IT Insight

생체 신호를 이용한 텔레바이오 인식, 어디까지 왔나?

2018.09.12 09:30

전통적으로 바이오 인식 기술은 출입국심사, 출입통제, 행정(무인 민원발급, 전자조달), 사회복지(미아 찾기, 복지 기금관리), 의료(원격의료, 의료진•환자 신원확인), 정보통신(휴대폰, PC, 인터넷 인증), 금융(온라인 뱅킹, ATM 현금 인출, 모바일 결제) 등 여러 방면에서 폭넓게 보급되어 실생활에서 널리 활용되고 있습니다.


최근 들어, 아래 그림 1에서 보는 바와 같이 모바일 지급 결제 서비스, ATM 인출기, 인터넷전문은행 등과 같은 핀테크 분야에서 비대면 인증 기술로 모바일 바이오 인식 기술이 각광을 받기 시작했습니다.


한편, 위조지문 등 기존의 신체적 특징(지문, 얼굴, 홍채, 정맥 등 신체 외부)을 이용한 바이오 인식 기술의 위변조 위협에 대한 우려가 존재함에 따라 뇌파, 심전도, 근전도, 맥박 등 살아있는 사람의 행동적(신체의 기능적 행동 패턴) 특징을 이용한 생체 신호 기반 비대면 인증 기술로 활용하고자 주요 선진국에서 차세대 바이오 인식 기술 개발을 가속하고 있습니다.



또한, 이러한 생체 신호는 최근에 삼성전자, LG전자, 애플 등에서 스마트워치를 통해 심장박동 수를 측정하고 스마트폰을 통하여 모바일 지급 결제, 헬스케어 등과 같은 IoT 모바일 융복합 응용서비스에 활용될 전망입니다.


이번 기고에서는 뇌파•심전도(심박수)와 같은 생체 신호를 측정하는 스마트워치, 밴드형, 의복형 또는 패치 형태의 웨어러블 디바이스와 같은 생체 신호 센서, 생체 신호 인증 기술 및 관련 표준화 동향을 알아보겠습니다.


지난 2016년 7월부터 KISA에서는 스페인, 미국 등 주요 선진국과 공동으로 지문, 심전도, 심박수 등 다중 생체 신호 인증 플랫폼을 개발하기 위하여 과기정통부, IITP 지원으로 국제공동연구 프로젝트를 수행함으로써 한국형 생체 신호를 이용한 차세대 텔레바이오 인식 기술에 대한 연구개발과 TTA PG505, ITU-T SG17 등 국내외 표준화를 진행하고 있습니다.


l 그림 1. 모바일 바이오 인식 기술


 생체 신호의 특성 분석


최근 유럽에서는 유럽 바이오 인식 협의회(EAB, European Association for Biometric)를 중심으로 매년 금융기관 대상으로 바이오 인식 위변조 방지 기술과 프라이버시 보호에 대하여 열띤 논의와 연구개발이 진행 중에 있습니다.


한편, 기존의 지문, 얼굴, 홍채, 정맥 등과 같은 신체적 특징을 이용하는 바이오 인식 기술에 대한 위변조 위협이 증대됨에 따라 행동학적 특징인 뇌파, 심전도 등과 같은 생체 신호를 이용하는 메디컬(감성 인식) 바이오 인식 기술(Medical or Cognitive biometrics)에 관해 미국 워싱턴대학•TI(Texas Instrument)社, 애플社, 캐나다 Nym社, 일본 소니, 한국 삼성전자 등 주요 선진국에서 앞다투어 스마트워치 등 웨어러블 디바이스에 생체 신호 센서를 탑재해 모바일 기기를 통한 생체 신호 인증 기술 및 융합서비스 연구개발에 박차를 가하는 추세입니다.


생체 신호가 측정되는 순간에 갖는 물리적인 특성에 근거하여 전기적, 기계적, 물리적, 광학적, 화학적 생체 신호로 분류할 수 있으며, 그림 2는 살아있는 사람에 대한 개인식별에 사용되는 대표적인 생체 신호 분류를 나타내고 있습니다.

 

l 그림 2. 생체 신호 유형


● 전기적 생체 신호

전압, 전류, 저항, 전도도 등의 전기적인 변수로 측정되는 생체 신호를 지칭합니다. 이러한 생체 신호를 측정하는 가장 대표적인 방법은 신호의 특성이 잘 반영되어 나타나는 신체의 표면에 전극을 부착하여 신호를 전압 또는 전위차의 형태로 기록하는 방법입니다. 전기적인 생체 신호의 범위에 속하는 생체 신호들은 다음과 같습니다.


① 심전도(ECG/EKG, Electrocardiogram)

심장의 박동과 관련되어 전압의 형태로 측정되는 전기적인 신호입니다. 심장 각 박동의 세부적인 순서에 따라서 정형적인 패턴을 나타내고 있어, 심장의 이상 진단에 활용되고 있는 대표적인 생체 신호입니다.


② 뇌전도(EEG, Electroencephalogram)

대뇌의 활동 상태에 따라 변화하는 신호로, 머리 표면에 부착한 전극에서 전압의 형태로 측정됩니다. 인지 기능, 감각 기능, 운동 기능, 감정 상태, 수면 상태 등 뇌의 다양한 활동 상태를 부위에 따라 선택적으로 나타내는 대표적인 생체 신호입니다.


③ 근전도(EMG, Electromyogram)

근육의 활동 상태를 나타내는 전기적인 생체 신호로, 관찰하고자 하는 근육의 부위로부터 가까운 위치에 전극을 부착해 전위 차이 형태로 측정합니다. 근육 수축의 여부 및 수축 강도를 나타내어 줍니다.



● 기계적•물리적 생체 신호

압력, 가속도, 온도, 소리, 힘 등의 기계적•물리적인 형태의 특성을 갖는 생체 신호로, 전기적인 생체 신호와 광학적인 생체 신호를 제외한 대부분의 생체 신호가 이 범주에 속한다고 볼 수 있습니다. 이 범주에 속하는 생체 신호들은 다음과 같습니다.


① 심탄도(BCG, Ballistocardiogram)

혈액을 신체의 말단 부위까지 전송하기 위해 박출하는 과정에서 심장의 운동 및 대동맥에서의 집단적인 혈액의 움직임은 외부에 미약한 힘을 가하게 됩니다. 힘을 측정하는 민감한 센서를 신체의 표면 또는 힘이 전달될 수 있는 위치에 장착하고 이 미세한 힘 신호를 측정하면 심장박동의 동태를 파악할 수 있습니다. 심전도와 함께 심장 활동에 관한 정보를 제공하면서 심장 박동에 의한 결과적인 정보를 제공합니다.


● 광학적•화학적 생체 신호

가시광선 또는 적외선 범위의 파장을 이용해 신체 내부 특성 성분의 비율 또는 분포를 측정한 생체 신호를 지칭합니다. 이 범주에 속하는 생체 신호들은 다음과 같습니다.


① 광용적맥파(PPG, Photoplethysmogram)

신체 말단에서 혈관의 용적이 변화하는 것을 모니터링하는 생체 신호입니다. 심장에서 혈액이 박동에 의하여 일정한 간격을 두고 간헐적으로 박출되므로, 말단에서 혈액의 흐름도 일정하지 않고 심장의 박동에 따라서 혈액의 양이 변화하게 됩니다. 혈액의 양이 증가하면 빛을 더욱 많이 흡수하게 되므로, 투과 또는 반사하는 광량이 감소하게 되는데 이를 통하여 혈관의 용적 변화를 측정할 수 있고, 심장 박동의 변화도 평가할 수 있는 생체 신호입니다.


 생체 신호 인증 기술 및 표준화 동향


2003년도부터 뇌파, 심전도(심박수), 근전도 등의 생체 신호를 이용해 개인 식별성에 관한 연구논문들이 주요 선진국을 중심으로 발표되기 시작했습니다. 특히 최근 들어서는 애플, 삼성전자, LG전자, 소니, 화웨이 등 스마트폰 개발업체를 중심으로 스마트워치 등과 같은 웨어러블 디바이스에서 심박수(PPG) 등과 같은 생체 신호를 측정하고, 생체 신호 개인식별 기술에 대하여 2005년 이후부터 급격히 관련 특허 출원 건수가 증가하고 있습니다.


● 생체 신호 센서

지난 2016년 1월 미국 텍사스주 댈러스에 위치한 TI社(Texas Instrument)에 방문하여 생체 신호 센서 기술에 대한 국제공동연구 관련하여 협의차 방문한 바 있습니다. 한국 측에서는 KISA, 웨어러블 디바이스 개발 업체 전문가와 미국 측에서는 TI社 생체 신호 센서 IC 칩(프로세서, DSP 엔지니어) 전문가 간 생체 신호 인증 기술에 대한 논의가 진행되었습니다.


특히, TI社는 심박수(PPG), 심전도(ECG)를 동시에 측정할 수 있는 센서 칩 개발이 완료되어 연내에 제품 발표를 앞두고 있으며, 대부분의 웨어러블 디바이스에 해당 센서 칩을 탑재할 계획으로 파악되었습니다. 이러한 생체 신호 센서 칩을 탑재한 웨어러블 디바이스에서는 고품질의 생체 신호를 취득할 수 있도록 신체 부위에 착용하거나 부착하여 장시간 불편함 없이 편리하게 사용할 수 있도록 설계되어야 합니다.


이에 따라, 국내외적으로 생체 신호 센서를 탑재한 웨어러블 디바이스의 형태를 살펴보면 액세서리형(스마트워치, 밴드, 안경, 목걸이), 직물•의류 일체형(셔츠, 양말, 신발), 신체 부착형(패치, 헤드셋, 모자, 헤어밴드), 생체이식형(알약, 신체 부위에 칩 이식) 등으로 분류할 수 있습니다.


l 그림 3. 뇌파 측정용 웨어러블 디바이스(신체 부착형)


현재 상용화된 생체 신호 센서를 탑재한 웨어러블 디바이스는 그림 3에서 보는 바와 같이 머리 부위에 착용할 수 있는 모자, 헤어밴드, 헤드셋의 형태로 뇌파 인식용 웨어러블 디바이스에 대한 상용 제품을 보여주고 있습니다.


그림 4에서는 액세서리, 직물•의류 일체, 신체 부착 형태의 심전도(심박수)용 웨어러블 디바이스에 대한 상용제품을 보여주고 있습니다.


l 그림 4. 심전도 측정용 웨어러블 디바이스(액세서리, 의류, 부착형)


특히, KISA에서는 국제공동연구 참여 기관인 유파인스와 공동으로 그림 5에서 보는 바와 같이 미국 TI社의 심전도와 심박수를 공동으로 측정할 수 있는 생체 신호 센서 칩을 이용한 손목 부착 형태의 액세서리형 스마트 밴드 시제품을 개발했습니다.


l 그림 5. 심전도•심박수 동시측정용 KISA 시제품(스마트 밴드형)


● 생체 신호 인증 기술 동향

기존 신체적 특성의 바이오 인식 기술에 비해 위변조에 강하고 편리성과 이동성이 우수한 차세대 바이오 인식 기술로 생체 신호 인증 기술이 주요 선진국 중심으로 활발한 연구개발이 진행 중에 있습니다.


다행히 지난 2016년 9월 29일 대학병원, 스마트폰•바이오 인식 개발업체, 금융•원격의료 연구기관 등 산학연 전문가로 구성된 KISA 생체 신호 인증 기술 연구회를 발족해 인증, 시험, 표준화, 산업화 등 관련해 연구개발과 더불어 관련 국내외 표준화를 추진 중입니다.


그림 6은 KISA와 서울대학병원이 공동으로 국내외 생체 신호 개인 식별성 및 연구용 DB 구축 연구결과로서 개인 식별성은 심전도(ECG) 99.5%, 뇌파(EEG, eye-close) 96.8%, 뇌파(EEG, eye-open) 93.2%, 광용적맥파(PPG) 89.8%의 시험 결과가 나왔으며 이 중에서 생체 신호에 대한 인증률은 심전도(ECG) 84.3%, 뇌파(EEG, eye-close) 78%로 나타남에 따라 현재 수준에서는 심전도에 의한 개인 식별성이 가장 우수하고 뇌파에 대한 개인 식별성 연구도 한창 진행 중입니다.


l 그림 6. KISA 생체 신호 개인식별 기술 연구사례


그림 7에서는 현재 KISA 주관하에 스페인, 미국과 공동으로 2018년 말에 개발 완료 예정인 다중 생체 신호 인증 플랫폼 구성도를 보여주고 있습니다.


l 그림 7. KISA 다중 생체 신호 인증 플랫폼 구성도


국내 표준특허(3건), 국내 기술 특허(3건), 국외 기술 특허(미국 2건, 중국 2건), 생체 신호 인증 알고리즘 SW 등록(1건) 등 KISA는 그림 8에서 보는 바와 같은 생체 신호 인증 기술과 관련해 지적재산권을 보유하고 있습니다.


l 그림 8. 생체 신호 인증관련 KISA 지적재산권 보유현황 (2018.8월 기준)


● 생체 신호 인증 기술 표준화 동향

생체 신호 인증 기술은 감지, 시스템, 인증, 통신으로 나누어 볼 수 있는데, 도출된 유효 특허는 생체 신호를 웨어러블 디바이스와 같은 스마트 기기로 손쉽게 측정할 수 있는 감지 기술이 42%로 가장 많은 특허가 분포해 있고, 감지 값을 응용할 수 있도록 하는 시스템 기술은 20%가, 무선 네트워크에 의해 측정값을 관리자 또는 통신사업자에서 보내는 통신 기술이 6% 정도 출원되고 있습니다.


다만 이러한 생체 신호 인증 기술과 관련되는 연구개발은 각국에서 활발히 진행되고 있는 데 반하여 관련 기술에 대한 표준화 추진사례는 전혀 발표된 바가 없습니다.


이에 따라, 지난 2015년 5월 29일 대학병원, 스마트폰•바이오 인식 개발업체, 금융•원격의료 연구기관, TTA 등 산학연 전문가로 구성된 KISA 생체 신호 인증 기술 표준연구회를 발족하여 아래 표 1에서 보는 바와 같이 TTA 바이오 인식 프로젝트 그룹(PG505)을 통해 생체 신호 인증을 포함한 국내 바이오 인식 기술 관련 국내 표준을 개발했습니다.


l 표 1. KISA 바이오 인식 기술 국내 표준 추진현황 (2017.12월 기준)


이와 더불어 표 2에서 보는 바와 같이 바이오 인식 제품의 호환성 검증을 위한 시험 기술에 관해서는 ISO/IEC JTC1 SC37(Biometrics)에서, 텔레바이오 인식 기술과 관련해서는 ITU-T SG17 Q9(Telebiometrics)에서 관련 기술에 대한 국제 표준화를 추진 중에 있습니다.


특히, 2016년 9월 X.tab(Telebiometric Authentication using Bio-signals)을 신규 국제표준으로 제안하여 생체 신호를 이용한 텔레바이오 인식 분야에서 한국이 주도하에 2019년 3월경에는 국제표준으로 채택될 전망입니다.


l 표 2. KISA 바이오 인식 기술 국제 표준 추진 현황 (2018.3월 기준)


 향후 추진계획


스마트폰에서 애플페이, 삼성페이 등 모바일 지급 결제 서비스에서 바이오 인식 기술을 비대면 인증수단으로 사용하고 있지만, 바이오 정보의 위변조 등의 보안 취약점이 존재함에 따라, 모바일 기기상에서의 비대면 인증 과정에서 대포폰에서 위조된 바이오 정보의 유통에 대한 위협 또한 날로 증대되고 있습니다.


이에 따라, 개인식별성이 우수하고 위변조에 강인한 심전도, 심박수, 뇌파, 근전도 등 살아있는 사람의 신체 내부에서 발생되는 생체 신호에 대한 인증 기술이 주요 선진국 사이에 앞다투어 연구 개발 중입니다.


특히, 이러한 생체 신호는 그림 9에서 보는 바와 같이, 살아있는 사람의 건강 정보를 분석할 수가 있어 개인식별과 함께 생체 신호를 활용 시에는 헬스케어 서비스 분야에서의 활용성이 아주 높다고 생각합니다.


l 그림 9. 생체 신호 인증기반의 건강 정보 분석


최근에는 1인 가구 증가, 노령화가 급격히 진행됨에 따라 여러 가지 이유로 인한 고독사 발생이 사회적인 이슈로 대두되고 있습니다.


이에 따라 KISA에서는 향후 다양한 형태의 생체 신호 센서인 웨어러블 디바이스를 통해 취약계층에 대한 심전도, 심박수, 뇌파 등 생체 신호를 자동측정해 개인식별과 함께 부정맥, 심정지 등 헬스모니터링 정보를 분석해 원격으로 긴급 전송할 수 있는 생체 신호 인증 기반의 헬스 모니터링 분석 서비스 기술을 선도적으로 개발하고 취약계층에 건강 돌봄 서비스로 연계하는 실증사업을 기획 중입니다.


앞으로 이러한 생체 신호를 이용한 텔레바이오 인식 기술은 모바일 지급 결제, 헬스케어, 스마트카 등 IoT 융합 보안 서비스에 비대면 인증 기술로써 활용되고, 더불어 글로벌 전자인증산업에서 차세대 핵심 인증 기술로써 새로운 시장 창출과 글로벌 기술 경쟁력을 확보해 국제사회에서 선도적 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대합니다.


글 l 김재성 연구위원 l 한국인터넷진흥원 보안기술확산팀


저자 김재성 연구위원은 1996년 7월부터 한국인터넷진흥원(KISA)에서 바이오 인식 기술 개발 및 표준화 업무를 수행하는 연구위원으로 재직 중이다. 2005년 8월에 인하대 정보통신대학원에서 우리나라 바이오 인식 기술 관련 국내 1호 박사학위를 취득하였고, 20년 간 바이오 인식 기술 한 분야에 전문가로서 기술 개발과 국내, 국제표준화 활동을 진행 중이다.


* 해당 콘텐츠는 저작권법에 의하여 보호받는 저작물로 LG CNS 블로그에 저작권이 있습니다.

* 해당 콘텐츠는 사전 동의없이 2차 가공 및 영리적인 이용을 금하고 있습니다.



● 참고 문헌

[1] 김재성, ‘텔레바이오 인식기반 비대면 인증 기술 표준화 동향,’ 정보보호학회지, 제25권, 제4호, August, 2015.

[2] 김재성, ‘생체인식시스템 보안성 평가 및 표준적합성 시험기술,’인하대학교 공학박사 학위논문, August, 2005.

[3] 김재성, ‘생체인식기술 표준화 동향 및 이슈,’ 국가기술표준원, October , 2014.

[4] 김재성, ‘모바일 생체 신호 인증 기술 특허현황 분석보고서,’KISA 표준연구회 연구보고서, December, 2015.

[5] 박광석, ‘국내외 생체 신호 개인식별 기술분석 및 연구용 DB 구축,’KISA 용역과제 연구보고서, January, 2016.

[6] 김재성, ‘바이오 인식 기술 표준화 현황 및 발전전망,’ TTA 저널, June, 2018.

[7] Jason Kim, Recommendation of ITU-T SG17 X.tam : A guideline to technical and operational countermeasures for telebiometric applications using mobile devices, March. 2017.

[8] Sam Lee, Jason Kim, KISA Global Project for Bio-signal Authentication, IEEE EMBC2018 Mini-symposium, July 2018

[9] Jason Kim, 4th draft of Recommendation of ITU-T SG17 X.tab : Telebiometric Authentication using Bio-signals, August. 2018.


● 이 논문은 2018년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기술진흥센터의 지원을 받아 수행된 연구임(No.2016-0-00417, 심전도를 이용한 텔레바이오 인식 인증 기술 개발)



Posted by IT로 만드는 새로운 미래를 열어갑니다 LG CNS
위로