CE39 - Sécurité Globale et Cybersécurité

Authentification Unitaire Sécurisée dans les domaines THz et RAdiofréquencEs – AUSTRALE

AUSTRALE

Authentification Unitaire Sécurisée dans les domaines THz et RAdiofréquencEs

Enjeux et objectifs du projet AUSTRALE

La contrefaçon, plus généralement l’usurpation d’identité, est un phénomène qui touche tous les secteurs d’activité, du luxe à la grande distribution et dont les préjudices sont colossaux en termes économiques, d’emplois, d’image de marque : en 2015, le coût en France a été estimé par l’OHMI à 7.3 Md€ (0.3% du PIB) et 25 000 emplois (300 Md€ dans le monde), auxquels s’ajoutent des risques sanitaires et technologiques liés à ces produits contrefaits.<br />Dans ce contexte, l’ambition d’AUSTRALE est de proposer de nouvelles solutions pour les applications d’authentification en utilisant deux grandes gammes de fréquences : les ondes millimétriques (MW) et Térahertz (THz). Ces solutions seront bas coûts, compatibles avec les techniques de l’industrie papetière pour la production de masse, biosourcées et facilement recyclables, ces deux derniers critères favorisant un développement durable. <br />Les objectifs du projet découlent de résultats antérieurs obtenus pour le domaine de l’identification (ANR VERSO « THID », 2009-2013), qui ont démontré la possibilité d’associer deux solutions de codage sur un même tag : une solution en surface pour un codage RF et une solution en volume pour un codage THz. Des études exploratoires complémentaires ont depuis été réalisées et ont montré que la richesse de l’information contenue dans la signature électromagnétique de ces tags était potentiellement utilisable pour des applications d’authentification unitaire. Ce concept repose sur l’idée qu’il peut être extrêmement difficile de reproduire à l’identique certains matériaux qui comportent un côté aléatoire, à l’image de la répartition des fibres de cellulose dans une feuille de papier. À partir de cette constatation, le principe est de transcrire ce côté aléatoire du tag sur sa signature EM. Par la suite, pour s’assurer de l’authenticité du tag, deux mesures sont comparées : la première réalisée en sortie de chaine de fabrication et la seconde au moment où un utilisateur a besoin de l’authentifier. Afin de renforcer la sécurité et la robustesse de la solution, nous chercherons dans ce projet à exploiter les matériaux qui constituent les objets, les emballages, les Mariannes sur les bouteilles... et tirer parti de la structuration naturelle de la matière pour réaliser une empreinte infalsifiable.<br />Plus précisément, nous proposons de concevoir, fabriquer, caractériser et analyser la richesse en information de plusieurs structures utilisant des codages en surface et en volume, respectivement pour des utilisations en bandes MW et THz. Parmi les différentes voies étudiées, il s’agira de choisir les structures MW et THz les plus pertinentes afin de réaliser un codage permettant une authentification efficace et de définir la base des spécifications d’une technologie de codage complète (structures MW et THz, méthode de codage de l’information, lecteurs).

L’objectif principal d’AUSTRALE est de proposer une solution technologique où une partie de l’objet à tracer va présenter une empreinte numérique unique obtenue à partir de signatures électromagnétiques dans les gammes MW et THz à des fins d’authentification unitaire. Il se décline en trois axes :
• Identifier, concevoir, fabriquer et tester des structures possédant un caractère aléatoire, donc difficile à reproduire
• Évaluer les performances et limites de ces zones d’authentification et les optimiser sans dégrader les propriétés fonctionnelles des matériaux utilisés
• Définir un cahier des charges global (tag+ code + lecteur) en vue d’un éventuel transfert industriel
En termes de performances, le projet vise à apporter de grandes améliorations par rapport à ce qui est fait en optique. Ainsi, la partie permettant l’authentification est invisible et intégrée au produit, rendant la solution encore plus robuste et efficace contre la falsification. De part 1) le concept de double codage en surface et en volume et 2) les technologies mises en jeux notamment pour la solution THz, technologie nouvelle d’appropriation délicate. Ce projet présente un potentiel de rupture qui permettra une avancée notable dans la lutte anti-contrefaçon. Cette solution permet aux objets d'être identifiés de manière unique, sans pour autant nécessiter l’ajout d’une étiquette rapportée ou d’une puce spécifique qui portent atteinte à l’intégrité du produit et notamment au packaging vecteur essentiel de communication. Ici, ce sont les caractères aléatoires intrinsèques et internes à l'objet, donc non reproductibles, qui sont à la base de sa signature unique, ce qui diminue fortement le coût de la solution, la rend robuste, sans contrainte pour le recyclage.
La richesse de la signature des empreintes sera amplifiée en utilisant principalement trois voies, qui pourront être combinées, afin entre autre de maîtriser les risques de réussite du projet :
- Ajout d’éléments (fibres, paillettes, pigments…) dans une ou plusieurs couches des matériaux cellulosiques.
- Modification d’une ou plusieurs couches par la création de motifs périodiques, par micro-structuration des matériaux diélectriques des couches.
- Des motifs seront aussi déposés par impression d’encres conductrices, pour créer des structures résonantes aux fréquences choisies. L’aspect aléatoire sera induit par une variabilité non contrôlée des dimensions des motifs.
Plusieurs verrous scientifiques et technologiques ont été identifiés et seront étudiés. Ils sont liés 1) aux pertes dans les matériaux ciblés qui pourraient être rédhibitoires pour les dispositifs les plus épais, 2) aux applications entrevues qui peuvent requérir des caractéristiques contraintes spécifiques en termes de fabrication des tags, 3) à l’impact de la configuration et de l’environnement du tag lors de sa lecture, 4) à la fiabilité de l’interprétation de la signature (probabilité de reconnaissance ou non) et enfin 5) à la disponibilité des lecteurs.

Le projet AUSTRALE a permis le développement de plusieurs types de structures pour l’authentification dans les domaines THz et MW, basés principalement sur des matériaux biosourcés cellulosiques et donc recyclables.
Dans le domaine MW, les tags utilisent des structures résonnantes métalliques présentant des signatures fréquentielles discriminantes, le caractère aléatoire étant apporté par la non-reproductibilité des techniques de fabrication. Il a pu être montré que l’utilisation de fréquences MW apporte un avantage indéniable par rapport aux fréquences plus basses pour réaliser des applications d’authentifications en réduisant significativement la probabilité d’erreur passant de plus de 20% pour des études RF à de l’ordre de 0.5% dans les pires configurations testées. Ce projet a pu également montrer que la mesure (pour notamment plusieurs incidence angulaires) mais également la post processing peut permettre d’améliorer significativement les résultats. Aussi un système d’authentification basé sur le côté aléatoire de la réponse EM doit être abordé aussi bien au niveau de la conception du tag et de sa fabrication que dans la méthode de caractérisation et le post-processing. Enfin nous avons fabriqué pour la première fois des étiquettes chipless résonnantes, avec plan de masse, en utilisant une imprimante grand public où le substrat n’est autre que le support d’impression. Ceci est possible en MW où le substrat d’un tag peut avoir une épaisseur de l’ordre de 100µm ce qui correspond aux films classiquement utilisés pour l’impression.
Dans le domaine THz, nous avons au final opté pour des structures dédiées à l’imagerie et utilisant les aléas naturels des matériaux constituant les motifs à imager. Ces structures peuvent comporter des éléments électriquement conducteurs pour maximiser le contraste de l’image obtenue, pour autant d’autres solutions totalement diélectriques ont été aussi étudiées pour une discrétion optimale. Ainsi nous avons conçu, fabriqué et caractérisé des structures utilisant des papiers floculés, calandrés, filigranés, l’insertion de fibres conductrices ou encore des dépôts de motifs par impression d’encres conductrices.
Nous avons aussi proposé une nouvelle technique d'extraction de caractéristiques discriminantes des images THz obtenues pour pouvoir efficacement les classifier et donc les authentifier. Cette méthode utilise une décomposition des images en paquets d'ondelettes, invariante par translation et rotation. Nous avons aussi démontré une nouvelle technique d'extraction de caractéristiques basée sur l'entropie. Les caractéristiques calculées sont ensuite utilisées pour entraîner un réseau neuronal graphique adapté à une décomposition en quatre-arbres qui présente l’énorme avantage de prendre en compte les informations structurelles de la décomposition invariante par rapport à la rotation.
Finalement, un prototype de démonstrateur intégrant concomitamment des solutions des deux domaines spectraux a été fabriqué.

Le projet AUSTRALE a permis de montrer le potentiel de l’imagerie THz à relever le défi de l’authentification et procurant des images de dispositifs comportant des aléas et donc non-clonables, par ailleurs en utilisant des matériaux cellulosiques à fort potentiels à la fois concernant la richesse de l’information contenue que du potentiel en terme de recyclage. Il est prévu de continuer à développer cette piste pour développer des structures plus performantes. Par ailleurs, il est prévu de mettre en œuvre les méthodes de traitement mis en œuvre dans le cadre du projet AUSTRALE dans la cadre d’un autre domaine applicatif, l’identification de substance qui fait par ailleurs l’objet d’un projet de recherche financé par l’OTAN et qui a débité mi-2022. Enfin, d’un point de vue expérimental, il est prévu de développer une solution utilisant une caméra THz pour effectuer des images « temps réel » et ainsi se rapprocher des contraintes applicatives liées à la durée de prise d’une image dans le domaine THz.
L’imagerie de structures résonnantes en MW a été abordée dans ce projet et les premiers résultats montrent la possibilité d’augmenter de manière conséquente la quantité d’informations contenues dans un tag. Il serait intéressant de pouvoir quantifier sous la forme de probabilité d’erreur cette augmentation de manière à pouvoir se positionner sur des applications d’authentifications.
La possibilité de produire des étiquettes MW, résonnantes et avec plan de masse avec une simple imprimante grand public est un vecteur fort pour démocratiser significativement cette solution. Ceci va de pair avec l’introduction sur le marché de nouveaux systèmes de lecteurs radar MW qui devraient permettre d’apporter la pièce manquante à ce type de système. Deux lecteurs de ce type ont été achetés dans le cadre du projet, et les premiers résultats portant sur l’évaluation de leurs performances devraient pouvoir être obtenus courant 2023.

Les résultats du projet AUSTRALE ont fait l’objet de 22 communications scientifiques, 4 dans des articles de revues, 10 dans des conférences internationales, 6 dans des conférences nationales et 3 dans des workshops. La plupart de ces travaux (74 %) impliquent au moins 2 des partenaires du projet.

La contrefaçon, plus généralement l’usurpation d’identité, est un phénomène qui touche tous les secteurs d’activité, du luxe à la grande distribution et dont les préjudices sont colossaux en termes économiques, d’emplois, d’image de marque : en 2015, le coût en France a été estimé par l’OHMI à 7.3 Md€ (0.3% du PIB) et 25 000 emplois (300 Md€ dans le monde), auxquels s’ajoutent des risques sanitaires et technologiques liés à ces produits contrefaits.
Dans ce contexte, l’ambition d’AUSTRALE est de proposer de nouvelles solutions pour les applications d’authentification en utilisant deux grandes gammes de fréquences : les ondes millimétriques (MW) et Térahertz (THz). Ces solutions seront bas coûts, compatibles avec les techniques de l’industrie papetière pour la production de masse, biosourcées et facilement recyclables, ces deux derniers critères favorisant un développement durable.
Les objectifs du projet découlent de résultats antérieurs obtenus pour le domaine de l’identification (ANR VERSO « THID », 2009-2013), qui ont démontré la possibilité d’associer deux solutions de codage sur un même tag : une solution en surface pour un codage RF et une solution en volume pour un codage THz. Des études exploratoires complémentaires ont depuis été réalisées et ont montré que la richesse de l’information contenue dans la signature électromagnétique de ces tags était potentiellement utilisable pour des applications d’authentification unitaire. Ce concept repose sur l’idée qu’il peut être extrêmement difficile de reproduire à l’identique certains matériaux qui comportent un côté aléatoire, à l’image de la répartition des fibres de cellulose dans une feuille de papier. À partir de cette constatation, le principe est de transcrire ce côté aléatoire du tag sur sa signature EM. Par la suite, pour s’assurer de l’authenticité du tag, deux mesures sont comparées: la première réalisée en sortie de chaine de fabrication et la seconde au moment où un utilisateur a besoin de l’authentifier. Afin de renforcer la sécurité et la robustesse de la solution, nous chercherons dans ce projet à exploiter les matériaux qui constituent les objets, les emballages, les Mariannes sur les bouteilles... et tirer parti de la structuration naturelle de la matière pour réaliser une empreinte infalsifiable.
Plus précisément, nous proposons de concevoir, fabriquer, caractériser et analyser la richesse en information de plusieurs structures utilisant des codages en surface et en volume, respectivement pour des utilisations en bandes MW et THz. Parmi les différentes voies étudiées, il s’agira de choisir les structures MW et THz les plus pertinentes afin de réaliser un codage permettant une authentification efficace et de définir la base des spécifications d’une technologie de codage complète (structures MW et THz, méthode de codage de l’information, lecteurs).
De par son objectif principal qui est de proposer des solutions de sécurité nouvelles pour lutter contre une forme non-violente de la criminalité qu’est la fraude et la contrefaçon, ce projet s’inscrit principalement dans le défi B.9 (Liberté et sécurité de l’Europe, de ses citoyens et de ses résidents)-axe 1 (Recherche fondamentale en lien avec le défi). Il indexe ainsi plusieurs grands domaines de ce défi autour de «la sécurité des personnes», «des modalités de recherche de la preuve» et de «la traçabilité des biens de consommation courante». Les résultats attendus de ce projet touchent de façon secondaire au défi B.7 (Société de l’information et de la communication)-axe 7 (Micro et nanotechnologie pour le traitement de l’information et la communication), en visant à «démontrer des améliorations de performances quantifiables» et «des ruptures par rapport aux connaissances existantes», basé sur des technologies de l’électronique et de la photonique RF et THz, notamment en réponse aux enjeux applicatifs liés à la lutte contre la contrefaçon.

Coordination du projet

Frederic GARET (Institut de la Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique - Laboratoire d'Hyperfréquences et de Caractérisation)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IMEP-LaHC Institut de la Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique - Laboratoire d'Hyperfréquences et de Caractérisation
Grenoble INP / LCIS Institut polytechnique de Grenble
GIPSA-lab Grenoble Images Parole Signal Automatique
CTP CENTRE TECHNIQUE DU PAPIER

Aide de l'ANR 549 189 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2018 - 36 Mois

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