DE69213854T2 - Verfahren und Gerät zum Steuern eines Systems unter Verwendung von Unterschriftsprüfung - Google Patents

Description

Erfindungsgebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Mustererkennung und insbesondere die Überprüfung handschriftlicher menschlicher Unterschriften.
Stand der Technik
• Die automatische Überprüfung einer Unterschrift ist ein nützliches Mittel zur Identifikation eines Menschen, beispielsweise zwecks Feststellung seiner Berechtigung, eine automatisierte Transaktion abzuschließen oder Kontrolle über einen Rechner zu erhalten oder physischen Zutritt zu einem Schutzbereich zu erlangen. Unterschriften sind besonders nützlich zur Identifikation, da die Unterschrift jeder Person höchst einmalig ist, besonders wenn zusätzlich zur Form der Unterschrift die dynamischen Eigenschaften der Unterschrift in Betracht gezogen werden. Selbst wenn ein geübter Fälscher die Form einer Unterschrift genau wiedergeben kann, ist es unwahrscheinlich, daß er auch deren dynamischen Eigenschaften wiedergeben kann.
• Das Problem der Unterschriftsüberprüfung ist von zahlreichen Experten angesprochen worden. Einige Experten haben sich auf die Analyse der in Unterschriften verkörperten statischen Formen konzentriert, während sich andere Experten auf die Analyse von dynamischen Eigenschaften konzentriert haben. Beispielsweise ist in dem L. Bechet am 13. Februar 1990 erteilten US-Patent 4 901 358 ein Überprüfungsverfahren beschrieben, bei dem die dynamischen Eigenschaften von Unterschriften analysiert werden. In diesem Patent wird ein Überprüfungsverfahren auf Grundlage der x- und y-Geschwindigkeitssignale der Unterschrift offenbart. Jedes Geschwindigkeitssignal wird in standardisierte kurze Segmente zerlegt und jedes Segment wird mit einem entsprechenden Segment einer vorher erhaltenen Bezugsunterschrift verglichen. In einem gegensätzlichen Ansatz wird in dem N.M. Herbst et al. am 17. Mai 1977 erteilten US-Patent 4 024 500 die Verwendung des Geschwindigkeitssignals zur Trennung der Unterschrift in Segmente, gefolgt von einer Formanalyse der Segmente offenbart. Ein dritter Ansatz ist in EP-A-514 082 beschrieben. Bei diesem Ansatz wird eine Modellunterschrift als Bezugsgrundlage für die Formanalyse benutzt. Die Modellunterschrift wird durch affine invariante Durchschnittsbildung von Bezugsunterschriftssegmenten aufgebaut. Bei einem geschwindigkeitsbasierenden Segmentierungsverfahren wird jede zu segmentierende Unterschrift durch Anwendung von dynamischer Zeitanpassung mit einer ausgewählten Bezugsunterschrift verglichen.
• Wenn jedoch die Unterschrift einer Person (hiernach eines "Eintrittsuchenden") nach einem der oben beschriebenen Verfahren überprüft wird, wird sie segmentweise mit einer Bezugsunterschrift verglichen. Solche Verfahren erfordern infolgedessen die Speicherung einer relativ großen Menge an Informationen über die Bezugsunterschrift. Dieses Erfordernis ist nachteilig bei Anwendungen, bei denen die entsprechenden Bezugsinformationen an einer entfernt gelegenen Stelle zu speichern sind, wo nur begrenzte Speichermittel zur Verfügung stehen. Für solche Anwendungen ist es wünschenswert, die Eintrittsucherunterschrift durch eine Menge numerischer Parameter zu kennzeichnen, die, obwohl sie relativ klein ist, immer noch die Unterschrift dieser Person mit einem großen Maß an Zuversicht identifiziert.
• Weiterhin ist ein solches parameterbasierendes Verfahren, selbst wenn es nicht ein annehmbares Zuversichtsniveau bietet, in Kombination mit komplexeren Verfahren (zum Beispiel auf Grundlage von Musteranpassung) nützlich, die zu Kosten einer größeren Verzögerung oder größerer Informationsspeichererfordernisse eine größere Zuversicht bieten. In einer solchen Kombination ist das parameterbasierende Verfahren als grobes Sieb zur Abweisung grober Fälschungen oder abnormaler Unterschriften nützlich, ohne das komplexere Verfahren aufrufen zu müssen.
• Ein auf numerischen Parametern basierendes Unterschriftsüberprüfungsverfahren ist in der Tat beschrieben worden. In dem James W. Dyche am 17. Oktober 1972 erteilten US-Patent 3 699 517 ist ein Verfahren beschrieben, in dem sechzehn Komponenten eines Echtzeit- Unterschriftsvektors mit den an einer Bezugsmenge vorher erhaltener Probeunterschriften berechneten entsprechenden Mittelwerten verglichen werden. Wenn eine ausreichende Anzahl der Komponenten innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der entsprechenden Mittelwerte fällt, wird die Unterschrift angenommen.
• Obwohl ein solches Verfahren vorteilhaft geringe Speichererfordernisse und schnelle Verarbeitung bieten kann, ist es immer noch relativ ineffizient. In dieser Hinsicht ist festgestellt worden, daß die Unterschriften eines gegebenen Eintrittsuchers verläßlich auf Grundlage von weniger als sechzehn Parametern überprüft werden können, besonders wenn die besondere Auswahl von Parametern die Eigenheiten der Handschrift eines gegebenen Eintrittsuchers angepaßt werden kann. Bislang ist es den Experten nicht gelungen, eine solche Flexibilität bereitzustellen, und sie haben infolgedessen kein parameterbasierendes Unterschriftsüberprüfungsverfahren mit äußerst hohem Wirkungsgrad bereitstellen können.
• In GB-A-2 104 698 wird ein auf numerischen Parametern und ihren statistischen Eigenschaften basierendes Unterschriftsüberprüfungsverfahren beschrieben. In FR-A-2 649 509 wird ein Unterschriftsüberprüfungsverfahren beschrieben, das auf Gruppen von numerischen Parametern basiert, die optimal für ihre Fähigkeit, für eine bestimmte Person echte von gefälschten Unterschriften zu trennen, ausgewählt worden sind.
Kurze Beschreibung der Erfindung
• Die mit dem obigen Stand der Technik verbundenen Schwierigkeiten werden durch das Verfahren nach Anspruch 1 überwunden. In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kontrolle des Zutritts zu einen System des Typs, bei dem Zutritt auf Unterschriftsüberprüfung beruht. Die Erfindung wird typischerweise in einem Kommunikationsnetz ausgeübt, beispielsweise einer Mehrzahl von Bankzweigstellen, die jeweils mit einer Hauptstelle über Fernsprechleitungen kommunizieren, oder einer Mehrzahl von über ein Ortsnetz miteinander verkehrenden Arbeitsplätzen.
• Bei bevorzugten Ausführungsformen legt ein Eintrittsucher Probeunterschriften über Digitalisierungsmittel vor, die die Speicherung der Probeunterschriften in digitaler Form erleichtern. In einer Initialisierungsphase wird von jedem Eintrittsucher digital unter Verwendung des Digitalisierungsmittels eine Menge von mindestens zwei berechtigten Probeunterschriften aufgezeichnet, die hier als die "Bezugsmenge" bezeichnet werden. In einer späteren Überprüfungsphase wird von einer Person (die in Anspruch nimmt, ein berechtigter Eintrittsuchender mit früher aufgezeichneten Probeunterschriften zu sein) wiederum digital eine Unterschrift aufgezeichnet, die hier als "Eintrittsucherunterschrift" bezeichnet wird. Zum Überprüfungsvorgang gehört die Berechnung von einem oder mehreren hiernach als "Eintrittsucherfehler" bezeichneten Fehlerwerten, die das Maß darstellen, in dem sich die Eintrittsucherunterschrift von den berechtigten Probeunterschriften unterscheidet. Wenn der Eintrittsucherfehler unter einem gewissen Schwellwert liegt (oder als Alternative weniger gleich diesem ist), werden Reaktionsmittel aktiviert, z.B. wird eine elektrische Schaltung oder Logikoperation aktiviert, so daß dem Eintrittsuchenden Zutritt zum System gewährt wird. Wenn das Erfordernis nicht erfüllt wird, kann der Eintrittsucher wahlweise gebeten werden, eine oder mehrere zusätzliche Eintrittsucherunterschriften zur Überprüfung vorzulegen.
• In der Initialisierungsphase der bevorzugten Ausführungsform werden die Probeunterschriften digital verarbeitet und ergeben eine Menge von mindestens vier berechneten Werten, die für die Probeunterschriften kennzeichnend sind und eine gewisse Gruppe von hier als "Maße" bezeichneten räumlichen und dynamischen Eigenschaften der Probeunterschriften darstellen. Eine den Durchschnitts- oder typischsten derartigen Wert über die Menge von Bezugsunterschriften darstellende Zahl wird berechnet. Eine solche Zahl wird hiernach als "Durchschnittswert" bezeichnet. Der gegenwartig bevorzugte derartige Durchschnittswert ist das statistische Mittel. Auch wird eine Zahl berechnet, die die Veränderlichkeit des Maßes über die Menge von Bezugsunterschriften darstellt. Eine solche Zahl wird hiernach als "Abweichung" bezeichnet. Die gegenwärtig bevorzugte derartige Abweichung ist die statistische Standardabweichung. Bezeichnenderweise und im Gegensatz zum Stand der Technik wird eine aus den mindestens drei Maßen mit den geringsten Abweichungen über die Menge von Bezugsunterschriften bestehende Teilmenge für nachfolgende Verwendung in der Überprüfungsphase ausgewählt.
• Als Teil der Initialisierungsphase der bevorzugten Ausführungsform wird der Schwellwert auf Grundlage von aus den Bezugsunterschriften abgeleiteten Informationen berechnet. Für jede Bezugsunterschrift wird jedes der für diese Unterschrift ausgewerteten ausgewählten Maße mit dem entsprechenden Durchschnittswert über die Bezugsmenge verglichen. Ein solcher Vergleich führt zu einer Menge berechneter Fehler, jeweils einen für jede Bezugsunterschrift, in Bezug auf die Bezugsmenge. Der Schwellwert wird auf Grundlage dieser Fehler bestimmt, die hiernach als "Bezugsfehler" bezeichnet werden.
• Die Überprüfungsphase schließt eine oder mehrere Stufen, typischerweise mit einer Parameteranpassungsstufe ein. Auf dieser Stufe wird mindestens eine Eintrittsucherunterschrift digital zur Auswertung der ausgewählten Maße in Bezug auf diese Unterschrift verarbeitet. Der Eintrittsucherfehler wird durch Vergleichen dieser Maßwerte mit den entsprechenden mittleren Bezugswerten berechnet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Figur 1 ist ein Flußdiagramm, das schematisch die Schritte nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschreibt.
• Figur 2 ist ein Flußdiagramm, das schematisch eine beispielhafte Folge von Schritten beschreibt, die zur Bestimmung eines in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zurückweisung gefälschter Unterschriften nützlichen Schwellwertes führen.
• Figuren 3-6 sind Balkendiagramme, die die Fähigkeit der Erfindung, echte Unterschriften von Fälschungen zu unterscheiden, beispielhaft darstellen.
Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
• Es wird ein System bereitgestellt, das in der Lage ist, einem hier als "Eintrittsucher" bezeichneten Menschen Zutritt zu gewähren bzw. Zutritt zu verweigern. Wie oben bemerkt ist Zutritt von der erfolgreichen Überprüfung der Eintrittsucherunterschrift abhängig.
• Wenn beispielsweise das System ein Bank-Geldausgabeautomat ist, besteht ein solcher Zutritt in der Fähigkeit des Eintrittsuchers, eine Banktransaktion unter Verwendung des Systems durchzuführen. Zutritt wird beispielsweise durch Aktivierung einer elektrischen Schaltung bereitgestellt, die das System so steuert, daß es eine Transaktion durchführen kann. (Eine solche Aktivierung einer elektrischen Schaltung kann beispielsweise die Einstellung eines digitalgespeicherten Wertes bzw. einer "Markierung" in einem Digitalepeicher umfassen). Andere Formen von "Zutritt", die durch Aktivierung einer elektrischen Schaltung bereitgestellt werden können, werden leicht offenbar sein und schließen beispielsweise die Deaktivierung eines physischen Verschlußmechanismus oder die Einstellung eines digitalgespeicherten Wertes ein, so daß ein Rechner oder Rechnerendgerät danach auf die Befehle des Eintrittsuchers reagiert.
• Beispielhafte Digitalisierungsmittel umfassen ein kapazitäterfassendes Wandlertablett, das die Stellung (d.h. die horizontale bzw. x-Koordinate und die vertikale bzw. y-Koordinate) der Spitze eines Stiftes erfaßt und diese Informationen zu einer digitalen Speichervorrichtung (z.B. einem Digitalrechner) überträgt. Vorzugsweise sind derartige Mittel auch zum Erfassen und Übertragen von den Stiftdruck darstellenden Daten in der Lage (beispielsweise mittels eines Druckwandlers im Stift). In der am 28. Februar 1990 eingereichten gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Seriennummer 635 086 wird eine geeignete Stift-Tablett-Eingabevorrichtung beschrieben.
• Wenn ein Benutzer seine Berechtigung als Eintrittsucher beweist, gibt er eine Bezugsmenge von mindestens zwei Probeunterschriften ein. (Die Gesamtzahl von Unterschriften in der Bezugsmenge wird durch die positive Ganzzahl n bezeichnet.) In der Tat ist es wünschenswert, daß er mindestens fünf Unterschriften und sogar bis zu zehn oder mehr eingibt. Jede Unterschrift wird als eine Folge von x-y-Koordinatenpaaren aufgezeichnet, die mit einer gleichmäßigen Frequenz von beispielsweise ca. 300 Punkten pro Sekunde aufgezeichnet werden. Zusammen mit den räumlichen Koordinaten wird wahlweise zu denselben Zeitpunkten eine dritte Koordinate, der Druck p aufgezeichnet.
• Obwohl die aufgezeichneten Daten typischerweise ebenmäßig sind, gibt es gelegentliche grobe Ausreißer und rauschbehaftete Punkte, die entfernt werden müssen (typischerweise weniger als 1% der Gesamtmenge). Diese lassen sich leicht durch ihren großen Euklidischen Abstand von den Nachbarpunkten identifizieren.
• Nach einer gegenwartig bevorzugten Ausführungsform wird dann durch die übrigen x- und y-Koordinaten für jedes Wort in jeder Unterschrift ein ebenmäßiger Weg aufgebaut. Dies wird vorzugsweise durch getrenntes Glätten jeder Koordinate in Bezug auf Zeit unter Verwendung einer kubischen Glättungs-Splinefunktion durchgeführt.
• In einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform wird der Glättungsbetrag automatisch durch globale Quervalidierung des integrierten Euklidischen Abstandes zwischen den Beobachtungs- und Ausgleichspunkten gewählt. Typischerweise wird sehr wenig Glättung durchgeführt und die Ausgleichskurven nähern sich gewöhnlich der Interpolierung der Beobachtungsfolgen an. Es gibt drei Gründe zur Glättung der Unterschriftsfolgen auf diese Weise: (1) obwohl der Glättungsbetrag gering ist, werden dadurch im allgemeinen kleine Sprungstellen beseitigt, die durch Meßfehler aufgrund der Diskretisierung während des Aufzeichnungsvorganges oder kleine Bewegungen während des Unterschreibens eingeführt wurden; (2) durch die kubische Splinedarstellung wird die Folge in eine Funktion verwandelt, die an jedem Punkt t ausgewertet werden kann (dies ist für Zwecke nachfolgender Schritte zweckdienlich); und (3) die kubische Splinefunktion weist zwei stetige Ableitungen auf, von denen die erste in der Geschwindigkeitsberechnung benutzt wird.
• Wenn die Beobachtungs-Unterschriftsfolge durch
• Xi, i = 1, ...,N
• gemessen an Zeitpunkten ti bezeichnet wird, dann wird durch die geglättete Unterschrift S(t) das Kriterium
• über einen geeigneten Sobolev-Raum von Funktionen und für einen Wert des Glättungsparameters λ minimiert. Die Lösung ändert sich drastisch mit dem Wert des Glättungsparameters, der zugeführt werden muß. Es ist wünschenswert, den guervalidierten integrierten Euklidischen quadrierten Abstand
• als Kriterium zur Auswahl von λ zu benutzen. Dabei ist
• der Wert der bei ti ausgewerteten glatten Kurve; durch das tiefgesetzte (i) wird angedeutet, daß der i-te Punkt selbst beim Ausgleichen der Kurve weggelassen wurde. Dieses Kriterium ist wünschenswert, da damit das Signal in der Unterschrift erkannt wird und ein Wert für λ ausgewählt wird, so daß nur soviel Glättung durchgeführt wird, daß der geringe Betrag an Meßfehler beseitigt wird.
• Für jede der n geglätteten Probeunterschriften wird ein zeitabhängiges Geschwindigkeitssignal berechnet. Es ist in dieser Hinsicht zu bemerken, daß vom beispielhaften Glättungsverfahren entsprechende Geschwindigkeitssignale erzeugt werden.
• Jede der geglätteten Unterschriften läßt sich durch eine Gruppe von mindestens vier Maßen kennzeichnen, die leicht aus der geglätteten Unterschrift berechenbar sind. Jedes Maß ist eine gutdefinierte mathematische Eigenschaft einer abgetasteten Unterschrift, die potentiell zur Identifizierung des Schreibers dieser Unterschrift nützlich ist, da sie sich zwischen vom selben Schreiber getätigten Unterschriften relativ wenig verändert. Ein solches Maß stellt räumliche und/oder dynamische Eigenschaften der Unterschrift dar. Es ist jedoch zu beachten, daß, obwohl sich für jeden gegebenen Schreiber im allgemeinen eine Gruppe relativ invarianter Maße finden läßt, dieselbe Gruppe im allgemeinen nicht für andere Schreiber funktioniert. Stattdessen weisen unterschiedliche Schreiber im allgemeinen unterschiedliche (relativ) invariante Maße auf. Aus den Einzelmaßen werden wie oben besprochen leicht Durchschnittswerte und Abweichungen als Parameter berechnet, die die Bezugsmenge als Ganzes kennzeichnen.
• Ein Maß ist einfach die gesamte Weglänge L der Unterschrift (die wahlweise durch die horizontale Breite der Unterschrift skaliert wird), die sich leicht aus dem gespeicherten Feld entsprechend der abgetasteten (und geglätteten) Unterschrift berechnen läßt. Ein weiteres Maß ist die Gesamtdauer T der Unterschrift, die als die Anzahl der während der Aufzeichnung der Unterschrift abgetasteten Punkte geteilt durch die Abtastrate berechenbar ist. Verschiedene andere Maße lassen sich leicht aus dem horizontalen Geschwindigkeitssignal vx, dem vertikalen Geschwindigkeitssignal vy, dem horizontalen Beschleunigungssignal ax und dem vertikalen Beschleunigungssignal ay berechnen. Diese Größen sind jeweils als die ersten Ableitungen nach Zeit der horizontalen und vertikalen Lage und die zweiten Ableitungen nach Zeit der horizontalen und vertikalen Lage definiert. Wie schon bemerkt werden vx und vy durch den gegenwärtig bevorzugten Glättungsalgorithmus berechnet. Auch lassen sich die Beschleunigungssignale ax und ay leicht durch gutbekannte numerische Verfahren berechnen.
• Die Weggeschwindigkeitsgröße (Geschwindigkeit) v wird anhand der horizontalen und vertikalen Geschwindigkeit durch:
• ausgedrückt. Die Tangentialbeschleunigung at wird anhand der horizontalen und vertikalen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen durch:
• at = (vxax + vyay) / v
• ausgedrückt. Die Zentripetalbeschleunigung ac läßt sich ausdrücken als:
• ac = (vxay - vyax) / v.
• Die Größe a der Gesamtbeschleunigung wird gegeben durch:
• Die zeitliche Ableitung j der Beschleunigung, die häufig als "Ruck" bezeichnet wird, ist in dieser Hinsicht ebenfalls nützlich. jx und jy seien die zeitlichen Ableitungen von ax bzw. ay, dann kann j ausgedrückt werden durch
• j = (axjx + ayjy) / a.
• Jede der Größen v, ac, at, a und j läßt sich leicht als Funktion der Zeit berechnen. Unter Verwendung gutbekannter numerischer Verfahren wird leicht der Effektivwert jeder dieser Funktionen über die abgetastete (und geglättete) Kurve berechnet. Durch solche Berechnungen werden jeweils die folgenden Maße bereitgestellt: die effektive Geschwindigkeit V, die effektive Zentripetalbeschleunigung Ac, die effektive Tangentialbeschleunigung At, die effektive Gesamtbeschleunigung A und der effektive Ruck J. Zusätzlich wird leicht der Mittelwert von vx berechnet, wodurch die durchschnittliche horizontale Geschwindigkeit x als Maß bereitgestellt wird. Zusätzlich lassen sich leicht gutbekannte numerische Verfahren zur Integrierung von ac über die Kurve benutzen, was das Integral nach Zeit der Größe der Zentripetalbeschleunigung IAc als ein Maß bereitstellt. Die oben beschriebenen Maßnahmen haben sich in der Praxis als nützlich erwiesen. Diese Liste ist jedoch nicht erschöpfend. Stattdessen werden dem geübten Fachmann viele andere möglicherweise nützliche Maßnahmen offenbar sein.
• In der Initialisierungsphase wird eine Gruppe von Maßen, beispielhafterweise die oben beschriebenen neun Maße, berechnet. In dieser Hinsicht ist zu bemerken, daß die beiden Hauptaspekte von Unterschriftsdaten, nämlich Form und Dynamik, etwas ergänzende Rollen bei der Unterscheidung von gültigen Unterschriften von Fälschungen aufweisen. Das heißt, je härter von einem Fälscher versucht wird, jedes Detail der Form einer Unterschrift zu kopieren, desto unwahrscheinlicher ist es, daß er ihre Dynamik erfaßt, und umgekehrt. Die Parameteranpassungsstufe sollte daher Maßnahmen enthalten, mit denen zwischen Form und Dynamik unterschieden werden kann, so daß bei Paarigkeit eines Aspektes beim anderen Unpaarigkeit herrscht. Es hat sich herausgestellt, daß zwecks Unterscheidung zwischen Form und Dynamik eine besonders nützliche Gruppe von Maßen diejenigen sind, die sich auf wegtangentiale und wegnormale Eigenschaften der Bewegung der Stiftspitze beziehen (d.h. diese darstellen oder von diesen abgeleitet sind). Zu diesen Maßen zählen V, Ac, At, A, J und IAc, die oben beschrieben sind. Dementsprechend gehört zur Initialisierungsphase vorzugsweise die Berechnung von mindestens einem derartigen Maß.
• Wie bemerkt ist eine bedeutende Begrenzung der benutzten Maße die, daß ihre Veränderlichkeit über die Bezugsmenge von Unterschriften klein sein sollte, um die Möglichkeit einer falschen Abweisung von gültigen Unterschriften zu verringern. Da jede Unterschrift ihre eigenen Eigenschaften aufweist, die sich zeitlich langsam verändern, werden Maße vorzugsweise nach der Bezugsmenge von Unterschriften jeder Einzelperson gewählt, und diese Wahl entwickelt sich vorzugsweise mit der zeitlichen Veränderung der Bezugsmenge.
• Nach einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform werden die oben beschriebenen neun Maße für jede Unterschrift in der Bezugsmenge des Eintrittsuchers ausgewertet. Als der Maßraum für diesen Eintrittsuchenden wird eine Teilmenge der neun Maße ausgewählt, die diejenigen Maße umfaßt, die die geringsten Standardabweichungen aufweisen (wenn jedes auf das entsprechende Mittel normiert ist). Es werden vorzugsweise mindestens drei Maße ausgewählt.
• Hinsichtlich der Überprüfungsphase nehme man an, daß vom Eintrittsucher i eine Eintrittsucherunterschrift vorgelegt wird. Mij sei der Wert des j-ten Maßes in der Teilmenge von für den Eintrittsucher i ausgewählten Ni Maßen. (Es sollte beachtet werden, daß allgemein nicht alle der für die Bezugsunterschriften ausgewerteten Maße zur Verwendung in der Überprüfungsphase ausgewählt werden. Stattdessen wird eine Teilmenge ausgewählt, einschließlich beispielsweise nur derjenigen Maße, die die kleinste Standardabweichung über die Bezugsmenge aufweisen). Auch sollen µij und ij das Mittel bzw. die Standardabweichung von Mij über die aktuelle Bezugsmenge bezeichnen. Die Größe Ei des Fehlervektors in diesem Maßraum für das Subjekt i wird nützlicherweise definiert als
• Nach einem gegenwärtig bevorzugten Überprüfungstest wird aus der Bezugsmenge des Eintrittsuchers i ein Grenzschwellwert Ci bestimmt. Wenn Ei weniger als Ci (oder als Alternative weniger gleich Ci) ist, wird die Eintrittsucherunterschrift angenommen. Ansonsten wird die Unterschrift abgewiesen.
• Bei typischen Anwendungen wird das Ziel dieser Überwachungsprozedur sein, grobe Fälschungen oder Fehler bei der Unterschrift schnell abzuweisen, aber für die Prüfung in der zweiten Stufe Unterschriften, die entweder gültige Unterschriften oder geübte Fälschungen sein können, anzunehmen. Dementsprechend sollte der Fehlerschwellwert hoch genug uber dem größten Fehler in der Bezugsmenge liegen, um eine sehr niedrige falsche Abweisungsrate sicherzustellen.
• Nach der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform wird während der Initialisierungsphase der Fehler Ei für jede der Bezugsunterschriften berechnet, wobei diese Unterschrift behandelt wird, als wenn sie eine Eintrittsucherunterschrift wäre. Der größte der auf diese Weise berechneten Fehler (d.h. der Bezugsfehler) ist der Maßstab zur Festlegung des Grenzschwellwertes Ci. Das heißt, Ci wird auf Gleichheit mit dem größten Bezugsfehler eingestellt, oder es wird auf irgendeinen schrittweise höheren Wert wie beispielsweise 10% über dem größten Bezügsfehler eingestellt.
• In dieser Hinsicht ist zu bemerken, daß während der Initialisierungsphase gutbekannte statistische Verfahren zur Erkennung von Bezugsunterschriften mit abnormalen Fehlern benutzt werden können. Solche Abnormalitäten können beispielsweise aus nichtwiederholbaren Fehlern bei der Schriftführung des Eintrittsuchers entstehen. Solche abnormale Unterschriften werden wahlweise aus der Bezugsmenge entfernt.
• Die obige Besprechung ist in der Figur 1 zusammengefaßt. Mittel 100 sind zur Eingabe einer Bezugsmenge von Unterschriften während der Initialisierungsphase 010 in die Digitalwandlungs- und Speichermittel 110, die beispielsweise eine digitale Zentraleinheit umfassen, bereitgestellt. Analoge (und bei mindestens einigen Anwendungen identische) Eingabemittel 120 und Umwandlungs- und Speichermittel 130 sind für die Eingabe und Speicherung von mindestens einer Eintrittsucherunterschrift in der Überprüfungsphase 020 bereitgestellt. Die Bezugsmenge von Unterschriften darstellende Daten werden verarbeitet, um eine Menge dynamischer Parameter, typischerweise das Mittel und die Standardabweichung über die Bezugsmenge von jeder einer Menge von Maßen zu erhalten. Für Beispielszwecke sind in der Figur drei derartige Maße, 140.1, 140.2 und 140.3 dargestellt. Die Überprüfungsphase enthält eine Parameteranpassungsstufe 030 und eine oder mehrere wahlweise zweite (und höhere) Stufen 040. In der Parameteranpassungsstufe wird die gespeicherte digitalisierte Eintrittsucherunterschrift der digitalen Verarbeitung 150 unterworfen, die in dem Beispiel der Figur berechnete Werte Mi1, Mi2 und Mi3 jeweils entsprechend den Maßen 140.1 - 140.3 ergibt. Bezeichnenderweise werden in dieser Stufe nur ausgewählte Maße ausgewertet. Wie schon bemerkt wird durch den Index i der Eintrittsucher gekennzeichnet, dessen Unterschrift überprüft wird, und der Index j kennzeichnet hier eines der ausgewählten Maße. Im Verarbeitungsschritt 160 wird aus den Parameterwerten und den Werten Mij ein Fehler berechnet. Im Verarbeitungsschritt 170 wird der Fehler mit einem Schwellwert verglichen. Wenn der Fehler den Schwellwert überschreitet, wird die Unterschrift abgewiesen. An dieser Stelle kann eine neue Vorlage einer Eintrittsucherunterschrift angefordert werden, oder die Transaktion mit dem Eintrittsucher kann einfach abgebrochen werden. Wenn die Unterschrift angenommen wird und es nur eine Überprüfungsstufe gibt, wird die elektrische Schaltung 050 aktiviert, die dem Eintrittsucher Zugang zu einem System ermöglicht. (Für rein beispielhafte Zwecke ist eine solche Aktivierung in der Figur als Betätigung eines Relays dargestellt). Wenn, wie in der Figur dargestellt, die Überprüfungsphase eine zweite Stufe aufweist, werden die gespeicherten Unterschriftsdaten einem Überprüfungsprozeß 180 in zweiter Stufe unterworfen, der wie zuvor entweder die Zurückweisung oder Annahme und Gewährung von Zugang oder Annahme und Aufruf einer noch höheren Überprüfungsstufe ergibt.
• Bezeichnenderweise wird in der Parameteranpassungsstufe 030 die Eintrittsucherunterschrift mit einer relativ geringen Menge von Daten bezüglich der Bezugsmenge verglichen. Solche Daten bestehen aus den Identitäten der ausgewählten Maße, den Mittelwerten (oder sonstigen Durchschnittswerten) und Standardabweichungen (oder sonstigen Abweichungen) dieser Maße über die Bezugsmenge, und dem Schwellwert. Als Teil der Initialisierungsphase werden diese Daten zweckdienlicherweise digital an einem Ort gespeichert, der für den Eintrittsucher lokal ist. Ein solcher Ort ist beispielsweise mit einem Rechnerendgerät oder Geldausgabeautomat verbunden, über den der Eintrittsucher Transaktionen mit dem System, dessen Zugang kontrolliert ist, durchführt. Ein besonders zweckdienlicher Ort für eine solche Speicherung ist ein kleines tragbares Objekt wie beispielsweise eine Kreditkarte, die mit einem digitalen Datenspeichermittel (z.B. Magnetspeicherung oder einer Festkörper-Mikrochip- Speichervorrichtung) ausgerüstet ist und vorn Eintrittsucher mitgeführt wird.
• Dementsprechend läßt sich leicht eine Ausführungsform der Erfindung vorstellen, bei der die Initialisierungsphase die lokale Datenspeicherung nach der Beschreibung umfaßt. In einer nachfclgenden Parameteranpassungsstufe werden die Daten aus dem lokalen Datenspeichermittel in das System mit kontrolliertem Zugang eingegeben.
Beispiel
• Die für diese Untersuchung erhaltene anfängliche Datenbank enthielt Bezugsmengen von jeweils 10 Unterschriften, die zu den vier als EP, FS, SG und WN identifizierten menschlichen Subjekten gehörten. Auch wurden Fälschungen wie folgt erhalten: 10 Fälschungen von der Unterschrift des Subjekts EP, 9 von FS; 4 von SG und 10 von WN. Die vier Fälscher waren Freiwillige, denen Proben der Unterschrift, die sie nachahmen sollten, gezeigt wurden und die (im allgemeinen 5-10 Minuten) üben konnten, bis sie dachten, daß sie zur Abgabe der Fälschungsproben bereit waren. Jeder Fälscher ahmte die Unterschrift eines der vier Subjekte nach.
• Die oben beschriebenen neun Maße wurden für jede Bezugsmenge ausgewertet und es wurden der Mittelwert und die Standardabweichung jedes Maßes innerhalb jeder Menge berechnet.
• Es wird darauf hingewiesen, daß, um die Parameteranpassungsprozedur automatisch zu machen, eine Menge Regeln zur Auswahl der Zahl Ni und Menge {Mij} von Maßen zur Verwendung bei der Berechnung der Fehlergröße Ei für das Subjekt i und zur Festlegung des richtigen Schwellwerts Ci, um das gewünschte niedrige Niveau falscher Abweisungen zu erreichen, benötigt wird.
• Bezug nehmend auf Figur 2 wurde eine beispielhafte Prozedur wie folgt festgelegt: für jedes Subjekt wurden die neun Maße rangweise nach der Standardabweichung jedes Maßes (normiert zum entsprechenden Mittel) über die Bezugsmenge dieses Subjekts geordnet (Schritt 200 der Figur). Danach wurde wiederholt der Bezugsfehler für jede Unterschrift in der Bezugsmenge unter Verwendung nacheinander größerer Teilmengen der neun rangweise geordneten Maße berechnet. Es wurde beobachtet, daß Teilmengen der besten drei Maße nur geringfügig bessere Unterscheidung zwischen gültigen und gefälschten Unterschriften boten, als es Teilmengen der besten zwei Maße taten. Teilmengen von vier Maßen ergaben wesentlich bessere Unterscheidung. Wenn jedoch mehr als vier Maße in Betracht gezogen wurden, wurde beobachtet, daß sich die Schwankung über die Bezugsmenge erhöht. Auf Grundlage der bestehenden Daten wurden daher die vier höchstrangigen Maße gewählt (Schritt 210). Es wurde der größte Bezugsfehler berechnet (Schritt 220) und der Schwellwert Ci wurde willkürlich auf einen Wert 10% größer als dieser Wert gesetzt (Schritt 230 der Figuren 1 und 2). Dieser Wert läßt sich leicht entsprechend den Statistiken falscher Abweisungen in einer gegebenen Gesamtheit einstellen.
• Die Parameteranpassungsprozedur wurde auf die gültigen und gefälschten Unterschriften der Subjekte SG, FS, WN und EP unter Verwendung der vier besten Maße für jeden bei der Berechnung der Eintrittsucherfehler angewandt. Die in Figuren 3-6 dargestellten Ergebnisse zeigen Fehlergröße für die zehn gültigen Unterschriften in der linken Gruppe von Balken und die Fälschungen in der rechten Gruppe jeder Aufzeichnung. Die gestrichelte Linie ist der Wert von Ci für jedes Subjekt. Die vier für jedes Subjekt gewählten Maße sind ebenfalls in jeder Aufzeichnung aufgelistet.
• Aus den Figuren ist ersichtlich, daß die Fälschungen für FS (Figur 4) und SG (Figur 3) leicht von der Bezugsmenge gültiger Unterschriften unterschieden werden konnten. Die Fälschungen für WN (Figur 5) waren erkennbar. Die Bezugsmenge WN wies jedoch genug Veränderlichkeit auf, anzudeuten, daß der Schwellwert höher als der angenommene 10%-Wert eingestellt werden sollte, um falsche Zurückweisungen zu verringern. Eine solche Änderung würde jedoch die Annahme von nur etwas besseren Fälschungen als denjenigen, die ausgeführt wurden, als gültig ergeben. Die Fälschungen für EP (Figur 6) waren sehr geübt an die Statistiken der benutzten Maße angepaßt und es wurden nur 4 von den 10 zurückgewiesen. (Es ist zu bemerken, daß eine Überprüfungsprozedur mit zweiter Stufe mit ausführlicherer Form-Analyse möglicherweise bei der Zurückweisung solcher Fälschungen, die die Parameteranpassungsprozedur überleben, Erfolg ergeben würde.) Bezeichnenderweise wies die zweite Unterschrift der Bezugsmenge für EP einen wesentlich größeren Fehler auf als die neun übrigen Unterschriften. Würde diese Unterschrift aus der Bezugsmenge entfernt werden, dann würde der Schwellwert auf ein Niveau erniedrigt, wo nur eine der Fälschungen als gültig angenommen werden würde.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben eines Systems mit Zutrittkontrolle, wobei einer Eintritt suchenden Person durch Aktivierung einer elektrischen Schaltung (50) Zutritt gewährt wird, wenn eine als Eintrittsucherunterschrift zu bezeichnende Unterschrift des Eintrittsuchenden als die Unterschrift eines berechtigten Benutzers des Systems angenommen wird, wobei das Verfahren eine Initialisierungsphase (10) und eine Überprüfungsphase (20) umfaßt und:

a) die Initialisierungsphase (10) das Senden von elektrischen Signalen, die eine Mehrzahl von in einer Bezugsmenge enthaltenen echten Unterschriften des Eintrittsuchers, die durch menschliche Handhabung eines elektrornechanischen Wandlers (10) erhalten wurden, darstellen, zu einem Digitalprozessor umfaßt, wobei die besagten Signale als Initialisierungsphasen-Ausgangssignale bezeichnet werden; und

b) die Initialisierungsphase weiterhin das digitale Verarbeiten der Initialisierungsphasen-Ausgangssignale umfaßt, so daß für jede Unterschrift in der Bezugsmenge eine Menge von mindestens vier numerischen Größen berechnet wird, wobei jede der besagten Größen eine entsprechende vorbestimmte räumliche und/oder dynamische Unterschriftseigenschaft darstellt, die als Maß bezeichnet wird;

c) die Initialisierungsphase (10) weiterhin das Berechnen eines Durchschnittswertes jedes Maßes über die Bezugsmenge umfaßt;

d) die Initialisierungsphase (10) weiterhin das Auswählen einer gewählten Teilmenge von Maßen (210) unter den Maßen umfaßt;

e) die Initialisierungsphase weiterhin das Berechnen eines mit jeder der Bezugsunterschriften verbundenen Bezugsfehlers und, aus den Bezugsfehlern, das Berechnen eines Schwellwerts zur Annahme bzw. Abweisung der Eintrittsucherunterschrift (230) umfaßt;

f) die Überprüfungsphase das Senden von elektrischen Signalen, die eine durch menschliche Handhabung eines elektromechanischen Wandlers (120) erhaltene Eintrittsucherunterschrift darstellen, zu einem Digitalprozessor umfaßt, wobei die besagten Signale als Überprüfungsphasen-Ausgangssignale bezeichnet werden;

g) die Überprüfungsphase weiterhin das digitale Verarbeiten der Überprüfungsphasen-Ausgangssignale umfaßt, so daß ein auf die Eintrittsucherunterschrift bezogener numerischer Wert für jedes Maß in der gewählten Teilmenge (150) berechnet wird;

h) die Überprüfungsphase weiterhin das Berechnen einer Unpaarigkeit zwischen: (i) den über die Bezugsmenge gemittelten Maßen in der gewählten Teilmenge und (ii) denselben, für die Eintrittsucherunterschrift (160) ausgewerteten Maßen umfaßt;

i) die Überprüfungsphase weiterhin das Vergleichen der Unpaarigkeit mit dem Schwellwert (170) und das Erzeugen eines Annahmesignals, wenn die Unpaarigkeit unter dem Schwellwert liegt, umfaßt; und

j) das Verfahren weiterhin das Aktivieren einer elektrischen Schaltung (150), die das System entsperrt, als Reaktion auf das Annahmesignal umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß

k) der Schritt des Auswählens der besagten Teilmenge aus dem einzelnen Berechnen einer Abweichung ( ) jedes Maßes über die Bezugsmenge (140.1, 140.2, 140.3), dem rangweisen Ordnen der Abweichungen und dem Auswählen der N Maße mit den geringsten Abweichungen besteht, wobei N eine Ganzzahl von mindestens 3 und kleiner als die Anfangszahl der im Schritt b kestimmten numerischen Größen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Maße aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus folgenden besteht: der gesamten Unterschriftslänge, der gesamten Unterschriftsdauer, der effektiven Geschwindigkeit, der effektiven Zentripetalbeschleunigung, der effektiven Tangentialbeschleunigung, der effektiven Gesamtbeschleunigung, dem effektiven Ruck, dem Mittelwert der horizontalen Geschwindigkeit und dem Integral nach Zeit der Größe der Zentripetalbeschleunigung.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Maße eine wegnormale oder wegtangentiale Eigenschaft der Bezugsunterschriften darstellt oder von diesen abgeleitet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Mittelwert jedes Maßes über die Bezugsmenge das statistische Mittel dieses Maßes über die Bezugsmenge ist, und die Abweichung jedes Maßes über die Bezugsmenge die Standardabweichung ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei:

a) die Unpaarigkeit Ei für die Unterschrift des i-ten Eintrittsuchers aus dem Ausdruck

berechnet wird, wobei Mij das j-te der ausgewählten Maße der gewählten für die Unterschrift des i-ten Eintrittsuchers ausgewerteten Teilmenge ist, Ni die Gesamtzahl von in der gewählten Teilmenge für den i-ten Eintrittsucher enthaltenen Maßen ist, µij das Mittel des j-ten Maßes über die i-te Bezugsmenge ist, ij die Standardabweichung des j-ten Maßes über die i-te Bezugsmenge ist und die Summierung über die ausgewählten Maße der gewählten Teilmenge ausgeführt wird; und

der mit jeder der Bezugsunterschriften verbundene Bezugsfehler dadurch berechnet wird, daß jede Bezugsunterschrift nacheinander wie eine Eintrittsucherunterschrift behandelt und die entsprechende Unpaarigkeit berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Berechnens des Schwellwertes das Kennzeichnen des größten Bezugsfehlers und Auswählen eines Schwellwertes, der größer gleich dem größten Bezugsfehler ist, umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei:

a) die Initialisierungsphase weiterhin das digitale Speichern - auf einem in bezug auf mindestens einen Eintrittsucher lokalen Speichermittel - von Daten umfaßt, die folgendes umfassen: die Identitäten der ausgewählten Maße der gewählten Teilmenge, die Mittelwerte und Abweichungen der ausgewählten Maße der gewählten Teilmenge über die Bezugsmenge und den Schwellwert; und

b) die Überprüfungsstufe weiterhin das Lesen der lokal gespeicherten Daten umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für jede Bezugsunterschrift mindestens fünf Maße ausgewertet werden und genau vier Maße für den Einschluß in die gewählte Teilmenge ausgewählt werden.