• 解锁体验全靠摄像头?揭露屏幕指纹识别背后的秘密

    CFan 电脑爱好者 2019-04-10 16:18产品 标签:指纹识别 摄像头 屏幕 秘密

    2017年初,汇顶科技就通过三星Galaxy S7 Edge和vivo Xplay6两款改版手机演示了屏下指纹识别的案例,这种无需在屏幕上开孔的指纹识别技术吸引了无数玩家的关注。

    从2018年初的“曲高和寡”,再到2018年底OPPO将支持屏幕指纹的K1打入到1599元的普及价位,这种“黑科技”注定会成为2019年中高端智能手机领域的“标配”。

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    那么,早期的屏幕指纹和最新的屏幕指纹方案之间存在哪些差异?为何如今武装这一技术的新品越来越便宜,而指纹识别的准确性却反而有所提升了呢?

    屏幕指纹技术的发展史

    屏幕指纹识别从技术层面可以衍生出“光学”(?#37096;?#31216;为“光电”)和“超声波”两大类别。

    ?#19978;В?#36229;声波屏幕指纹方案才刚刚被三星Galaxy S10系列试装(网友?#23548;?#20307;验的反馈多是速度慢、识别?#23454;停?#20174;2018年到2019年初的屏幕指纹都还是光学屏幕指纹方案的天下。

    理论上,光学屏幕指纹技术在识别率和解锁速度方面都能无限接近传统的电容式指纹识别技术。以汇顶科技最新的屏下光学指纹模块(CMOS方案)为例,其既适用于OLED软屏,还能用于OLED硬屏(超声波方案不能用于硬屏),并?#26469;?#20102;分离式设计,让光学指纹模组不再需要贴合到OLED屏上(超声波方案需要贴合到屏上),从而大大减轻了商用难度,有效降低了生产的隐形成本?#22836;?#38505;成本。

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    因此,光学比超声波有着更大的成本优势,屏体分离可有效降低生产成本,而?#23452;?#37319;用的也是完全成熟的产业链。

    光学屏幕指纹技术需要光的发射和感应装置,理论上TFT(LCD)和OLED屏幕都可以作为光源。但是,TFT屏幕是被动发光的,需要底部的LED背光板透过TFT面板才能发光显示。如果想在TFT屏幕内实现屏幕指纹识别技术,需要整个模组进行一番“大手术”,成本极高。反观OLED,由于它具备超薄且支持自发光的特性,可以精确控制每一个子像素点。

    屏幕指纹的大致原理是当用户手指轻微按压屏幕时,OLED屏幕的RGB pixel会发出光线,透过OLED屏幕的小孔到屏幕表面将指纹纹理照亮。因为手指的不同纹路导致反射的光线不同,达到指纹的光线反射穿透屏幕再到达指纹传感器,最后指纹传感器就能根据反射光线形成指纹图像。

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    以vivo为例,其早在2018年1月就量产了全球首款屏幕指纹识别手机vivo X20 Plus,随后X21、NEX、X23、NEX双屏版和X27则分别武装了第二代、第三代、第四代、第五代和第六代光电屏幕指纹技术。

    ?#23548;?#19978;,光学屏幕指纹识别技术的迭代更新并没这么快,其本质上只是刚刚经历了两代的革?#38706;?#24050;。

    第一代:屏下指纹传感器方案

    第一代屏幕指纹又称“准直器方案”,vivo X20 Plus、X21、小米8探索版、华为Mate RS屏下指纹版和魅族16th等早期支持屏幕指纹识别的手机,它们都在OLED屏幕下方嵌入了指纹识别传感器,通过微透镜收集从OLED屏幕小孔透下来的光线成像,从而实现对指纹信息的识别。

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    考虑到OLED的像素排列方式可能会产生摩尔纹影响识别,所以这类手机的指纹传感器大都采用倾斜一定角度的方式来消除摩尔纹。

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    为了得到清晰的指纹图像,“准直器方案”还需要在传感器和OLED屏幕之间加入一个“准直层”来过滤掉折射和散射光线,确保到达感光元件的光线是准直光。此外,在准直层方案?#24149;?#30784;上?#23521;?#29983;出了“小孔成像方案”,它可?#36234;?#19968;步降低模组厚度和成本,让到达光线传感器的指纹图像更清晰。

    ?#19978;В?#23631;下指纹传感器方案并不完?#39304;?#39318;先,这种方案的模组必须和OLED屏幕紧密贴合,工艺难度较高且存在良品率的问题。其次,该方案的成本和有效的指纹识别区域成正比,用于采集指纹的面积越大,成本也会蹭蹭往上涨。

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    03wj fm B 07-1(和07拼一起)

    无论是熄屏还是亮屏都能看到指纹传感器

    此外,为了让隐藏在屏幕之下的传感器最大限度地接收穿透屏幕的光线,那就必须提高屏幕的透光性,于是所有采用“准直器方案”的手机都有一个通病——屏幕在强光下可以隐约看到指纹传感器的轮廓,非常影响观瞻。

    第二代:屏下摄像头传感器方案

    从vivo NEX开始,以OPPO R17、K1为代表的新品大都采用了第二代屏幕指纹识别技术,它们将隐藏在屏幕内的指纹识别传感器换成了特殊的摄像头模组(由指纹芯片、超?#25506;笴MOS

    鱼眼摄像头、光线传感器、NOR FLASH和滤光片几个部分组成),也因为被称为“CMOS方案”,其本质上是通过“屏下摄像头”来完成指纹的采集和比对。

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    和第一代“准直器方案”相比,“CMOS方案”的模组无需和OLED屏幕结合,只要固定在框架上即可,工艺难度和成本大幅降低。此外,该方案无需考虑准直孔的问题,只需提高摄像头的像素就能进一步提升成像质量,强光下也很难看到屏幕内的指纹模块(镜头)了。

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    2018年早期“准直器方案”的拒识率是7%~8%,如今“CMOS方案”则已经降低到了2%,而且解锁速度也从早期的1秒降低到了0.24秒。

    价格方面,在“准直器方案”时期的屏幕指纹芯片成本约8美元到9美元,额外的模组成本约7美元到9美元,整套方案下来的总成本高达15美元到18美元,也就是约合103元到123元人民币。如今,“CMOS方案”的屏幕指纹芯片已经降到了6美元,模组成本也仅需2美元,约合55元人民币的开销已经为其成为主流价位手机(1500元以上)的标配奠定了基础。

    “CMOS方案”还有一个杀手级的优势——既然它的主体就是摄像头,所以可以引入和相机相关的技术来进一步提升成像质量和识别的效率。

    作为首批采用“CMOS方案”的手机代表,vivo NEX就增加了多帧合成、畸变处理、?#24418;取?#21010;痕检测?#21364;?#37327;源自摄影的技术,以及特征提取优化、动态BASE自适应、MASK机制、DPI适配等针对指纹图像的算法优化。

    到了X23,vivo更是联合高通在SoC层面进行了深度优化,推出了“屏幕指纹DSP加速技术”,将原本由CPU负责的指纹图像增强和对比识别的工作交给了Hexagon DSP,效率大幅提升且功耗明显下降。

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    同时,X23还将屏幕下的指纹摄像头图像密度提升到750ppi,光圈增长到了F/1.5,通过后期的OTA系统更新还能进一?#25509;?#21270;首帧加速、HBM同步、水波纹消除、蒙版预加载和移除等算法,让X23的指纹解锁速?#21364;?#21457;布之初的0.35秒进一步提升到了0.24秒!

    去年上市的vivo NEX双屏版采用了“第五代光电屏幕指纹”,它将2P镜头升级到了3P镜头,并在SoC(CPU)上开辟了指纹处理专区,结合DSP级优化在亮屏解锁速度上再?#20301;?#24471;突破。总之,“CMOS方案”拥有成本更低,以及通过类似相机算法可不断优化升级的特点,已然成为了新款手机最热衷武装的光学屏幕指纹解决方案。

    屏幕指纹识别演示

    vivo X27屏幕指纹识别演示,点击这里查看该产品的评测

    最新上市的vivo X27采用了“第六代屏幕指纹HD版”,其特色在于将模组Sensor感应面积增加到2倍。与上一代屏幕指纹技术相比,检测到手指面积提升27%,而获取的图像信号量、动态范围也随之提升了30%。不止如此,更大面积的感应模组,使得第六代屏幕指纹在特殊场景中表现出色,比如在干手指、低温环境等情况下,其识别效率也相对提升了近50%之多。

     

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