Face ID — คืออะไร เทคโนโลยี TrueDepth และหลักการจดจำใบหน้า

Face ID คืออะไร?

Face ID — ระบบยืนยันตัวตนทางชีวภาพที่พัฒนาโดย Apple สำหรับ iPhone และ iPad โดยใช้กล้อง TrueDepth เพื่อสร้างแบบจำลองใบหน้าแบบ 3D ที่แม่นยำและเปรียบเทียบกับเทมเพลตทางคณิตศาสตร์ที่เก็บไว้ ระบบทำงานได้ในที่มืดสนิทด้วยไฟส่องสว่างอินฟราเรด

iPhone X รุ่นแรก (2017) นำเสนอ Face ID เป็นระบบชีวภาพหลักแทนที่ Touch ID ตามข้อมูลของ Apple ระบบใช้โครงข่ายประสาทเทียมบน Neural Engine 16 คอร์ ซึ่งประมวลผลสูงสุด 600 พันล้านการดำเนินการต่อวินาทีเฉพาะสำหรับการจดจำใบหน้า ตลอดหลายปีที่ผ่านมาเทคโนโลยีได้พัฒนาหลายรุ่น — จาก iPhone X ถึง iPhone 16 Pro ซึ่ง Face ID ทำงานเร็วขึ้น 30% และรองรับมุมมองที่กว้างขึ้น

ความแตกต่างที่สำคัญของ Face ID จากคู่แข่งคือการใช้การสแกน 3D แทนการใช้รูปถ่าย 2D ทั่วไป ทำให้ระบบทนทานต่อการโจมตีด้วยรูปภาพ หน้ากาก และวิดีโอ ในปี 2023 Apple ยืนยันว่า Face ID ถูกใช้มากกว่า 10 พันล้านครั้ง ต่อเดือนสำหรับการยืนยันตัวตน การชำระเงิน และการเติมรหัสผ่านอัตโนมัติ

สถาปัตยกรรมกล้อง TrueDepth

TrueDepth — โมดูลกล้องที่ประกอบด้วยส่วนประกอบสำคัญสามส่วน: โปรเจกเตอร์จุด (Dot Projector), กล้องอินฟราเรด (Infrared Camera) และไฟส่องสว่างอินฟราเรด (Flood Illuminator) ทั้งสามส่วนประกอบทำงานในสเปกตรัม 940 นาโนเมตรซึ่งมองไม่เห็นด้วยตามนุษย์และปลอดภัยต่อการมองเห็น

โปรเจกเตอร์จุด (Dot Projector)

โปรเจกเตอร์ใช้ไดโอดเลเซอร์และตะแกรงเลี้ยวเบน VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) เพื่อฉายจุดอินฟราเรดที่มองไม่เห็นมากกว่า 30 000 จุดบนใบหน้าผู้ใช้ เลเซอร์ VCSEL ทำงานที่กำลังไฟปลอดภัยต่อดวงตา (Class 1 ตามมาตรฐาน IEC 60825) และสามารถสร้างแผนที่ความลึกของใบหน้าที่แม่นยำถึง 0.1 มม.

กล้องอินฟราเรดและไฟส่องสว่าง

กล้องอินฟราเรดอ่านค่าการสะท้อนของจุดต่างๆ ในขณะที่ Flood Illuminator ส่องสว่างใบหน้าด้วยแสงอินฟราเรดสม่ำเสมอในสภาพแสงน้อย ข้อมูลจากกล้องจะถูกส่งไปยัง Neural Engine ซึ่งสร้างแบบจำลองใบหน้า 3D และเปรียบเทียบกับเทมเพลตที่เก็บไว้ใน Secure Enclave กระบวนการนี้ใช้เวลาน้อยกว่า 400 มิลลิวินาทีและทำงานทั้งหมดบนอุปกรณ์

การทำงานของการจดจำใบหน้า

กระบวนการ Face ID ประกอบด้วยสามขั้นตอน: การจับภาพ, การสร้างแบบจำลอง 3D และการเปรียบเทียบกับเทมเพลต ในขั้นแรก Flood Illuminator จะส่องสว่างใบหน้า และ Infrared Camera จะรับภาพในสเปกตรัมอินฟราเรด จากนั้น Dot Projector จะฉายอาร์เรย์ของจุด 30 000 จุดบนใบหน้า และกล้องจะบันทึกการบิดเบือนของจุดเทียบกับตารางอ้างอิง

Neural Engine วิเคราะห์การบิดเบือนของแต่ละจุดและสร้างแผนที่ความลึกของใบหน้า — ชุดพิกัด X, Y, Z จำนวน 30 000 ค่าที่อธิบายลักษณะพื้นผิวใบหน้า ในขณะเดียวกันภาพอินฟราเรดจะถูกวิเคราะห์โดยโครงข่ายประสาทเทียมที่สองเพื่อตรวจสอบ Attention Aware — ระบบยืนยันว่าผู้ใช้กำลังมองตรงไปที่หน้าจอด้วยตาที่เปิดอยู่

แผนที่ความลึกและภาพอินฟราเรดจะถูกแปลงเป็นเทมเพลตทางคณิตศาสตร์ขนาดประมาณ 3 KB ซึ่งเปรียบเทียบกับเทมเพลตที่เก็บไว้ใน Secure Enclave หากระดับความตรงกันเกินค่าเกณฑ์ (ปรับแต่งได้ใน iOS) การยืนยันตัวตนจะถือว่าสำเร็จ ตามข้อมูลของ Apple Face ID ปรับตัว ตามการเปลี่ยนแปลงของลักษณะภายนอก: การไว้หนวดเครา แว่นตา หมวก — โครงข่ายประสาทเทียมจะอัปเดตเทมเพลตหลังจากการปลดล็อกที่สำเร็จแต่ละครั้ง

เมื่อ iOS 15.4 เปิดตัวในปี 2022 Apple เพิ่มการรองรับ Face ID ขณะสวมหน้ากาก ระบบจะวิเคราะห์เฉพาะบริเวณรอบดวงตา — รูปทรง ระยะห่างระหว่างรูม่านตา และความลึกของเบ้าตา โดยใช้อัลกอริทึมพิเศษที่ได้รับการฝึกฝนจากภาพใบหน้าที่สวมหน้ากากนับล้านภาพ การปลดล็อกขณะสวมหน้ากากทำงานช้าลงเล็กน้อย (0.6 วินาที เทียบกับ 0.4 วินาที) แต่ยังคงให้ความปลอดภัยเพียงพอสำหรับการใช้งานในชีวิตประจำวัน

ความปลอดภัยของ Face ID: Secure Enclave และ Attention Aware

Secure Enclave (SEP) — โปรเซสเซอร์เฉพาะในชิป Apple A7 ขึ้นไปที่ทำงานแยกจากระบบปฏิบัติการหลัก ในบริบทของ Face ID Secure Enclave ทำหน้าที่สองอย่าง: จัดเก็บเทมเพลตชีวภาพในรูปแบบเข้ารหัส และเปรียบเทียบตัวอย่างใหม่กับเทมเพลตทางคณิตศาสตร์ iOS ไม่สามารถเข้าถึงข้อมูลดิบจากกล้องได้ — มีเพียงผลลัพธ์การเปรียบเทียบ: ตรงกันหรือไม่

เทมเพลตใบหน้าถูกเข้ารหัสด้วยคีย์ที่สร้างจากตัวระบุชิปเฉพาะ (UID) เมื่อเปิดเครื่องครั้งแรก UID ถูกฝังอยู่ใน Secure Enclave ตั้งแต่ขั้นตอนการผลิตและไม่สามารถอ่านจากภายนอกได้ ตามข้อมูลของ Apple Platform Security แม้แต่ Apple ก็ไม่สามารถดึงเทมเพลตใบหน้าออกจากอุปกรณ์ได้

Attention Aware — ชั้นความปลอดภัยเพิ่มเติมที่ตรวจสอบว่าผู้ใช้กำลังมองหน้าจออย่างตั้งใจ Face ID จะไม่ปลดล็อกโทรศัพท์หากหลับตาหรือสายตามองไปทางอื่น การป้องกันนี้ช่วยป้องกันการปลดล็อกขณะหลับหรือโดยไม่รู้ตัว สำหรับผู้ที่มีข้อจำกัดทางการมองเห็น Attention Aware สามารถปิดได้ในการตั้งค่า แต่จะลดระดับความปลอดภัย

การป้องกันหน้ากากและแม่พิมพ์ซิลิโคน

Apple ทดสอบ Face ID กับ หน้ากากมากกว่าพันชิ้น ที่ผลิตโดยผู้เชี่ยวชาญด้านเทคนิคพิเศษสำหรับอุตสาหกรรมภาพยนตร์ ไม่มีหน้ากากใดสามารถหลอกระบบได้ด้วยการผสมผสานเทคโนโลยี: กล้องอินฟราเรดวิเคราะห์การแผ่รังสีความร้อนของผิวหนัง Dot Projector ตรวจสอบพื้นผิว 3D และ Neural Engine ตรวจจับการเคลื่อนไหวเล็กน้อยของกล้ามเนื้อใบหน้า ไม่มีรายงานกรณีที่ได้รับการยืนยันว่าสามารถหลบเลี่ยง Face ID ด้วยหน้ากากได้

Face ID กับ Touch ID: การเปรียบเทียบ

การเลือกระหว่าง Face ID และ Touch ID ขึ้นอยู่กับรูปแบบการใช้งานและความชอบส่วนบุคคล Face ID ทำงานแบบไม่ต้องสัมผัส — ผู้ใช้เพียงแค่มองที่หน้าจอ Touch ID ต้องสัมผัสทางกายภาพกับปุ่มหรือเซ็นเซอร์ แต่ไม่ต้องสบตากับอุปกรณ์

หลังการระบาดของ COVID-19 Apple เพิ่มความสามารถในการปลดล็อก Face ID ขณะสวมหน้ากาก (iOS 15.4+) — ระบบวิเคราะห์เฉพาะบริเวณรอบดวงตา อย่างไรก็ตามเพื่อความปลอดภัยสูงสุด Apple แนะนำให้ใช้การจดจำใบหน้าแบบเต็มรูปแบบ Touch ID ยังคงมีอยู่ใน iPhone SE และ iPad (ปุ่ม Home) และเป็นวิธีที่ต้องการสำหรับผู้ใช้ที่สวมหน้ากาก แว่นตาที่มีเลนส์หนา หรือมีข้อห้ามทางการแพทย์

ตัวอย่างโค้ด: LocalAuthentication บน iOS

เฟรมเวิร์ก LocalAuthentication มี API เดียวสำหรับการทำงานกับ Face ID และ Touch ID บน iOS นักพัฒนาไม่จำเป็นต้องรู้ว่าเซ็นเซอร์ใดติดตั้งอยู่ในอุปกรณ์ — ระบบจะเลือกวิธีการชีวภาพที่พร้อมใช้งานโดยอัตโนมัติ ด้านล่างเป็นตัวอย่างการยืนยันตัวตนพร้อมการตรวจสอบความตั้งใจ

import LocalAuthentication

class AuthManager {
    let context = LAContext()

    func authenticate() {
        var error: NSError?

        guard context.canEvaluatePolicy(
            .deviceOwnerAuthenticationWithBiometrics,
            error: &error
        ) else {
            print("ไม่สามารถใช้ชีวภาพ: \(error)")
            return
        }

        context.localizedReason = "ต้องยืนยันตัวตนเพื่อเข้าสู่ระบบ"
        context.interactionNotAllowed = false

        context.evaluatePolicy(
            .deviceOwnerAuthenticationWithBiometrics
        ) { success, authError in
            if success {
                print("ยืนยันตัวตนสำเร็จ")
            } else {
                print("ข้อผิดพลาด: \(authError)")
            }
        }
    }
}

เมธอด canEvaluatePolicy ตรวจสอบความพร้อมใช้งานของชีวภาพบนอุปกรณ์ — คืนค่า false หาก Face ID ไม่ได้ตั้งค่าหรือถูกบล็อกหลังจากพยายามไม่สำเร็จมากเกินไป พารามิเตอร์ interactionNotAllowed กำหนดว่าระบบสามารถแสดงไดอะล็อกให้ผู้ใช้ดูได้หรือไม่ สำหรับ Face ID iOS จะเพิ่มไอคอนและแอนิเมชันการจดจำใบหน้าโดยอัตโนมัติ