2017年，智能手機(jī)正式進(jìn)入全面屏?xí)r代，但同時(shí)也帶來了問題：前面板放不下已經(jīng)用習(xí)慣的前置指紋，不得不移至背面，顯示區(qū)域的屏幕下指紋成了熱點(diǎn)方案。前不久，vivo發(fā)布了vivo X20Plus屏幕指紋版，終于讓我們看到了一套成熟可量產(chǎn)的屏幕指紋方案。

屏內(nèi)才是終途 手機(jī)指紋識(shí)別技術(shù)大揭秘

　　屏幕指紋一經(jīng)推出，很多朋友都在感嘆它的神奇，卻少有知道其工作原理的。所以本期發(fā)燒學(xué)堂，我們就在聊一聊手機(jī)指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，看看它到底是怎么實(shí)現(xiàn)識(shí)別的，這其中又有哪些技術(shù)難點(diǎn)。當(dāng)然還有個(gè)最重要的問題：屏幕指紋會(huì)碾壓面部識(shí)別東山再起嗎？

　　這些年我們看到的指紋識(shí)別位置

　　生物識(shí)別的實(shí)現(xiàn)過程其實(shí)都大致相同，普通的手機(jī)指紋系統(tǒng)包括指紋識(shí)別Sensor、特征提取匹配模塊、特征模板庫、應(yīng)用軟件。指紋的驗(yàn)證可分為兩步，首先是提取待驗(yàn)證的指紋特征，然后將其和指紋模板庫中的模板指紋進(jìn)行相似度比較，相似度達(dá)到要求時(shí)便能實(shí)現(xiàn)解鎖。

　　簡簡單單的過程，經(jīng)過設(shè)計(jì)后卻能呈現(xiàn)出各種各樣的方案。就拿位置來說，傳統(tǒng)的指紋識(shí)別位置就有三種，加上前不久剛剛發(fā)布的屏幕指紋共有四種：

　　背面指紋

背部指紋

　　在指紋識(shí)別的發(fā)展上升期，背面指紋可以說是安卓機(jī)上主流的識(shí)別方案。其原因就在于前置指紋的技術(shù)受限，而且安卓的交互操作主要依靠前面板下巴上的三大金剛鍵，在當(dāng)時(shí)來說，更加巧妙的交互方式有待開發(fā)。

　　就使用體驗(yàn)來說，用戶想要解鎖就得拿起手機(jī)，比較麻煩，而且一般都會(huì)有其他功能集成在指紋識(shí)別按鍵上，用戶在使用這些功能時(shí)背部位置就顯得不夠直觀。

　　側(cè)面指紋

側(cè)面指紋

　　側(cè)面指紋其實(shí)是個(gè)不錯(cuò)的位置解決方案，既不會(huì)影響傳統(tǒng)的交互方式，又不需要在面板上開孔影響視覺觀感。但側(cè)面指紋也帶來不少問題：指紋模組的厚度會(huì)對(duì)屏幕的邊框?qū)挾犬a(chǎn)生影響，而且在手機(jī)越來越薄的當(dāng)下，允許側(cè)面指紋占據(jù)的空間越來越小，指紋識(shí)別掃描面積的縮小帶來最直接的變化就是指紋識(shí)別率降低。

　　正面指紋

正面指紋

　　在新的交互方式被廣泛認(rèn)知后，前置指紋成了最流行的識(shí)別方案。相對(duì)于前兩者，前置指紋使用起來更加直觀，放桌面使用不需要拿起手機(jī)，并且可以輔助交互。而且從外觀上說，前置指紋也成了補(bǔ)足面板空白的手段之一，與上部聽筒配合更顯協(xié)調(diào)。

　　屏幕指紋

屏幕指紋

　　全面屏?xí)r代到來，前面板額頭下巴的進(jìn)一步縮窄讓前置指紋無可放，屏幕下指紋就成了代替?zhèn)鹘y(tǒng)指紋的最佳位置方案。但目前的屏幕指紋還處在初級(jí)階段，需要在指定的位置才能實(shí)現(xiàn)識(shí)別。

　　而指紋識(shí)別形態(tài)，卻不是僅有位置差別那么簡單。

　　除了位置 指紋識(shí)別還有很多講究

　　大部分人印象中，指紋識(shí)別除了位置，貌似也沒什么差別。但事實(shí)上，市面上已見的指紋識(shí)別千差萬別。比如最直接的一點(diǎn)就是可按壓不可按壓。

可按壓式的屏幕指紋

　　指紋模組需要通電才能工作。一般來說，可按壓式指紋識(shí)別只有屏幕亮屏后才對(duì)模組通電，這樣做的好處是待機(jī)時(shí)可以在一定程度上省電。不可按壓式模組一直通電，這樣做的好處是可以隨時(shí)實(shí)現(xiàn)更加快速的識(shí)別，一觸即解鎖。

iPhone不可按壓但有壓力感應(yīng)的指紋識(shí)別

　　可按壓式指紋比較典型的就是iPhone，最初采用的是可按壓式物力按鍵，到后來雖然不可按壓，但在home鍵下加了壓力感應(yīng)器，受到一定壓力時(shí)才會(huì)對(duì)識(shí)別模組通電，從而實(shí)現(xiàn)解鎖。

　　除了按壓不可按壓，指紋識(shí)別表面蓋板也是頗有講究的。我們見到的傳統(tǒng)指紋識(shí)別大概分為四種蓋板方案：鍍膜、玻璃、陶瓷、藍(lán)寶石。成本上說，鍍膜最低，藍(lán)寶石最高。但四種方案，卻不僅僅在于成本的差別。

魅族MX4 Pro的藍(lán)寶石蓋板指紋

　　舉個(gè)例子說，我用過第一款國產(chǎn)正面指紋識(shí)別手機(jī)是魅族MX4 Pro，這應(yīng)該也是國產(chǎn)第一款正面可按壓式指紋識(shí)別手機(jī)，其采用的就是來自匯頂?shù)乃{(lán)寶石蓋板方案。藍(lán)寶石蓋板確實(shí)表現(xiàn)出了強(qiáng)大的耐磨能力，但實(shí)際體驗(yàn)上來說，識(shí)別率和識(shí)別速度都是有待提升的。原因就在于魅族MX4 Pro采用的是電容式指紋方案，藍(lán)寶石蓋板會(huì)帶來信號(hào)的衰減和信噪比問題。與普通的Touch IC相比，靈敏度需要提升約60倍。

魅族PRO 5的鍍膜指紋識(shí)別

　　當(dāng)然，相對(duì)來說，只進(jìn)行鍍膜的模組自然是識(shí)別精度最高的，電容觸控的指紋識(shí)別驅(qū)動(dòng)IC只需要比普通的Touch IC靈敏度提升大約3倍即可。魅族在其第一款高端機(jī)型PRO 5上采用的就是這種方案，相比于MX4 Pro在識(shí)別率和識(shí)別速度上可以說是擁有了質(zhì)的提升。但問題就在于這種方案蓋板不夠耐劃。

　　由Under Glass方案引出的指紋封裝工藝

　　到后來，我們也看到全新的Under Glass方案，典型機(jī)型就是ZUK Edge和華為P10。其技術(shù)原理就是來自匯頂?shù)摹癐FS（Invisible Fingerprint Sensor）指紋識(shí)別與觸控一體化技術(shù)”。相對(duì)于傳統(tǒng)的電容式指紋識(shí)別技術(shù)，手機(jī)廠商無需在手機(jī)前面板或后殼上開通孔放置指紋傳感器模塊，而是將指紋傳感器隱藏于TP面板之下，可支持玻璃面板也可支持藍(lán)寶石面板。

Under Glass電容式指紋

　　IFS技術(shù)不需要與手指接觸傳遞信號(hào)的金屬環(huán)，不需要觸控開關(guān)，不需要芯片正面的粘合材料，即可實(shí)現(xiàn)良好的識(shí)別。但這種技術(shù)需要在玻璃面板上開槽，因?yàn)橹悄苁謾C(jī)正面2.5D玻璃面板的厚度超過0.7mm，而根據(jù)電容式指紋識(shí)別的原理，如果在芯片上方存在的蓋板玻璃厚度超過0.3mm時(shí)，其識(shí)別精確度將大幅降低。開槽讓指紋識(shí)別處的玻璃面板厚度保持在0.2~0.3mm，才能讓信號(hào)有效的傳達(dá)。

Under Glass電容式指紋

　　除此之外，在芯片封裝上也是有些講究的。初期大多指紋識(shí)別采用的是wire bonding封裝工藝，但這種工藝需要塑封將金屬引線隱藏，才能形成平整的表面與蓋板貼合，導(dǎo)致芯片的厚度增加，會(huì)在一定程度上影響識(shí)別精度。

　　為了讓更多的識(shí)別芯片與蓋板接觸，減少信號(hào)損失，trench工藝后來也被應(yīng)用其中，簡而言之，就是在芯片表面“挖坑”，用于打線使指紋芯片與外界相連，不占用表面空間。iPhone 5s上主要用的就是trench+ wire bonding的工藝。

　　TSV則是相對(duì)更加優(yōu)秀的封裝方案。這種方案允許芯片有效探測面積大幅增加，芯片的厚度和模組厚度都可以實(shí)現(xiàn)縮減。這種方案可以制作出超薄式的指紋識(shí)別模組，甚至可以使厚度不超過蓋板玻璃。所以用于Under Glass方案更加合適，TSV讓指紋識(shí)別模組鑲?cè)肷w板玻璃成為可能。

　　電容式萎了 超聲波和光學(xué)才是未來

　　電容式

電容式指紋工作原理（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　在剛才我們提到了電容式指紋識(shí)別。其原理是利用硅晶元與導(dǎo)電的皮下電解液形成電場，指紋的高低起伏會(huì)導(dǎo)致二者之間的壓差出現(xiàn)不同的變化，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的指紋測定。目前來說，這種方案是最成熟的，除了極個(gè)別的幾個(gè)超聲波指紋，我們看到的手機(jī)指紋基本都采用的是電容方案。

魅族PRO 6 Plus的活體指紋

　　之所以說電容式成熟，不僅在于這種方案的指紋識(shí)別擁有優(yōu)良的識(shí)別率和識(shí)別速度，還在于這種方案也擁有提升安全性的附屬方案。在魅族PRO 6 Plus上，我們看到了匯頂?shù)幕铙w指紋識(shí)別方案。普通式的電容式識(shí)別由于只檢測指紋紋路，容易被假指紋破解。而匯頂?shù)幕铙w指紋方案將電容指紋傳感器和光學(xué)檢測傳感器無縫集成到一個(gè)硅傳感器中，通過指紋、手指皮膚顏色以及心率信號(hào)來驗(yàn)證用戶的真實(shí)身份。

　　但電容式終究還是難以成為最終的識(shí)別方案的，原因除了電容式指紋在濕手解鎖上表現(xiàn)不佳外，最大的一點(diǎn)原因就是穿透力不強(qiáng)。剛才我們提到，在Under Glass方案中，電容式方案仍需要開槽，這顯然不適合全面屏的需求。

　　超聲波式

超聲波式指紋工作原理（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　超聲波式（射頻式）指紋識(shí)別方案倒是一個(gè)不錯(cuò)的方案，但目前來說還沒有一款成熟的產(chǎn)品為其在全面屏發(fā)展上帶來信心，典型的失敗案例就是小米5S。其原理就是通過超聲波的發(fā)射與接收獲取真皮層的指紋圖像。從理論上來說，超聲波式指紋識(shí)別由于只會(huì)對(duì)人的真皮皮膚有反射，所以從根本上杜絕了人造指紋的問題，而且對(duì)濕手指有高達(dá)99%的識(shí)別率。

高通第二代超聲波指紋識(shí)別

　　高通在上海MWC 2017上曾與vivo合作展出了第二代超聲波式的屏幕指紋方案產(chǎn)品。據(jù)悉該方案能透過厚至1200微米的OLED顯示屏實(shí)現(xiàn)指紋的掃描、錄入和匹配；面向玻璃和金屬的高通指紋傳感器是首個(gè)商用發(fā)布的能夠透過厚至800微米玻璃面板和厚至650微米鋁材質(zhì)外殼實(shí)現(xiàn)掃描的解決方案，在上一代400微米的玻璃或金屬穿透能力之上實(shí)現(xiàn)了顯著提升。

　　而且，第二代方案可以顯示水下指紋匹配和設(shè)備喚醒，能通過檢測心跳和血流帶來更好移動(dòng)認(rèn)證體驗(yàn)，極大了提升了安全性。但第二代超聲波指紋傳感器依然僅限于適配OLED屏幕，而對(duì)于厚度更高的LCD屏幕來說依然無能為力。

　　光學(xué)式

光學(xué)式指紋工作原理（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

　　目前唯一上市的產(chǎn)品vivo X20Plus屏幕指紋版的屏幕指紋采用的是光電反射技術(shù)，說白了就是光學(xué)式指紋。其原理是通過專門適配OLED屏幕的光源發(fā)出光線，到達(dá)手指后反射出不同的光線紋路，被屏幕下的傳感器接收后即可實(shí)現(xiàn)識(shí)別。目前這種光學(xué)指紋也只能在OLED屏幕上實(shí)現(xiàn)，OLED的RGB像素點(diǎn)之間的縫隙可以通過相關(guān)工藝后，光線可以穿過去達(dá)到傳感器。

vivo屏幕指紋

　　從體驗(yàn)來看，這種識(shí)別方式目前除了識(shí)別速度不如傳統(tǒng)電容式指紋識(shí)別外，其它體檢相近。但目前也有不少局限性，比如只能在傳感器的指定位置，貼膜需要使用專用高透光貼膜等。

　　光學(xué)指紋的形態(tài)不止于此。在未來我們或許會(huì)看到進(jìn)化度更好的光學(xué)指紋。

　　據(jù)悉，在OLED和MicroLED顯示屏幕的發(fā)光層內(nèi)加入具備指紋識(shí)別功能的傳感器，形成“交互像素”，即在每一個(gè)傳統(tǒng)的RGB像素點(diǎn)旁邊添加指紋識(shí)別像素點(diǎn)，到那時(shí)就不再需要指紋識(shí)別芯片這個(gè)概念，因?yàn)轱@示屏幕已經(jīng)成了一塊大號(hào)的指紋識(shí)別芯片。

　　而且，為了與手機(jī)顯示屏中的RGB可見光相區(qū)分，同時(shí)減少環(huán)境光線的干擾，光學(xué)式指紋識(shí)別可能采用近紅外光的光源。整個(gè)產(chǎn)品的核心除了算法之外，在硬件端最重要的變化，就是多了近紅外光源、光學(xué)器件、圖像傳感器等。也就是說，這樣的屏幕指紋不需要肉眼可見的高光即可實(shí)現(xiàn)識(shí)別。

　　寫在最后

　　屏幕指紋與面部識(shí)別相比 哪個(gè)才是未來？看到這里，相信很多朋友都有這樣的問題。從技術(shù)上說，目前兩者針鋒相對(duì)，面部識(shí)別有iPhone X的3D結(jié)構(gòu)光，指紋識(shí)別有vivo的屏幕指紋，兩者在識(shí)別速度上相近，使用體驗(yàn)上也各有勝負(fù)。

　　但從使用場景來說，兩者的最大區(qū)別就在于需不需要接觸。面部識(shí)別為非接觸型識(shí)別，可以實(shí)現(xiàn)無動(dòng)作解鎖，比如可以用于應(yīng)用鎖的無縫隙解鎖；不同于智能家居，手機(jī)攥在手里使用，就會(huì)有指紋接觸，而且對(duì)于支付來說，接觸性識(shí)別更加安全。

　　到底哪個(gè)更好，一場辯論告訴你——