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Pict Place Shuﬄe: 情報配置と間接入力による再認式画像認証の改良吉田 光宏1,a)

高田 哲司1

概要：暗証番号やパスワードを代表とする知識照合型個人認証は，秘密情報をユーザが記憶保持する必要があり，ユーザにとって負担となっている．そこで改善案の 1 つとして再認式画像認証が提案されているが，これには理論的安全性，認証時間，覗き見攻撃の面で問題が残されている．本研究ではこれらの問題を改善し得る手法として Pict Place Shuﬄe を提案する．Pict Place Shuﬄe は，「画像配置」を秘密情報とし，画像を直接選択しない「間接入力」によって秘密情報の入力を行う新たな再認式画像認証である．この手法を用いて被験者実験を行い既存手法との比較を行った結果，Pict Place Shuﬄe は 3 つの問題点に対する改善策の 1 つとなり得る手法であることを明らかにすることができた．

1. はじめにれかけていた，または忘れていた秘密情報を思い出す可能性がある．つまり秘密情報の記憶復元を助ける可能性があ

暗証番号やパスワードに代表される知識照合型個人認証る．この効果は，空欄の入力フィールドを提示し，回答入は，Web サービスや携帯端末の画面ロックとして利用さ力を促す既存の知識照合型個人認証では得られない．ユーれている．この個人認証手法における問題点は，パスワー

ザが認証画面から得られる想起支援となるものが無いからドや暗証番号といった “秘密情報” をユーザが記憶保持すである．

る必要がある点にある．安全な秘密情報を作成し，かつ記

しかし，再認式画像認証には以下の問題が残されている．

憶保持することがこの手法を利用する上で必要となるが，(1) 安全性: 再認式画像認証は一般に「安全性」が高いとユーザの多くにとって容易なことではない．よってユーザはいえない．ここでいう安全性とは，総当たり攻撃は，秘密情報を書き留める，記憶できる簡単なパスワード(Brute-force Attack) に対する安全性を指す．再認式を設定するなど，個人認証を安全に利用する上で望ましく画像認証には認証画面と秘密情報に関して複数のパラない状況を生む原因になっている．

メータが存在するため，安全性を一概に議論することこの問題を改善する方法の１つとして再認式画像認証がはできない．その点をふまえた上で代表的なシステム提案されている．再認式画像認証とは，複数枚の画像を秘を例に挙げると，秘密情報が「４枚の画像」である場

密情報とし，認証時には回答候補として提示される画像群合，その安全性は４桁数字による暗証番号認証と同等の中から秘密情報である画像を選択することで認証操作者程度であることが多い．

がユーザ本人であることを検証する個人認証手法である．

(2) 操作時間: 再認式画像認証における操作時間は短いとこの手法の利点は，秘密情報の記憶負担軽減にある．人間は言いがたい．再認式画像認証では認証画面に提示さには文字列よりも画像を記憶することの方が得意という能れる画像群をユーザが認識し，その中から秘密情報で力があることが知られている (画像優位性効果 [3])．再認ある画像を探し出す時間が必要となる．したがって，式画像認証の秘密情報は画像であるため，その能力を秘密純粋に入力操作を行う以外の時間が必要となることか情報の記憶保持に活用できることから負担軽減になる．もら操作時間が長くなる．Stobert らによる評価実験でう１つは，再認による回答方法により得られる想起支援では，48 枚の画像群の中から 5 枚の画像を選択するといある．再認式画像認証では認証時に回答候補の画像群が表う再認式画像認証を用いた結果，操作時間は平均 34.61示され，それらを認識し，秘密情報を選択することで回答を行う．この認識処理を通じて画像を見ることにより，忘1a)

電気通信大学
mthrysd.uec@gmail.com© 2020 Information Processing Society of Japan秒であった [4]．

(3) 覗き見攻撃: 個人認証には覗き見攻撃 (Shoulder Surfing Attack) という脅威が存在する．これは攻撃者が正規利用者の認証行為を覗き見ることで秘密情報を窃

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2020/3/9(6) 画面下の “Register” ボタンを押す．すると定義した秘密情報の確認画面 (図 1 右) が表示される．設定内容を確認して問題がなければ “OK” ボタンを押す．これで秘密情報が登録完了となる．
上記の操作により，ユーザは「３枚の画像の配置」を秘密情報として定義したことになる．
もう 1 つの工夫は，２種類の入力方法を組み合わせて回答を行うことである．２種類の方法のうちの１つは，秘密情報登録処理で説明した Drag 操作による方法である．秘密情報であるパス画像を同じく秘密情報である配置位置に直接移動する操作である．もう１つの方法は，認証画面
図 1

Pict Place Shuﬄe における秘密情報登録処理

内の画像配置を Shuﬄe(ランダム再配置) することで入力する方法である．ユーザが画像再配置の操作を行うと，認取する攻撃である．再認式画像認証はこの攻撃に脆弱

証画面内の画像群の配置がランダムに変更される．この操である．その原因は回答方法にある．再認式画像認証

作を，パス画像が事前に決定した配置位置に表示されるまでは，秘密情報である画像を直接選択することで回答で繰り返す．１枚以上のパス画像が，正解である配置位置入力するため，認証行為を第三者が覗き見していれば，に表示されたら，その時点で回答確定とする．Pict Place

秘密情報は第三者に特定されるからである．

Shuﬄe ではこの２つの入力方法を組み合わせて認証を行

そこで本研究は，(1) 認証時のインタフェースを利用した新たな秘密情報を定義するとともに，(2) 回答入力方法を工夫することにより，これらの問題を改善しうる新たな再認式画像認証 “Pict Place Shuﬄe” を提案する．

2. 提案手法 - Pict Place Shuﬄe

うものとする．以降では，前者の入力方法を “Drag 入力”，後者を “Shuﬄe 入力” と呼ぶ．
認証操作について説明する (図 2)．操作手順は以下の通りである．

(1) ユーザ名を入力する．入力後，図 2 左の画面が表示される．

Pict Place Shuﬄe では前章で述べた問題点を改善するた(2) 秘密情報入力の第一段階として，Shuﬄe 入力による回め，2 つの工夫を行った．1 つは，秘密情報の定義を「複数答処理を行う．１枚以上のパス画像が既定の表示位置枚の画像」から「複数枚の画像の配置」に変更したことでになったら，認証画面下の “OK” ボタンを押して回答ある．再認式画像認証は，認証時に回答候補である画像群を確定する．図 2 中央の画面では，3 枚のパス画像のを利用者に提示する．その際，認証システムが回答候補とうち 1 枚が正しい位置に配置されたため，第一段階のなる画像群を認証画面内になんらかの方法で配置するが，入力完了となっている．

Pict Place Shuﬄe ではこの配置を秘密情報に応用する．つ(3) 第二段階として Drag 入力による回答処理を行う．第まり，Pict Place Shuﬄe における秘密情報は「特定の画一段階の回答で配置が未完了なパス画像について，像」を認証画面内の「特定の位置」に配置すると定義する．

Drag 入力によりすべてのパス画像が既定の位置に表

Pict Place Shuﬄe における秘密情報の登録処理について示されるようにする．第一段階の入力終了時 (図 2 中説明する (図 1)．なお以降では，秘密情報を「3 枚の画像央) では 3 枚の秘密画像のうち 2 枚がまだ既定の位置による画像配置」として話を進める．登録手順は以下の通に配置されていない．よって Drag 入力により 2 枚のりである．

パス画像を移動し，最終的に３枚のパス画像がすべて(1) ユーザ名を入力する．すると図 1 左の画面が表示さを適切な位置に配置する (図 2 右)．

れる．

(2) 秘密情報のうち「画像の配置位置」は認証システムが(4) 画面右下の “Login” ボタンを押し，入力を確定する．
即座に検証処理が行われ，認証結果が表示される．

ランダムに決定する．図 1 左の画面におけるオレンジ

このように２種類の入力手法を用いて二段階の手順で秘色の枠でハイライトされている３つの配置位置がそれ密情報である「画像の配置」を入力し，個人認証を行う．に該当する．

これら２つの工夫により期待される効果について述べる．

(3) 画面内の 10 枚の画像群から秘密情報にする画像 3 枚

まずはじめに理論的安全性の向上について述べる．秘密情を決める．以降，この画像を “パス画像” と呼ぶ．

報が「複数枚の画像配置」に変更されることにより，作成(4) パス画像 3 枚をそれぞれどの位置に配置するか決める

可能な秘密情報のバリエーション数は画像 3 枚の場合，式(5) パス画像を決定した配置位置に Drag 操作で移動する．

(1) のようになる．

図 1 左では 1 枚のパス画像を移動している．

© 2020 Information Processing Society of Japan883

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図 210 C3 ×10 P3 = 120 × 720 = 86, 400

Pict Place Shuﬄe における回答入力
表 1 実験参加者の性別・年代分布

(1)

10 代

20 代

30 代

40 代

50 代

式 (1) 内第一項の組み合わせは配置位置のバリエーション

男性

08011であり，第二項の順列は画像の割り当て可能数に相当する．

女性

10001

これにより画像３枚による秘密情報で４桁暗証番号よりも多くのバリエーション数が確保可能になる．よって理論的るためである．これに対して Pict Place Shuﬄe は，Shuﬄe安全性の改善が可能になる．

入力により秘密情報の一部を直接操作することなく回答可

次は，回答入力時間の短縮である．再認式画像認証にお能である．したがって，Shuﬄe 入力により入力された秘ける認証時間には「回答入力操作」と「パス画像の探索」

密情報は攻撃者に覗き見されていたとしても特定困難であという二つの要素が含まれ，その多くは「パス画像の探索」る．よって Pict Place Shuﬄe は，１回の覗き見攻撃で秘にかかる時間であると推測する．これに対して提案手法で密情報を特定することはできない，という安全性を持つこは「パス画像の配置位置」が秘密情報に含まれており，かとになる*1 ．また覗き見攻撃による攻撃の成功確率は最悪

つこれを応用した Shuﬄe 入力を導入したことから，「パスの場合でも 1/10 となる．この確率値は，Shuﬄe 入力で 1画像の探索」に相当する時間を削減しうると著者らは考え枚のパス画像が入力された場合の例となる．ている．Pict Place Shuﬄe における Shuﬄe 入力では，認これらの議論から，Pict Place Shuﬄe は 1 章で述べた 3

証時にパス画像を探すのではなく既定の配置位置のみに注

つの問題に対する改善策を備えた新たな再認式画像認証で目し，各位置にあるべきパス画像が表示されているかを検ある．

証する．もし一枚も適切な位置に表示されていなければ，回答候補画像群の配置をシャッフルし，前述の条件が満た3. 評価実験と考察される配置になるまで繰り返すことになる．したがって，本章では，Pict Place Shuﬄe の実用性を検証するためにユーザは回答候補である画像群からパス画像を探す必要が行なった少人数による評価実験と，先行研究と実験結果にないことから上記効果が期待できると著者らは考えている．

関する比較議論について述べる．

なお回答操作の第二段階である Drag 入力では，従来通りパス画像を探索する必要がある．しかし，その探索領域

3.1 評価実験は第一段階の Shuﬄe 入力により狭められていると言える．

Pict Place Shuﬄe の実用性を検証するため，12 名によDrag 入力で移動させるべきパス画像は既定の位置以外のる評価実験を実施した．実験目的は，秘密情報の記憶保持場所に存在することが明らかだからである．したがって，可能性と認証時間を明らかにすることである．実験参加者

Drag 入力による操作時間に悪影響は限定的になると考えは所属研究室メンバおよび近親者から募集した．参加者のている．

属性情報は表 1 の通りである．
実験手順は以下の通りである．

最後に覗き見攻撃への対策について述べる．前述した通り覗き見攻撃が可能になる理由は，秘密情報を直接操作す© 2020 Information Processing Society of Japan*1

攻撃主体が「人間」でも「カメラによる録画」でも同じである

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表 2 秘密情報の記憶保持可能性に関する実験結果
手順 4 (30 分前後)

手順 5 (一週間後)100% (12/12)

83% (10/12)

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表 3 秘密情報の記憶保持可能性に関する実験結果

Déjà Vu

あわせ絵

Pict Place Shuﬄe

回答候補画像数

253610

パス画像数

54353,130

9,999

86,400

36.0

24.6

11.99

秘密情報バリエー

手順 1) 実験説明: 実験手順と Pict Place Shuﬄe の操作方法について説明を行った．

ション数
平均認証時間 (s)

手順 2) 秘密情報登録: 2 章にて説明した方法にしたがって，参加者に秘密情報を設定させた．設定後には１度認証を実施させ，自身の秘密情報で認証に成功することを確認した．
手順 3) 記憶検証のためのタスクとアンケート: 秘密情報の記憶可能性を検証するため，短期記憶の消去を目的としてメンタルローテーションタスクを実施した．実際には文献 [7] にあるタスクを被験者に実施させた．またタスク完了後に人口統計に関するアンケートを実施した．
手順 4) 記憶実験: 上記手順 3) 終了後，Pict Place Shuﬄeによる認証を行わせた．
手順 5) 記憶実験: 上記手順 4) 終了より 1 週間後に，あらためて Pict Place Shuﬄe による認証行為を実施し，認証成否と認証時間を記録した．なお 2 回までの認証失敗を許容し，3 回連続で認証に失敗したら認証失敗と判定した．
手順 6) 認証時間実験: 手順 4) 終了後に，Pict Place Shuﬄeでの認証行為を 10 回認証成功するまで繰り返し実施させた．終了後，事後アンケートを実施した．
実験結果について述べる．秘密情報の記憶保持可能性に

図 3

覗き見攻撃対策の先行研究例 (上: CHC, 下: CDS)

ついては，手順 4 および 5 の認証成否を用いて検証する．
認証に成功したら記憶保持できた，失敗したら記憶保持で用いている．一方あわせ絵は，36 枚の回答候補画像の中かきなかった，として判定し，その結果を集計した．結果は

ら最大 4 枚の画像を選択する再認式画像認証で，秘密情報

表 2 の通りである．この結果から，Pict Place Shuﬄe にには写真を用いた手法となっている．これら２手法と Pictおける秘密情報の記憶可能性について，実用的に利用する

Place Shuﬄe における画像認証の設定値と秘密情報のバリことが困難な秘密情報ではない，と著者らは考える．

エーション数ならびに平均認証時間をまとめると表 3 の通次に認証時間について述べる．手順 6 による実験からりになる．

120 回分 (12 名 ×10 回) の認証時間が測定できた．この結

これらの結果から，各認証手法の安全性を秘密情報のバリ

果から，平均 11.99(sec)，標準偏差 71.26，ならびに中央値エーション数の逆数と考えるとすると，Pict Place Shuﬄeは 10.08(sec) という結果を得た．

は先行手法よりも少ないパス画像枚数で，３手法の中で最も高い安全性を実現しているとともに，平均認証時間も他

3.2 先行研究との比較の手法よりも短い手法である，と言える．

本節では，前節の実験で得られた結果，および定性的に次に覗き見攻撃への安全性と認証時間について先行研究得られると考えられる効果について先行研究との比較考察との比較考察を行う．ここでは先行研究事例として Con-を行う．

vex Hull Click Scheme (CHC)[5] と，Come from DAS andまずはじめに再認式画像認証における安全性と認証時間

Story (CDS)[6] を取り上げる．どちらも再認式画像認証でについて先行研究との比較を行う．ここでは先行研究事例あるが覗き見攻撃への安全性を確保するため，回答方法にとして Déjà Vu[1] とあわせ絵 [2] を取り上げる．Déjà Vu

工夫を施した手法となっている．CHC は，パス画像によっは，25 枚の回答候補画像の中から 5 枚のパス画像を選択すて生成できる多角形の内部をクリックすることにより間接る再認式画像認証である．ただし Déjà Vu では，写真では的に秘密を入力する認証手法である (図 3 上)．CDS は，認なくランダムアートと呼ばれる抽象的な画像を秘密情報に証システムによって指定される始点と終点を線で結ぶのだ© 2020 Information Processing Society of Japan885

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表 4 覗き見対策手法における比較
平均認証時間 (s)ことを示した．今後の課題としては，実験参加者による大CHC

CDSPict Place Shuﬄe

規模の評価実験を行い，期待される効果の検証をあらため

71.66

19.8

11.99て行う．また覗き見攻撃の安全性についても評価実験を行うとともに，Drag 入力に関しても覗き見攻撃に対する安が，その際にパス画像を既定の順番にたどるよう線を描画全性を確保しうる別の入力手法について検討する．

することで間接的に秘密を入力する手法である (図 3 下)．
これらと Pict Place Shuﬄe における認証時間を表 4 に示す．覗き見攻撃に対して確保しうる安全性が３手法で異

参考文献
[1]

なるため，これらの時間値を単純に比較するべきではない．
ただし，それをふまえた上で以下のことが言えると著者ら

[2]

は考える．

(考察 1) CHC は，認証するのに 1 分以上の時間がかかる．
よって覗き見攻撃に対する安全性が強く要求される場面以[3]

外では実用性に疑問の残る手法だと考える．

(考察 2) CDS の認証時間は実用性に疑問が生じるもので[4]はないと言える．ただし，CDS にはユーザの回答操作によって秘密情報が特定される懸念が指摘されている．ユー[5]

ザは回答時にパス画像に到達するたびに線の描画を一時停止し，次のパス画像を探索するという操作をするからである．この操作だと，パス画像がどの画像かを覗き見している人に伝えてしまうことになるからである．

[6](考察 3) Pict Place Shuﬄe は，覗き見攻撃に対する対策となっている３手法の中で認証時間は最短であり，実用上の問題はないと考える．しかし，覗き見攻撃に対する安全性という点で考えると，その効果は３手法の中で最も限定的な対策と言わざるをえない．Pict Place Shuﬄe が提供する[7]

Dhamija, R. and Perrig, A.: Déjà Vu: a user study using
images for authentication, Proc. the 9th conference on
USENIX Security Symposium, (2000).
高田哲司, 大貫岳人, 小池英樹: 個人認証システム「あわせ絵」の安全性と利便性に関する評価実験, 情報処理学会
論文誌, Vol.47, No.8, pp.2602-2612, (2006).
桝野隆平：パスワードの脆弱性と対策−認知心理学の知見を生かして，情報処理学会研究報告．CSEC，Vol.49，No.9，pp.1-6(2010)．
Stobert, E. and Biddle, R.: Memory retrieval and graphical passwords, Proc. the Ninth Symposium on Usable
Privacy and Security(SOUPS’13), (2013).
Wiedenbeck, S., Waters, J., Sobrado, L. and Birget,
C.J.: Design and evaluation of a shoulder-surfing resistant graphical password scheme, Proc. the working conference on Advanced visual interfaces(AVI’06), pp.177184, ACM(2006).
Gao, H., Ren, Z., Chang, X., Liu, X. and Aickelin, U.: A
New Graphical Password Scheme Resistant to ShoulderSurfing, Proc. 2010 International Conference on Cyberworlds, IEEE(2010).
Peters, M., Laeng, B., Latham, K., Jackson, M., Zaiyouna, R. and Richardson, C.: A Redrawn Vandenberg
and Kuse Mental Rotations Test: Diﬀerent Versions andFactors That Aﬀect Performance, Brain and Cognition,
Vol.28, pp.39-58(1995).

安全性は「1 回の覗き見に対して安全」であるため，CHCと対極的な位置付けになると言える．つまり安全性が強く要請される場面ならば CHC を採用するべきであり，安全性も必要だが，それよりも利便性が強く要請される場面では Pict Place Shuﬄe を採用するべき，ということだと考える．

4. おわりに
本論文では，知識照合型個人認証の改良法として提案されている再認式画像認証に注目し，その手法における３種の問題点を改善する新たな認証手法 Pict Place Shuﬄe を提案した．Pict Place Shuﬄe では，再認式画像認証における認証時のインタフェースに着目した新たな秘密情報を定義し，その秘密情報を活用した Shuﬄe 入力と呼ぶ回答入力方法を取り入れた二段階入力方法を提案した．この２つのアイデアにより，理論的安全性，認証時間，覗き見攻撃対策という問題に対する１つの改善策を提案することができたと言える．
またこの提案手法に対して実験参加者による評価実験を実施し，秘密情報の記憶可能性と認証操作時間に関する評価を行なった．さらにその実験結果について先行研究との比較議論を行い，既存の手法とは異なる改善策になりうる© 2020 Information Processing Society of Japan886