一種基于多模態(tài)生物特征的密鑰生成方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于多模態(tài)生物特征的密鑰生成方法，包括：1)采集N種生物特征圖像，提取生物特征數(shù)據(jù)并量化成特征向量；2)處理特征向量，提取二進制串代表該生物特征；3)生成隨機密鑰K，與二進制串集合利用Shamir秘密分享方法綁定并輸出公開模板P；4)采集M種生物特征并得到二進制串集合，其中N≥M≥t≥2且t是Shamir方法的門限值；5)把步驟4)的二進制串集合和模板P輸入Shamir秘密共享方法恢復(fù)出密鑰K’；6)比對K和K’的哈希值以進行認證。本發(fā)明可以提高識別率和降低拒識率，產(chǎn)生更高熵的密鑰，將用戶身份和密鑰綁定，恢復(fù)密鑰的同時完成了對用戶的認證。
【專利說明】一種基于多模態(tài)生物特征的密鑰生成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于信息安全和生物識別領(lǐng)域，具體的說，涉及一種基于多模態(tài)生物特征的密鑰生成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]伴隨著云計算和智能終端的廣泛使用，移動云正深入地影響到人們生活的方方面面。如今，用戶習慣于把大量的個人數(shù)據(jù)存儲到云端，并在需要的時候通過各種各樣的設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。但云端存在的安全性和隱私保護等問題，致使用戶通常選擇將個人隱私數(shù)據(jù)加密之后再上傳到云端，讀取數(shù)據(jù)前在終端解密數(shù)據(jù)。這個過程需要一個合適的密鑰管理方法。然而，傳統(tǒng)的密鑰管理方法都有一定的局限性，比如密碼易忘且安全強度不夠，令牌易丟失且攜帶不便等。生物密鑰技術(shù)的快速發(fā)展為移動云場景下的密鑰管理帶來了一個全新的解決方案。它利用用戶的生物特征生成穩(wěn)定的加密密鑰，不僅攜帶方便，不易丟失而且穩(wěn)定性好。
[0003]當前對于生物密鑰的研究主要分為兩方面:單模態(tài)生物密鑰系統(tǒng)和多模態(tài)生物密鑰系統(tǒng)。單模態(tài)生物密鑰是利用單個生物特征來生成密鑰，比如面部、指紋、聲音、虹膜等等。主要的關(guān)注點是如何從存在不確定性的生物特征采集數(shù)據(jù)中提取出精確且穩(wěn)定的密鑰，同時保證生物數(shù)據(jù)的安全。但是單模存在的問題是，由于描述用戶的穩(wěn)定信息不多，從而生成的密鑰長度不夠，且識別率和拒識率都不理想。多模態(tài)生物密鑰利用多個生物特征來生成密鑰，主要的關(guān)注點是在單模的基礎(chǔ)上，如果設(shè)計一個合適的方案融合多個生物特征數(shù)據(jù)，從而提高性能表現(xiàn)。
[0004]在之前描述的多模方案的識別過程中，必須提供所有注冊的生物特征數(shù)據(jù)才能恢復(fù)出密鑰。而在移動云場景下，不同智能終端的生物采集設(shè)備并不一致，導致用戶數(shù)據(jù)解密的跨終端性支持不是很好。所以如何設(shè)計一個支持跨終端的基于多模態(tài)生物特征的密鑰生成方法顯得重要且迫切。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明提出了一個基于多模態(tài)生物特征的密鑰生成方法，能夠使生物密鑰應(yīng)用于移動云場景，實現(xiàn)跨終端解密特性。
[0006]本發(fā)明提出一種基于多模態(tài)生物特征的密鑰生成方法，包括注冊和驗證兩個過程，注冊階段采集N(N ^ 3)種生物數(shù)據(jù)作為輸入生成模板，驗證階段輸入第二次采集的M(N^M^ 2)種注冊的生物數(shù)據(jù)做驗證，包括如下步驟:
[0007]I)采集N種生物特征圖像，分別預(yù)處理并提取出生物特征數(shù)據(jù)，并將生物特征數(shù)據(jù)量化成特征向量；
[0008]2)處理每一個特征向量,提取特定長度的二進制串codeword代表該生物特征；
[0009]3)生成一固定長度的隨機密鑰K,與提取的codeword集合通過Shamir秘密共享方法綁定，并輸入公開模板P ;
[0010]4)在驗證階段，采集M種已注冊的生物特征，并采用步驟I)?2)所述方法得到一codeword的集合,其中N彡M彡t彡2,且t是Shamir方法預(yù)設(shè)的門限值；
[0011 ] 5)把步驟4)得到的codeword集合和模板P輸入到Shamir秘密共享方法中,解綁恢復(fù)出密鑰K’ ；
[0012]6)比對原密鑰K和K’的哈希值，如相同則認證通過，并成功恢復(fù)出密鑰K ;如不同，則認證失敗。
[0013]更進一步，步驟I)所述的生物特征向量的提取方法是:
[0014]I)對齊并二值化圖像，選定感興趣區(qū)域，并提取特征點或者圖像數(shù)據(jù)；
[0015]2)利用區(qū)域劃分或者濾波變換等量化手段，將特征點或圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成集合形式的生物特征。
[0016]更進一步,步驟2)所述的codeword提取方法包括:
[0017]I)利用Fuzzy Extractor方法處理特征向量，并生成codeword ；
[0018]2)驗證階段，只要查詢特征向量與注冊特征向量的集合差小于預(yù)設(shè)的門限值T，即可恢復(fù)并生成相同的codeword ；
[0019]3)不同生物特征根據(jù)自身穩(wěn)定性特定，設(shè)定不同的集合差門限值T。
[0020]更進一步,所述的Fuzzy Extractor方法包括:
[0021]I)輸入集合向量，經(jīng)Sketch過程產(chǎn)生模板S，集合向量與隨機數(shù)X的哈希值作為codeword 輸出；
[0022]2)如模板S和驗證集合向量的差值在集合差門限值T內(nèi)，經(jīng)Sketch過程可以恢復(fù)出原集合向量。
[0023]更進一步，步驟3)所述的通過Shamir秘密共享方法綁定密鑰的過程，包括:
[0024]I)生成一個隨機密鑰K，作為將來需要恢復(fù)并使用的加密密鑰；
[0025]2)構(gòu)造t-Ι次多項式，并在有限域空間內(nèi)隨機選取t-Ι個均勻分布的常量作為系數(shù)，F(xiàn)(x) = K + modp ;其中，F(xiàn) (x)表示多項式函數(shù)，t表示門限T，Si表示隨機選取的

1-1
常量系數(shù)，P表示一個大素數(shù)；
[0026]3)將codeword作為自變量代入上述公式(I)，計算出相應(yīng)的函數(shù)值，組成一個函數(shù)值集合Q ；
[0027]4)計算K的哈希值H(K)，并和集合Q —起作為模板P公布。
[0028]更進一步，步驟5)中Shamir秘密共享方法解綁密鑰的過程包括:
[0029]I)將第二次求得的codeword和模板P中的集合S代入上面的公式，求得密鑰K’ ；
[0030]2)計算K’的哈希值H (K’)與模板P中的H(K)進行比對，如相同則認證通過并成功恢復(fù)出密鑰K，如不同則認證失敗。
[0031]由上述的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提出了一種基于多模態(tài)生物特征的密鑰生成方法，利用用戶的多個生物特征生成密鑰，并且允許用戶只使用大于門限值個數(shù)的注冊生物特征即可恢復(fù)出密鑰，同時完成了對用戶身份的認證。這為移動云場景下的密鑰管理方案帶來了合適的解決方案，能夠讓生物密鑰滿足移動云場景下跨終端獲取加密數(shù)據(jù)的需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明基于多模態(tài)生物特征產(chǎn)生密鑰的總體框架。
[0033]圖2為本發(fā)明基于多模態(tài)生物特征產(chǎn)生密鑰的提取codeword的流程圖。
[0034]圖3為本發(fā)明基于多模態(tài)生物特征產(chǎn)生密鑰的注冊和恢復(fù)密鑰的流程圖。

【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和具體實施對本發(fā)明做進一步詳細的說明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
[0036]本實施例子采用如圖1所示的多模生物特征產(chǎn)生密鑰的總體框架圖。其中主要包括三個模塊:生物特征向量提取，codeword提取，密鑰綁定/解綁。
[0037]圖2所示是codeword的提取模塊，注冊或者驗證時，每種生物特征都會產(chǎn)生或者恢復(fù)出相應(yīng)的codeword。
[0038]圖3所示是密鑰的綁定或者解綁模塊，注冊或者驗證時，可以綁定或者解綁一個預(yù)生成的隨機密鑰。
[0039]本實施例子假設(shè)注冊時有四種生物數(shù)據(jù)，即N = 4。預(yù)設(shè)的門限值t = 3，即只要三種生物數(shù)據(jù)就可恢復(fù)出預(yù)設(shè)的隨機密鑰。不失一般性假設(shè)M = 3，且和注冊順序相同的前三個。
[0040]如圖1所示，首先4種生物數(shù)據(jù)分別經(jīng)過采集設(shè)備采集，并通過特征提取模塊量化成集合形式的特征向量V = Iv1, V2, V3, V4I。
[0041]接下來對V中的每一個元素分別進行codeword提取，如圖2所示，假設(shè)途中W即特征向量Vi,每個元素Vi = (S1, S2,…，sq}。注冊階段,首先Vi經(jīng)過一個Sketch過程生成一個公開模板s,并且s與一個隨機數(shù)X的哈希值作為codeword輸出，但保存s和X。在驗證階段，同樣輸入該特征的特征向量W’，定義集合差函數(shù)為dis，該特征的預(yù)定義門限值為T0只要W與W，滿足dis (W，W，) ( T即可通過Sketch過程利用s和W，恢復(fù)出W，然后W與X的哈希值輸出，即可恢復(fù)出該特征值的codeword。最終得到的codeword集合為C ={Cl，C2, C3, c4}，其中的每個元素Ci是個定長的二進制序列。需要注意的是，由于不同生物特征的穩(wěn)定性不同，所以這里的門限值T也各不相同。
[0042]接下來是密鑰綁定/解密模塊，如圖1所示。圖3詳細描述了該原理。由于預(yù)設(shè)的門限值t = 3，所以首先構(gòu)造一個基于有限域的多項式:
[0043]f (X) = S2XWs1Xks0 mod p (I)
[0044]其中s2，S1為有限域內(nèi)的隨機數(shù),作為系數(shù)，S0為隨機生成的密鑰K, P為一個大素數(shù)。
[0045]在注冊階段,用上面生成的codeword集合C = Ic1, c2, c3, c4}分別代入公式(I)求得f (Xi),即圖中的1\。然后生成模板P= (T1, T2, T3, T4 ；H(K)}并保存，銷毀密鑰K。在驗證階段，由于M = 3，經(jīng)過前面的處理步驟之后，生成的codeword驗證集合有3個元素，即C’ ={c/，c2，，c3，}。結(jié)合公開模板 P 和 C’，組成一個驗證值對 KT1, c' i), (T2, C，2), (T3, C，3)}代入到公式(I)中，求出Stl，即恢復(fù)的密鑰K’。然后驗證H(K’)與H(K)是否相同，如果相同則驗證通過，并成功恢復(fù)出密鑰K。如果不相同，則驗證失敗，認證不通過。
[0046]本發(fā)明提出的基于多模態(tài)生物特征的密鑰產(chǎn)生方法，不僅能夠產(chǎn)生用于數(shù)據(jù)加密的密鑰，并且同時能夠完成對用戶身份的認證。更重要的是，它讓生物密鑰滿足移動云場景下跨終端獲取加密數(shù)據(jù)的需求。
[0047]以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其進行限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求所述為準。
【權(quán)利要求】
1.一種基于多模態(tài)生物特征的密鑰生成方法，包括注冊和驗證兩個階段，注冊階段采集N種生物數(shù)據(jù)作為輸入生成模板，驗證階段輸入第二次采集的M種注冊的生物數(shù)據(jù)進行驗證，N≥3，N≥M≥2，包括如下步驟: 1)采集N種生物特征圖像，從其中提取出生物特征數(shù)據(jù)，并將生物特征數(shù)據(jù)量化成特征向量； 2)處理每一個特征向量，提取特定長度的二進制串代表該生物特征； 3)生成一固定長度的隨機密鑰K，與提取的二進制串集合通過Shamir秘密共享方法綁定，并輸入公開模板P ； 4)在驗證階段，采集M種已注冊的生物特征，并采用步驟I)~2)所述方法得到二進制串的集合，其中N≥M≥t≥2，且t是Shamir方法預(yù)設(shè)的門限值； 5)把步驟4)得到的二進制串集合和模板P輸入到Shamir秘密共享方法中，解綁恢復(fù)出密鑰K’ ； 6)比對原密鑰K和K’的哈希值，如相同則認證通過，并成功恢復(fù)出密鑰K;如不同，則認證失敗。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟I)所述的生物特征向量的提取方法是: 1-1)對齊并二值化圖像，選定感興趣區(qū)域，并提取特征點或者圖像數(shù)據(jù)； 1-2)利用量化手段將特征點或圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成集合形式的生物特征。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:步驟1-2)所述量化手段為區(qū)域劃分或者濾波變換。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟2)所述的二進制串的提取方法包括: 2-1)利用FuzzyExtractor方法處理特征向量,并生成二進制串； 2-2)驗證階段，只要查詢特征向量與注冊特征向量的集合差小于預(yù)設(shè)的門限值T，即可恢復(fù)并生成相同的二進制串； 2-3)不同生物特征根據(jù)自身穩(wěn)定性特定，設(shè)定不同的集合差門限值T。
5.如權(quán)利要求3所述的方法,其特征在于,所述的FuzzyExtractor方法包括: a)輸入集合向量，經(jīng)Sketch過程產(chǎn)生模板S，集合向量與隨機數(shù)X的哈希值作為二進制串輸出； b)如模板S和驗證集合向量的差值在集合差門限值T內(nèi)，經(jīng)Sketch過程可以恢復(fù)出原集合向量。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟3)所述的通過Shamir秘密共享方法綁定密鑰的過程包括: 3-1)生成一個隨機密鑰K，作為將來需要恢復(fù)并使用的加密密鑰； 3-2)構(gòu)造t-Ι次多項式，并在有限域空間內(nèi)隨機選取t-Ι個均勻分布的常量作為系數(shù)，
其中，F(xiàn)(X)表示多項式函數(shù)，t表示門限T，Si表示隨機選取的常
量系數(shù)，P表示一個大素數(shù)； 3-3)將二進制串作為自變量代入上述公式，計算出相應(yīng)的函數(shù)值，組成一個函數(shù)值集合Q ； 3-4)計算K的哈希值H(K)，并和集合Q —起作為模板P公布。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟5)中Shamir秘密共享方法解綁密鑰的過程包括: 5-1)將第二次求得的二進制串和模板P中的集合S代入步驟3-2)中的公式，求得密鑰K，； 5-2)計算K’的哈希值H (K’)與模板P中的H(K)進行比對，如相同則認證通過并成功恢復(fù)出密鑰K，如不同則認證失敗。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，假設(shè)注冊時有四種生物數(shù)據(jù)，即N= 4，預(yù)設(shè)的門限值t = 3，并取M= 3，首先構(gòu)造一個基于有限域的多項式:
f (X) = s2x2+s1x1+s0 mod p, 其中S2，S1為有限域內(nèi)的隨機數(shù)，取作系數(shù)，S0為隨機生成的密鑰K，P為有限域；在注冊階段，設(shè)得到的二進制串集合為C = {Cl，C2, C3, c4}，其中的每個元素Ci是個定長的二進制序列，用生成的二進制串集合C= {Cl, C2, c3, c4}分別代入上述多項式求得f (Xi)，作為Ti,然后生成模板P = IT1, T2, T3, T4 ；H(K)}并保存，銷毀密鑰K ； 在驗證階段，由于M = 3，經(jīng)過前面的處理步驟之后，生成的二進制串驗證集合有3個元素，即C’ = Ic1 ’，c2’，c/}，結(jié)合公開模板P和C’，組成一個驗證值對{(T1, c' ^，(T2, C，2)，(T3，c’3)}代入到上述多項式中，求出Stl，即恢復(fù)的密鑰K’ ；然后驗證H(K’)與H(K)是否相同，如果相同則驗證通過，并成功恢復(fù)出密鑰K，如果不相同，則驗證失敗，認證不通過。
【文檔編號】H04L9/32GK104168112SQ201410321174
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】陳馳, 王朝剛, 楊騰飛, 林東岱 申請人:中國科學院信息工程研究所