an die Lichtquelle. Dazu zählt beispielsweise die nötige Reichweite: Bei der Ausleuchtung einer kürzeren Entfernung zum Zielbereich braucht es eine geringere Intensität und einen breiteren Abstrahlwinkel, während leistungsstarke IR-LEDs mit hoher Intensität und engem Abstrahlwinkel für eine große Reichweite benötigt werden (z. B. bei Sicherheitsanwendungen im Freien). Auf der Bildsensorseite sind die entscheidenden Parameter eine passende Auflösung, höchste Quanteneffizienz, ein gutes Signal-Rauschverhalten und eine sehr kompakte Bauform.
Aber auch der Modus, in dem das System operieren soll, spielt eine Rolle. Ist ein dauerhafter oder ein temporärer Betrieb erforderlich? Besonders für den temporären Betrieb mit reduziertem Energieverbrauch bietet ams Osram interessante Lösungen an: als vorintegrierte Aufweckfunktion innerhalb des Bildsensors oder mittels intelligenter Sensoren zur Präsenzdetektion. Den entscheidenden Unterschied für die erreichbare Performance einer zur Biometrie-Erkennung eingesetzten Kameralösung machen perfekt aufeinander abgestimmte Komponenten in Bezug auf Wellenlänge und spektrale Stabilität der Lichtquelle sowie die Empfindlichkeit der verwendeten bildgebenden Sensoren. ams Osram bietet hierzu eine breite Auswahl passender Komponenten: IR-LEDs Synios und Oslon oder Mira-Bildsensoren im sichtbaren und IR-Spektralbereich, um hier nur eine kleine Auswahl aufzuzeigen.
Auch die Antwort auf die Frage, ob 2D- oder 3D-Bilder zur Gesichtserkennung verwendet werden sollen, variiert je nach Einsatzzweck und bestimmt die Eigenschaften der passenden LED-Module. In den meisten schutzbedürftigen Bereichen des Alltags, wie zum Beispiel bei der Authentifizierung am Laptop, bietet 2D- oder 2,5D-Bildtechnologie ausreichend Sicherheit. Die höchste Genauigkeit bei der Gesichtserkennung liefern modernste 3D-Verfahren. Um 3D-Bilder zu generieren, ist der Einsatz von zwei räumlich leicht versetzen Bildsensoren, sogenannte »Stereovision«, oder die Kombinationen eines Bildsensors mit einer zusätzlichen Laserprojektion eines definierten hochauflösenden optischen Musters nötig. Man spricht im zweiten Fall auch von sogenannter »Structured-Light«-Technologie, für die vertikal-emittierende Oberflächenstrahler, kurz VCSEL (Vertical Cavitiy Surface Emitting Laser), für die Erzeugung strukturierten Infrarotlichts nötig sind. Diese 3D-Technologien werden in besonders sensiblen Bereichen, wie beispielsweise in Banken, bevorzugt eingesetzt.
Neueste Authentifizierungslösungen basieren auf 3D-Bildern des Gesichtes, einer adaptiven Beleuchtung und Anwesenheitssensorik. 3D-Scans stellen in Kombination mit sogenannten Anti-Spoofing-Algorithmen sicher, dass die biometrisch gescannte Person sich auch physisch vor dem Zugangsgerät befindet. Damit soll Betrug und Missbrauch nahezu unmöglich gemacht werden, beispielsweise indem das System feststellt, ob ein Gesicht »lebendig« und echt oder eine Reproduktion ist. Darüber hinaus gibt es auch neueste Entwicklungen, die eine weitere Fusion mit Vitalsensoren realisieren, wie sie bereits heute in Smart Watches oder modernen Medizingeräten zum Einsatz kommen. Auch in diesem Bereich bietet ams Osram eine Vielzahl an vorintegrierten Sensorlösungen.
Vier zentrale Herausforderungen für Entwickler
Die Nachfrage nach Sicherheitssystemen für Wohnhäuser, öffentliche Gebäude und den gewerblichen Bereichen steigt. Hersteller moderner Zugangskontroll- und Sicherheitslösungen stehen bei der Entwicklung solcher Produkte vor vier großen Herausforderungen:
➔ Wie kann man das Risiko von falsch-positiven und falsch-negativen Ergebnissen verringern, um eine höhere Zuverlässigkeit und schnellere Erkennungsgeschwindigkeiten zu erreichen?
➔ Wie kann der Stromverbrauch des Systems gesenkt werden, insbesondere mit Blick auf batteriebetriebene Geräte?
➔ Platzersparnis auf Systemebene: Wie kann die Gesichtserkennungstechnologie auch in kleinen Geräten Platz finden, ohne die Hersteller in ihren Designoptionen einzuschränken?
➔ Wie lassen sich die Gesamtsystemkosten bestmöglich reduzieren, ohne an Qualität einzubüßen bzw. schlechte Bildqualität mittels aufwendiger und rechenintensiver Algorithmen aufbessern zu müssen?
Um diese Herausforderungen zu meistern, spielen die technologischen Hardwarekomponenten des Systems eine zentrale Rolle. Moderne und hochwertige Komponenten müssen sorgfältig ausgewählt und miteinander kombiniert werden, um beste Ergebnisse zu erzielen. Jedes komplette Gesichtserkennungssystem erfordert in der Regel eine Auswahl aus drei 3D-Scannertypen (Structured Light, Stereo Vision, Active Stereo Vision), die mit Kameras, Infrarot-Emittern, LED-Treibern, Anwesenheitserkennung, Umgebungslichtsensorik und optionaler dekorativer Beleuchtung realisiert werden.
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