Multi-Factor Authentication
based on Movement and Gesture
vorgelegt von
Dipl. Inf.
Mehran Roshandel
aus Shiraz, Iran
von der Fakultät IV – Elektrotechnik und Informatik
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzende: Prof. Dr.-Ing. Slawomir Stanczak TU-Berlin
Gutachter: Prof. Dr. Jean-Pierre Seifert, TU-Berlin
Gutachter: Prof. Dr. Marian Margraf, Freie Universität Berlin,
Gutachter: Prof. Dr. Niels Pinkwart, Humboldt Universität Berlin
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 15. Juni 2017
Berlin 2017
Zusammenfassung
Sicherheit und Usability sind zwei Seiten derselben Medaille. Je sicherer und
aufwendiger eine Sicherheitsmethode (z. B. Authentifizierungsmethode) im-
plementiert wird, desto benutzerunfreundlicher wird sie, wie bei der Nutzung
von Chipkarten anstatt einfacher Passwörter zu beobachten ist. Ferner meiden
Nutzer die Anwendung von komplexen Sicherheitsmethoden. Dieses parado-
xe Verhalten führt letztlich zu weniger Sicherheit.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist, neuartige Verfahren für Authentifizierungs-
prozesse zur Verfügung zu stellen, um die Sicherheit und die Handhabbarkeit
dieser Prozesse zu verbessern. In dieser Arbeit werden dafür drei Verfahren
vorgestellt, die basierend auf Signalerfassung von verschiedenen Sensoren in
mobilen Geräten oder zusätzlichem Zubehör eine geeignete Nutzersignatur
zwecks Authentifizierungsprozess extrahieren.
Das erste Verfahren „Authentication Based on Movement and Audio Analysis”
nutzt den eingebauten Bewegungssensor und das Mikrofon (Erfassung von
Umgebungsgeräuschen, die bei Nutzerbewegungen entstehen) eines mobilen
Gerätes zum Extrahieren eines eindeutigen Musters, das dem Bewegungsver-
halten eines Nutzers entsprechend (z. B. beim Laufen) erzeugt wird. Diese
Signatur wird dann zur kontinuierlichen und impliziten Autorisierung ver-
wendet.
Das zweite Verfahren „MagiTact“ nutzt den eingebauten Magnetometer-
sensor (Kompass). In diesem Verfahren kann der Nutzer mithilfe eines exter-
nen (permanenten oder elektrischen) Magneten das natürliche elektromagneti-
sche Feld um das Gerät verändern. Diese Veränderungen werden durch Ver-
fahren der künstlichen Intelligenz so interpretiert, dass der Nutzer durch eine
dreidimensionale Geste in die Luft eine eindeutige Signatur zwecks Autorisie-
rung erzeugen kann.
Das dritte Verfahren „Pingu“ verwendet eine neue Hardware in Form eines
Fingerringes, die auch alle typische Sensoren von mobilen Geräten (Bewe-
gungssensor, Gyroskop, Magnetometer) in sich integriert und mit Berüh-
rungssensor und Bluetooth-sensor zur Verbesserung der Bedienbarkeit und
Verbindung mit anderen Geräten wie dem PC erweitert wird. Die neue Hard-
II
ware erlaubt die Implementierung und Verbesserung der Methoden gestenba-
sierter Authentifizierung aus den zuvor vorgestellten Verfahren.
Ferner werden in dieser Arbeit als Basis für die oben genannten Verfahren die
allgemeinen Gestenerkennungsmethoden und der Einfluss auf Gestendesign
bzw. Applikationsdesign sowie auf die Nutzerinteraktion diskutiert.
III
Abstract
Security and usability are in constant touch with each other. It is in the
nature of security methods that, the more secure they are, the more they
complicate interactions. Yet users dislike using complex interactions,
particularly frequent ones such as unlocking a mobile phone for calling.
The primary goal of this work is to provide novel engineering methods
for the authentication process in order to improve the relationship
between security and usability. Therefore, this work introduces three
methods: “Authentication Based on Movement and Audio Analysis,
“MagiTact” and “Pingu.” The first two approaches focus primarily on
mobile devices since they use sensors embedded in them such as accel-
erometers, gyroscopes, and magnetometers for recognizing movement
and gestures. The third method introduces a self-designed finger ring
with the same sensors, which enables users benefit from gesture-based
methods on non-mobile devices. Furthermore, the ring includes a touch
sensor for improving interactions, an LED and force sensor for feed-
back and a Bluetooth sensor for connectivity to other devices like a PC.
This work additionally explores the impact of interaction design on
implementing gesture-based methods.
The first method, Authentication Based on Movement and Audio Anal-
ysis, is intended to aid in extending security functionalities on mobile
handsets and presents our research results concerning both the analysis
of movements in addition to the ambient audio signals captured by mo-
bile devices. This method presents how the identity of a user can be
verified by his or her mobile device based on the pattern of his or her
regular physical activities such as walking. This allows for implicit and
continuous re-identification of the user. The implicit process does not
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