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机情观察室:聊聊手机指纹识别那些事

  这几年智能手机竞争激烈的发展,带来一个明显的好处就是技术下沉,曾经在高端机中才有的各种技术,在一段时间之后随着成本下降等各种原因,会迅速下沉应用在中低端机身上,在近两年的智能手机发展中,“指纹识别”算是比较明显的例子。前两年还只应用在各款顶级旗舰机的技术,如今连各种千元机都已经标配指纹识别。而关于刚发布的安卓顶级旗舰S8,即便加入了各种黑科技,但其背后指纹的设计还是让不少网友吐槽。可见如今许多用户对手机指纹识别的还是比较关注的技术点之一。本期的机情观察室,我们就来聊聊手机指纹识别那点事。

  一个人身上所具有的独一性生物特征有不少,包括指纹、 虹膜、掌纹等,指纹由于其独一性和便利性,目前成为人与智能手机交互的“密码”,应用最为广泛。而在这其中。早在2011年,摩托罗拉推出的Atrix 4G中就率先成为世界上首款采用指纹识别的量产智能手机,不过其采用的划擦式体验并不友好。而到iPhone5S上,苹果在智能手机上真正将指纹识别这个功能发扬光大。至此之后,指纹识别真正在智能手机中普及。

  在现阶段,从指纹识别类型上,绝大部分智能手机大多都在使用电容式指纹识别。一般来说,指纹模组(以iPhone为例)是由触控IC、电容传感器、金属检测环、保护盖板组成,而现在技术的发展,则已经可以去掉金属探测环,使得承载指纹模组的Home键更显得一体化。

  由于我们的指纹是由一圈一圈的皮肤纹路构成,每个人纹路的形状、指纹的波峰和波谷都完全不同,因此指纹在电容传感器中测量的点的长短也不尽相同(波峰的电容值较高、波谷的电容值较低), 最终将指纹图像翻译成芯片能理解的电信号,当用户在录入指纹时,指纹模组工作,提取指纹图像,转化成电信号与传感器上N多个电容器极板相匹配,最终记录保存在手机中。

  对于当前绝大部分的指纹识别模组,都可以对指纹图像进行360°扫描,因此对于用户解锁时手指的姿势没有限制,这就对指纹识别的精度有一定的要求。一般来说,目前智能手机的指纹识别模组分辨率能达到500dpi,而越高的分辨率则对于指纹信息的精准度和速度有所提升。

  当然,影响指纹识别速度和精准度的也并不只是指纹模组的面积和分辨率。前文所知, 电容式指纹识之所以能够是识别指纹,主要是基于手指指纹的沟壑。而我们平时使用时,手上免不了沾染一些油污或出汗,而水和杂志会导电,并且会填充手指的波谷,使得指纹识别扫描精度下降。这也就是一般情况下,手上沾水后为什么指纹识别失灵或速度慢的原因。

  尽管如今电容式指纹的成本已经比较低(普通的指纹识别模组大概只要3美金左右),无论在当下的旗舰机还是千元机中上都可以有比较接近的体验。不过如上文所说, 电容式指纹对于手上的污渍、水、油这样的在生活中比较常遇到的情况下使用效果都会大打折扣。并且电容式指纹对于手机的造型也有一定方面的限制,由于电容式指纹需要在保护盖板上做一些喷涂,因此使用久了总免不了会有刮花的可能。另外电容式指纹的穿透力大概在300微米,而正常的屏幕保护玻璃厚度大概在400微米以上。因此对于手机造型上有所限制。

  基于这些原因, 科技厂商也在不断研发新的指纹识别技术。而目前已经看到样机实现的,则是射频式指纹识别(超声波指纹)、第二代光学指纹。

  超声波指纹:

  超声波属于射频指纹的一直用,与电容式需要检测指纹表面不同,超声波具有穿透性,利用指纹模组发出的特定频率的超声波扫描手指,利用指纹的不同对超声波反射的不同,能够建立3D指纹图形,因此对手指表面的清洁程度并不用太过考虑。另外,由于超声波具有比较强的穿透性,可以穿透金属、玻璃等常用手机材质,因此对手机外观方面也不会有太多限制。

  去年9月,小米5S成为首款搭载超声波指纹识别的产品,但最初的超声波指纹用户体验并不如之前想象中优秀,识别速度慢、准确率偏低。而在刚刚过去的MWC上,高通发布了第二代超声波指纹识别方案,将指纹模组放进屏幕中、金属背壳内,由vivo Xplay6作为样机展示。

  根据高通提供的数据,面向显示屏的指纹传感器可透过厚至1200微米的OLED显示屏工作,面向金属的指纹传感器可透过厚至650微米的铝材质外壳工作,而面向玻璃的指纹传感器可透过厚至800微米的玻璃工作。这样的数据已经超过当前主流的2.5D屏幕(大致700-800毫米)的厚度,因此手机厂商可以将指纹模组放在自己需要的部分,以打造更具未来感的外观。(目前超声波指纹方案还只能应用在OLED屏幕)。并且高通宣称,这一代的超声波指纹识别在功耗、模组大小都可以与可以做到与电容式传感器比较接近的水准。

  当然,能做到in-display的,除了超声波之外,更多的科技公司在研究光学指纹方案。

  光学指纹:

  相比之下,光学指纹的应用场景离我们更贴近一些。比如在最初的指纹打卡机上,就是采用最早的光学指纹技术。在录入原始指纹信息后,通过玻璃下方发出的激光扫描你手指摁在玻璃上压出来的指纹,扫描出的图像以黑白的图像与数据库进行对比。但是最初的光学指纹识别由于是基于图像识别,所以对手指的清洁度、指纹模组大小都有要求。

汇顶年初MWC展示的光学指纹汇顶年初MWC展示的光学指纹

  在智能手机中,对光学指纹进行了重新升级,通常采用手机屏幕作为发光主体,通过光路照射到指纹,返回的光线再通过屏幕返回到屏幕下的CIS(CMOS Image Sensor),手机针对返回的图像与数据库进行分析对比,最终识别指纹。

  可以看到,只要是光学指纹就需要有光。而对于智能手机来说,屏幕发光的时间、功耗、以及屏幕表面的清洁度都会影响到光学指纹的应用体验,因此现在也只能应用在OLED屏幕上开发,而基于LCD屏幕的光学指纹还鲜有人问津。而同为in-display的解决方案,在产品成本、良品率上光学指纹比超声波指纹更具有优势,但在安全性方面,目前高通所做的超声波指纹可以检测到皮肤下的血氧以及心率,拥有先天优势的超声波无疑优于光学指纹。

  总结:

  以上就是目前离我们最近的指纹识别的三种方案,各有利弊。从目前成本以及普及度,电容式指纹>光学指纹>超声波指纹;从安全性出发,超声波指纹>电容性指纹(暂时)>光学指纹;而从对手机外观的影响来看,能穿透金属的超声波无疑会给智能手机的ID设计带来更多富有创意的可能性,但不得不说,在三者中,目前超声波指纹可实现的技术难度最高。今年,全面屏手机时代很可能正式到来,但相比全屏幕技术,相配的指纹识别方案的成熟很可能在明年才会正式与我们见面。或许明年,搭配更新指纹技术的全面屏手机,会刷新我们对手机设计的新高度,我们自然也拭目以待,手机产品在经过近两年的低潮期后,在未来一段时间内能给我们带来怎样的惊喜。

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