屏幕指紋解鎖技術(shù)

2013年9月，第一款指紋解鎖的手機(jī)因運(yùn)而生，從此我們就告別了輸入密碼解鎖手機(jī)的時(shí)代。指紋識(shí)別可以讓我們更加靈活的“使用”自己的指紋，只要將手指放到指紋識(shí)別傳感器上就可以輕松的完成識(shí)別過程。這種方法讓我們?cè)谌粘Ｊ褂弥袔砹烁嗟姆奖闩c互動(dòng)性，避免了額外繁瑣的識(shí)別過程。

指紋識(shí)別技術(shù)是目前最主流的生物識(shí)別方式，其應(yīng)用普及程度遠(yuǎn)超其他識(shí)別手段，比如虹膜識(shí)別、靜脈識(shí)別、人臉識(shí)別。但隨著工業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)技術(shù)的要求也越來越高，傳統(tǒng)的指紋解鎖技術(shù)不能滿足更苛刻的工藝水平要求。

在2017年7月的MWC展會(huì)上，vivo就率先發(fā)布了搭載超聲波指紋的Xplay6驗(yàn)證機(jī)，隨后到X21、NEX以及X23等手機(jī)均搭載了屏幕指紋技術(shù)。時(shí)至今日，vivo在屏幕指紋技術(shù)的研究上也取得了更多的成果，最新的X23就搭載了第四代光電屏幕指紋解鎖技術(shù)。

為什么要用屏幕指紋技術(shù)？

傳統(tǒng)物理傳感器指紋解鎖方式

經(jīng)過5年的發(fā)展，手機(jī)指紋解鎖已經(jīng)變成了習(xí)以為常的事情，每次用手指去觸碰傳感器的操作方式也沒有什么不方便，那為什么還要出現(xiàn)屏幕指紋呢？

其實(shí)屏幕指紋的推進(jìn)和演變，根本原因是伴隨著手機(jī)屏將向無邊框、全面屏的趨勢(shì)。由于全面屏概念的流行，傳統(tǒng)指紋解鎖無論采用正面刮擦或按壓方式解鎖，還是采用背面解鎖，都會(huì)影響手機(jī)等智能設(shè)備的外觀。

為了讓手機(jī)達(dá)到更高的屏占比，很多手機(jī)廠商將前置指紋解鎖均挪到機(jī)身背面成為后置指紋解鎖，也有不少?gòu)S商采用虹膜解鎖或面部識(shí)別等解決方案去替代指紋識(shí)別。

背部指紋解鎖

即為了追求更高屏占比，又考慮到成本和技術(shù)問題，大部分手機(jī)廠商對(duì)指紋解鎖的解決方式是把指紋實(shí)體按鍵放在機(jī)身背后。這種操作方式做的最好的手機(jī)是錘子，把后面的logo和指紋識(shí)別合二為一。但更多的是發(fā)生了設(shè)計(jì)上的尷尬，比如三星的note8就出現(xiàn)解鎖時(shí)，手指頭按到了后置攝像頭上。

劉海屏

而虹膜解鎖或面部識(shí)別的解鎖方式，必然會(huì)使用到前置的攝像頭和紅外傳感器等器件，正因?yàn)檫@個(gè)原因，所以才出現(xiàn)了尷尬的劉海屏。到目前為止，虹膜解鎖或面部識(shí)別等解鎖方式最理想的狀態(tài)，就是將屏幕正面的元器件放在屏幕下方，減少“劉?！钡某霈F(xiàn)，但該技術(shù)目前還并未真正出現(xiàn)。又或者將其盡可能縮小，只保留攝像頭。

還有一個(gè)比較極端的處理方式，就是OPPO Find X上運(yùn)用的升降結(jié)構(gòu)，但它的不足很明顯，就是每次識(shí)別解鎖都要升降一次，壽命和等待時(shí)間都是新的問題。

vivo NEX屏幕指紋

對(duì)于全面屏手機(jī)來說，傳統(tǒng)的正面指紋鍵已經(jīng)成為一種限制，只得妥協(xié)采用面部識(shí)別+背部指紋的方案。因而無論是用戶還是終端商如今對(duì)并不算新鮮的屏幕指紋的渴望，都在同一時(shí)間達(dá)到頂峰。對(duì)于全面屏來說，屏幕指紋方案不僅能夠保證指紋識(shí)別使用的同時(shí)不占據(jù)任何區(qū)域，將屏幕的使用率提升至最高，同時(shí)在體驗(yàn)上也絲毫不輸于早前的實(shí)體式前置指紋。對(duì)于大部分全面屏機(jī)型而言，屏幕指紋或許才是顏值/體驗(yàn)兼顧的最佳解決方案。

物理按鍵消失的背后，屏幕指紋如何變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)？

在手指解鎖的短暫的一秒內(nèi)，你的手機(jī)需要完成以下四個(gè)步驟：獲取一張指紋的圖像；從圖像中獲取指紋信息；與備份的標(biāo)準(zhǔn)指紋信息進(jìn)行比較；決定是否解鎖手機(jī)。

聽起來屏幕指紋的識(shí)別解鎖過程并不復(fù)雜，但實(shí)際應(yīng)用到手機(jī)產(chǎn)品中卻不那么容易。縱觀當(dāng)下手機(jī)市場(chǎng)，在屏幕指紋識(shí)別領(lǐng)域做得最好的當(dāng)屬vivo了。

vivo指紋識(shí)別技術(shù)迭代時(shí)間軸

從2017年7月在上海MWC大會(huì)上推出超聲波指紋的Xplay6驗(yàn)證機(jī)（屏幕指紋首次應(yīng)用的成品機(jī)，并未上市銷售），到第四代光電屏幕指紋技術(shù)的X23，vivo在屏幕指紋技術(shù)上已經(jīng)進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的研究與優(yōu)化。接下來我們就來看看vivo最新對(duì)屏幕指紋技術(shù)的理解與升級(jí)，如何將其變?yōu)榇驍∥锢戆存I的新殺手锏。

在最新的vivo X23手機(jī)上，其搭載了第四代光電屏幕指紋技術(shù)。其硬件方面采用了F/1.5超大光圈和720dpi超高分辨率的指紋傳感器，大進(jìn)光量成像更清晰的特點(diǎn)使識(shí)別率和解鎖速度得到提升。同時(shí)，在軟件方面X23的內(nèi)部也擁有首幀優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化了原有的兩幀識(shí)別流程，建立了快速通道，使絕大多數(shù)情況下的解鎖速度顯著提升了40%。

結(jié)合軟硬件的兩方特點(diǎn)，第四代光電屏幕指紋技術(shù)就可以通過OLED屏幕的像素自發(fā)光作為指紋的光源，OLED發(fā)出的光經(jīng)過屏幕上方的手指反射，穿過屏幕、 Lens等光學(xué)層返回到指紋傳感器，指紋傳感器通過感應(yīng)指紋脊、谷反射光源能量的差異，形成不同灰度的圖像，再經(jīng)過一系列圖像處理和比對(duì)完成識(shí)別。

屏幕指紋DSP技術(shù)

了解屏幕指紋的朋友應(yīng)該知道，在低溫或者強(qiáng)光環(huán)境下，其實(shí)通過屏幕識(shí)別指紋會(huì)比較困難，在數(shù)據(jù)運(yùn)算上相對(duì)復(fù)雜，對(duì)硬件性能的需求也更高，傳統(tǒng)單核CPU很難提供更順暢的體驗(yàn)，無法做到與傳統(tǒng)物理傳感器一樣的效果。

其實(shí)這類問題的核心就在于TrustZone技術(shù)模塊的運(yùn)作原理，TrustZone作為基于SoC平臺(tái)的安全框架，自指紋識(shí)別功能普及之初就肩負(fù)著相關(guān)數(shù)據(jù)的處理及運(yùn)算。在傳統(tǒng)處理的方式中，TrustZone的安全和非安全世界數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理，全部依賴于CPU的一個(gè)獨(dú)立核來完成。

DSP工作原理

為了克服這樣的問題，vivo最新也公布了一項(xiàng)名為“屏幕指紋DSP加速技術(shù)”，它是vivo與高通合作開發(fā)的一款Hexagon DSP加速芯片。這塊Hexagon DSP加速芯片通過智能提升單項(xiàng)功能的能力并減弱CPU的運(yùn)行壓力，從而實(shí)現(xiàn)解鎖速度的再次優(yōu)化——解鎖速度從原有的600毫秒提升至300毫秒，結(jié)合SoC底層平臺(tái)的深度優(yōu)化。

據(jù)官方數(shù)據(jù)顯示，DSP可以具備3倍于單核CPU的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算能力，從而提升屏幕指紋解鎖的速度。應(yīng)用于X23手機(jī)下，在刁鉆場(chǎng)景下的解鎖速度又實(shí)現(xiàn)了30%的顯著提升，該技術(shù)將會(huì)于10月份進(jìn)行推送升級(jí)。

按鍵式 VS 屏幕指紋解鎖

屏幕指紋結(jié)構(gòu)圖

屏幕指紋解鎖，和傳統(tǒng)指紋鍵解鎖不一樣的地方，主要在于獲取指紋圖像的方式。按鍵式解鎖使用的電容傳感器來解鎖手機(jī)，感受的是指紋的凹凸。電容傳感器通過將凹凸變成電壓大小，來錄入指紋信息。

類似的，手機(jī)觸屏使用的傳感器也是電容傳感器，但區(qū)別在于按鍵指紋解鎖對(duì)于精確度是指紋級(jí)別，而觸屏是指尖級(jí)別，比指紋大很多。需要達(dá)到指紋級(jí)別的清晰度，對(duì)于上層玻璃材料，傳感器密集度，以及和顯示屏合并為一體的技術(shù)都有難度。

屏幕指紋技術(shù)用的則不是電容傳感器，而是圖像傳感器。這類傳感器和相機(jī)上的傳感器類似，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后再?gòu)?fù)原電信號(hào)成為圖像。屏幕指紋的光學(xué)傳感器安放在OLED顯示屏的下面，透過半透明的OLED顯示屏來給屏幕上的指紋照一張相片。

vivo X23屏幕指紋識(shí)別

由于屏幕指紋技術(shù)依賴的是屏幕下的光學(xué)傳感器，所以對(duì)顯示屏的要求是：薄，半透明。由于傳統(tǒng)的液晶顯示屏存在需要打背光，需要多層偏光片的需求，顯示屏組成不透明也不薄，所以屏幕指紋技術(shù)只能配套OLED顯示屏

除了傳感器的不同，屏幕指紋技術(shù)和按鍵指紋技術(shù)在信息識(shí)別上非常類似。在獲取了指紋的圖像之后，會(huì)提取指紋中有特點(diǎn)的紋路，比如分叉和回路，然后比較和之前錄入指紋中相應(yīng)特殊紋路的相對(duì)位置，來決定是否解鎖手機(jī)。

物理按鍵消失成必然，屏幕指紋將走的更遠(yuǎn)

更大范圍的屏幕指紋解決方案

屏幕指紋技術(shù)還是給手機(jī)的發(fā)展帶了了質(zhì)變：不需要指紋鍵，離手機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)真正全屏更靠近了一步，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度來說打開了很多新的空間。

雖然目前屏幕指紋解鎖只局限于屏幕上的一小塊區(qū)域，理論上指紋解鎖可以覆蓋整個(gè)屏幕，只需要加大屏幕下方的光學(xué)傳感器大小。也許在不久的將來，簡(jiǎn)單地把手放在手機(jī)上的動(dòng)作就能解鎖手機(jī)。

vivo APEX概念手機(jī)

據(jù)vivo最新的技術(shù)展示，其概念手機(jī)APEX已經(jīng)搭載了更大范圍的屏幕指紋解鎖技術(shù)。相比于已發(fā)售的屏幕指紋機(jī)型不同，APEX向我們展示的概念是通過多范圍的指紋捕捉空間，讓解鎖識(shí)別并不局限于某一小范圍內(nèi)。

這樣的改變可以讓用戶拿起手機(jī)無需尋找直接在屏幕更大范圍內(nèi)完成指紋解鎖動(dòng)作，對(duì)于一些盲操作來說更加方便。最后，再配上屏幕指紋DSP加速技術(shù)支持，相信解鎖的速度和準(zhǔn)確度也會(huì)有更大提升。

屏幕指紋技術(shù)是屏下各種技術(shù)的開始。屏下技術(shù)給產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來的變革，給用戶帶來的方便與快捷，都會(huì)讓這項(xiàng)技術(shù)有不少生機(jī)。