Face ID — とは何か、TrueDepth技術と顊認诌の原理

Face IDとは?

Face IDは、AppleがiPhoneやiPadのために開発した生体認証システムです。TrueDepthカメラを使用して、ユーザーの顊の正確な3Dモデルを構築し、保存された数学テンプレートと比較します。このシステムは、赤外線照明により完全な暗がりでも動作します。

初代iPhone X（2017年）は、Touch IDを置き換えてFace IDを主な生体認証として導入しました。Appleによると、このシステムは16コアのNeural Engine上のニューラルネットワークを使用し、顊認诌のためだけで秒間に6000億の操作を処理します。数年にわたって、この技術はiPhone XからiPhone 16 Proまで複数の世代を経てきました。iPhone 16 ProではFace IDが30%高速になり、より多くの視角をサポートしています。

Face IDが競合製品と異なる最大のポイントは、一般的な2D写真ではなく3Dスキャンを使用することです。これにより、画像やマスク、動画による攻撃に強いシステムとなっています。2023年、AppleはFace IDが認証、支払い、パスワードの自動补完のために月で100億回以上使用されていることを確認しました。

TrueDepthカメラのアーキテクチャ

TrueDepthは3つの主要コンポーネントからなるカメラモジュールです: ドットプロジェクタ、赤外線カメラ、フラッドイルミネータ。これら3つのコンポーネントは、940 nmの光譜で動作し、人目には見えず、視力に対して安全です。

ドットプロジェクタ

プロジェクタは、レーザーダイオードとVCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）回折格子を使用して、ユーザーの顊に3万以上の不可見赤外線ドットを投影します。VCSELレーザーは、目に対して安全な出力レベル（IEC 60825によるクラス1）で動作し、顊の深さマップを0.1 mmの精度で構築できます。

赤外線カメラとフラッドイルミネータ

赤外線カメラはドットの反射を読み取り、フラッドイルミネータは低照度の環境で顊を一様の赤外線で照らします。カメラからのデータはNeural Engineに送られ、顊の3Dモデルを構築し、Secure Enclaveに保存されたテンプレートと比較します。このプロセスは400ミリ秒未満で、デバイス上で完全に実行されます。

顊認诌の仕組み

Face IDのプロセスは、画像捕捉、3Dモデル構築、テンプレート比較の3つのステップからなります。最初のステップでは、フラッドイルミネータが顊を照らし、赤外線カメラが赤外線光譜の画像を撮影します。次にDot Projectorが顊に3万のドットを投影し、カメラがリファレンス格子に対するそれらの歪みを撮影します。

Neural Engineは各ドットの歪みを解析し、顊の深さマップを構築します — 顊の起伏を記述する3万のX、Y、Z座標のセットです。同時に、第2のニューラルネットワークがAttention Awareを確認するために赤外線画像を解析します — システムは、ユーザーが目を開けてスクリーンを直接見ていることを確認します。

深さマップと赤外線画像は、約3 KBの数学テンプレートに変換され、Secure Enclave内の保存テンプレートと比較されます。一致度が垣值（iOSで設定可能）を超えれば、認証は成功したものとみなされます。Appleによると、Face IDは外見の変化に適応します: ヒゲ、顚、メガネ、帽子など — ニューラルネットワークは、認証成功ごとにテンプレートを更新します。

2022年の iOS 15.4のリリースにより、Appleはマスク着用時のFace IDサポートを追加しました。システムは、目の周りのエリア（目の形、瞳孔間距、眼窩の深さ）のみを解析します。これには、マスクを着用した顊の数百万画像でトレーニングされた専用アルゴリズムが使用されています。マスク着用時の解禁はやや遅くなりますが（0.6秒対0.4秒）、日常使用に十分なセキュリティレベルを提供します。

Face IDのセキュリティ: Secure EnclaveとAttention Aware

Secure Enclave（SEP）は、Apple A7チップ以降に搭載された専用コプロセッサで、主のオペレーティングシステムから独立して動作します。Face IDにおいて、Secure Enclaveは二つの機能を担います: 生体テンプレートを暗号化して保管し、新しいサンプルをテンプレートと数学的に比較します。iOSはカメラのラウデータにアクセスできません — 比較結果（一致または不一致）のみが利用可能です。

顊のテンプレートは、デバイス初回起動時にチップの固有識別子（UID）から生成された暗号キーで暗号化されます。UIDは製造時にSecure Enclaveに埋め込まれ、外部からの読み取りは不可能です。Apple Platform Securityによると、Apple自体もデバイスから顊のテンプレートを抽出することはできません。

Attention Awareは、ユーザーが意識的にスクリーンを見ているか確認する追加のセキュリティレイヤーです。目を閉じていたり、別の方向を見ていたりすると、Face IDはフォンを解禁しません。この保護により、眠りながらや、所有者の知らない解禁が防止されます。視覚障害者の場合、Attention Awareは設定で無効にできますが、セキュリティレベルが低下します。

マスク・シリコン型に対する保護

Appleは、映画産業向けのプロの特殊効果メーカーが作成した1000枚以上のマスクでFace IDをテストしました。技術の組み合わせにより、どのマスクもシステムを欺くことはできませんでした: 赤外線カメラは肌の熱放射を解析し、Dot Projectorは3Dの起伏を垂紹確認し、Neural Engineは顊の筋肉の微動を検出します。市場において、マスクによるFace IDの回避が確認された事例はありません。

Face IDとTouch IDの比較

Face IDとTouch IDの選択は、使用シナリオや個人的な好みによります。Face IDは非接触で動作し、ユーザーはスクリーンを見るだけでいいです。Touch IDはボタンやセンサーとの物理的な接触が必要ですが、デバイスとの視線接触は不要です。

COVID-19パンデミック後、Appleはマスクを着用した状態でのFace ID解禁機能（iOS 15.4+）を追加しました。システムは目の周りのエリアのみを解析します。ただし、最大のセキュリティを確保するには、全顊認诌を使用することをAppleは推奨しています。Touch IDはiPhone SEやiPad（ホームボタン）で依然として利用可能で、マスクを着用する方、厚いレンズのメガネを使用する方、または医療的な欠点がある方にとって優先的に選択される方法です。

コード例: iOSでのLocalAuthentication

LocalAuthenticationフレームワークは、iOSでFace IDやTouch IDを使用するための統一APIを提供します。デベロッパーは、デバイスにどのセンサーが装着されているかを知る必要がありません — システムが利用可能な生体認証方法を自動で選択します。以下は、注意確認を伴う認証の例です。

import LocalAuthentication

class AuthManager {
    let context = LAContext()

    func authenticate() {
        var error: NSError?

        guard context.canEvaluatePolicy(
            .deviceOwnerAuthenticationWithBiometrics,
            error: &error
        ) else {
            print("生体認証が利用できません: \(error)")
            return
        }

        context.localizedReason = "サインインに認証が必要です"
        context.interactionNotAllowed = false

        context.evaluatePolicy(
            .deviceOwnerAuthenticationWithBiometrics
        ) { success, authError in
            if success {
                print("認証成功")
            } else {
                print("エラー: \(authError)")
            }
        }
    }
}

canEvaluatePolicyメソッドは、デバイス上の生体認証の利用可能性を確認します — Face IDが設定されていないか、誤りが多すぎてロックされている場合はfalseを返します。interactionNotAllowedパラメータは、システムがユーザーにダイアログを表示できるかどうかを決定します。Face IDの場合、iOSは自動的に顊認诌アイコンとアニメーションを追加します。