作者：芯智訊-浪客劍
隨著(zhù)全面屏手機的爆發(fā)，智能手機對于屏占比的要求越來(lái)越高。目前主流旗艦手機的屏占比已經(jīng)達到了90%左右，手機正面早已沒(méi)有了傳統的HOME鍵存在的位置。這也使得可以隱藏在屏幕內、不影響屏占比的新的屏下指紋技術(shù)得到了越來(lái)越多的智能手機廠(chǎng)商的青睞。與此同時(shí)，隨著(zhù)蘋(píng)果iPhone X的帶動(dòng)，不少的手機廠(chǎng)商也推出支持3D人臉識別的旗艦機型。
3D人臉識別：結構光還還是TOF？
去年9月13日，蘋(píng)果推出了基于3D結構光技術(shù)的iPhone X，實(shí)現了3D人臉識別，并以Face ID徹底取代了Touch ID指紋識別。由此也引爆了3D感測市場(chǎng)。
雖然去年很多的手機廠(chǎng)商也推出了支持人臉識別的手機，但是基本都是基于簡(jiǎn)單的2D/2.5D技術(shù)的，相對于3D人臉識別技術(shù)來(lái)說(shuō)，更易受干擾、準確度底、安全性低（易破解）。而3D人臉識別目前又主要有3D結構光和TOF兩類(lèi)技術(shù)。
下面我們一起來(lái)看下近期發(fā)布的一些支持3D人臉識別手機和其背后的技術(shù)供應商以及準備進(jìn)入手機市場(chǎng)的一些3D技術(shù)供應商：
小米8透明探索版——Mantis Vision
今年5月底，小米率先推出了首款3D結構光的安卓智能手機——小米8透明探索版。其采用的是以色列的3D編碼結構光技術(shù)廠(chǎng)商Mantis Vision的方案，由歐菲光提供模組。
Mantis Vision是一家以色列科技公司，成立有13年的歷史了，一直專(zhuān)注于3D及計算機視覺(jué)領(lǐng)域的創(chuàng )新技術(shù)。之前獲得過(guò)高通、索尼、三星等企業(yè)的投資。2018年3月，該公司正式進(jìn)入中國。
結構光的光路分為發(fā)射端和接收端，發(fā)射端的主要構成包括點(diǎn)光源、準直鏡頭、光柵元件和 Lens，其中點(diǎn)光源 準直鏡頭充當整個(gè)光路的光源，產(chǎn)生擴束平行光，光柵元件分為兩種，一種是蘋(píng)果采用的DOE，另一種則是 Mantis Vision 所采用的“Pattern”型光柵，無(wú)論哪種方案，光柵的作用都是產(chǎn)生衍射圖案，而光柵之后的 Lens 的作用則是將衍射光重新進(jìn)行準直化處理，以保證光束的密集度。接收端主要是一個(gè)紅外接收鏡頭，由光學(xué)鏡片、紅外濾光片和 CMOS 傳感器組成，其作用為通過(guò)對反射光斑的探測還原深度信息。
根據Mantis Vision介紹，其提供的編碼技術(shù)，在高分辨率模式下，使用1M傳感器能獲得120K特征點(diǎn)，使用VGA傳感器能獲得40K特征點(diǎn)；更多的真實(shí)坐標點(diǎn)，幫助保留物體更小的細節特征，還原掃描目標的原貌，同時(shí)有效降低處理運算量。
OPPO Find X——奧比中光
6月19日，OPPO也推出了支持3D人臉識別的新一代旗艦機——Find X。這款手機采用的是類(lèi)似iPhone X的散斑結構光技術(shù)，由國內知名的3D感測技術(shù)廠(chǎng)商奧比中光提供技術(shù)，丘鈦提供模組。
根據今年7月24日，丘鈦公布的公告顯示，今年7月，其首批3D結構光模組批量采購訂單和備料需求數量合計超過(guò)了一百萬(wàn)顆。而這筆訂單正是來(lái)自于OPPO。
奧比中光成立于2013年，是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售為一體的3D傳感技術(shù)高科技企業(yè)。2014年，榮獲深圳孔雀計劃第一名。2015年其3D深度攝像頭Astra、Astra mini就已完成量產(chǎn)。今年5月，奧比中光完成了超過(guò)2億美金的D輪融資，本輪融資由螞蟻金服領(lǐng)投，賽富投資、松禾資本、天狼星資本以及仁智資本等數家老股東跟投。目前，奧比中光已成為國內人工智能領(lǐng)域的獨角獸。在3D傳感器領(lǐng)域，不僅具有結構光、雙目、投影方案，還是惠普獨家3D供應商。
▲奧比中光的Astra P模組
▲奧比中光Astra P技術(shù)指標
從奧比中光此前公布的與蘋(píng)果iPhone X的對比結果來(lái)看，奧比中光的3D感測模組已經(jīng)達到了接近iPhone X的水平。
另外，日前奧比中光內部的芯片團隊還首次接受了芯智訊的獨家采訪(fǎng)（下周會(huì )有專(zhuān)訪(fǎng)文章，敬請關(guān)注），據了解，奧比中光目前量產(chǎn)的3D機構光模組還集成了奧比中光第三代的3D算法芯片，采用了新引擎，新算法，基于臺積電28nm工藝，工作和待機功耗更低，對于鏡頭的適應性更強。
vivo的TOF 3D超感技術(shù)——松下+ADI ？
在今年6月下旬的上海MWC大會(huì )上，vivo展示了兩款搭載TOF技術(shù)的原型機。
一般ToF包含光源和光傳感器，當光源所發(fā)出的光線(xiàn)投射到物體身上，折射光也會(huì )抵達光傳感器，既然空氣中的光速是固定的，就可以計算出物體的距離。這就是TOF技術(shù)的原理。
據vivo介紹，其TOF 3D超感技術(shù)有三大優(yōu)勢：
1、有效深度信息高，一般的結構光技術(shù)方案是DOE衍射，衍射現在做的最好只有三萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，我們有30萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，比競爭對手多了10倍；
2、測距遠，是由于結構光本身的限制，目前只能做一些近距離的識別，而遠距離則是vivo TOF 3D 超感應技術(shù)更有優(yōu)勢；
3、體積小，如果結構光要做的好需要更大的元器件。
在芯智訊看來(lái)，vivo所介紹的第2和第3點(diǎn)優(yōu)勢應該沒(méi)有問(wèn)題。但是，第1點(diǎn)需要注意的是，即使TOF的衍射可以做到30萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，但是隨著(zhù)距離的增加，實(shí)際的分辨率和深度精確度會(huì )大幅的降低。
而根據芯智訊得到的消息顯示，vivo的TOF 3D超感技術(shù)供應商是松下和ADI。松下提供TOF傳感器，ADI則提供算法。模組將由舜宇光學(xué)和歐菲科技一同供應。
根據資料顯示，松下最新研發(fā)出了一款ToF影像傳感器，結合雪崩光電二極體(APD)像素技術(shù)和長(cháng)范圍測量成像技術(shù)。
首先，APD像素技術(shù)可大幅降低APD像素范圍，并保留加乘性能，克服了傳統影像傳感器常見(jiàn)的雜訊問(wèn)題，達到25萬(wàn)像素高解析度。 其次，長(cháng)范圍測量成像技術(shù)結合短脈沖ToF新技術(shù)和微光整合技術(shù)，可計算觸及光檢測體的光子數量，就算是單一微弱光子的折射光亦可成功捕捉，不僅可應付長(cháng)距測量，在夜晚仍維持高解析度。
據說(shuō)，松下的這款ToF影像傳感器在250米以?xún)榷寄軌蛲瓿赏瓿筛呓馕龆鹊姆秶上��？赏麘糜谄?chē)范圍成像和夜晚廣域監控等諸多用途。vivo所采用的是應該不是這款，不過(guò)也足以證明松下在TOF傳感器上的技術(shù)實(shí)力。
而ADI也有自己的TOF方案，其測距是向目標連續發(fā)送高精度光脈沖，然后用支持窄脈沖全局曝光的面陣CCD傳感器接收返回的光，通過(guò)探測光脈沖的往返時(shí)間獲取至目標物體的距離信息。
華為——自研？
而根據網(wǎng)友在微博上最新曝光的據稱(chēng)是華為新旗艦Mate 20的前面板諜照顯示，華為Mate 20將會(huì )配備有3D結構光組件和屏下指紋。
雖然，去年11月底，華為榮耀推出了一款外掛式3D結構光配件——點(diǎn)云深度攝像頭，是基于舜宇的3D結構光模組。舜宇提供了包括光學(xué)設計、結構設計、ID設計、圖像處理等嵌入式軟件系統開(kāi)發(fā)在內的一整套解決方案，其內部代號為Jupiter X。但是，根據芯智訊了解到的最新的消息顯示，華為Mate20系列此次可能將會(huì )采用自研的3D結構光方案。
華捷艾米
此外，目前國內其他的一些3D結構光技術(shù)廠(chǎng)商，比如做散斑結構光的華捷艾米也正準備進(jìn)入手機市場(chǎng)。根據芯智訊了解，華捷艾米針對智能手機的小型化RGB-D光學(xué)模組已經(jīng)具備量產(chǎn)能力。而其模組當中還集成了，華捷艾米新推出的一顆型號為IMI-3000的3D感測ASIC芯片。
▲在準確度上，IMI Fram與iPhoneX相比差別不大；平面一致性上，iPhonex 優(yōu)于 IMI Fram。
▲精度上兩者差別不大，近距離 20cm 左右，iPhone X 稍稍好一些。
▲華捷艾米的3D模組掃描的點(diǎn)云圖
小優(yōu)智能
青島小優(yōu)智能科技成立于2015年底，是一家專(zhuān)注于微型激光三維掃描模組產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)及銷(xiāo)售的高科技企業(yè)。公司研發(fā)”3D激光掃描模組”采用MEMS微振鏡芯片，配合具有自主知識產(chǎn)權的光路及散熱系統，結合半導體激光芯片，構建微型激光掃描系統�？蓮V泛應用于3D實(shí)物感知領(lǐng)域。
與前面介紹的通過(guò)散斑來(lái)進(jìn)行3D建模的方案不同，小優(yōu)智能采用的是激光三維掃描，通過(guò)MEMS微振鏡技術(shù)，使得激光束能夠對于掃描的對象進(jìn)行逐行掃描，具有高分辨率（達到亞毫米級，可以比iPhone X精細度更高）、高可靠性、低成本（不需要VCSEL、DOE等成本較高的復雜部件）等優(yōu)勢。當然，其也擁有掃描所需時(shí)間較長(cháng)的劣勢。
不過(guò)，據芯智訊了解，目前小優(yōu)智能的模組進(jìn)行3D人臉掃描的時(shí)間已經(jīng)控制在了0.5秒以?xún)�，這個(gè)時(shí)間用戶(hù)應該是可以接受的。另外，小優(yōu)智能在模組小型化方面也做了很多工作，據說(shuō)已經(jīng)可以做到比當下的3D結構光模組更小，成本更低。
▲小優(yōu)智能此前展示的一些3D模組產(chǎn)品（芯智訊拍攝于7月初）
▲小優(yōu)智能的3D模組掃描的3D人像圖效果
英特爾RealSense
早在2010年，英特爾就曾開(kāi)展感知計算項目。2013年7月，英特爾又收購了手勢識別公司Omek，隨后宣布將推3D深度攝像頭的PC。2014年CES上，英特爾正式推出了首款集成了3D深度和2D鏡頭模塊的 RealSense 3D攝像頭（結構光 雙目立體成像），它能實(shí)現高度精確的手勢識別、面部特征識別，可幫助機器理解人的動(dòng)作和情感。
2015年，谷歌就曾聯(lián)合英特爾推出過(guò)一款基于英特爾RealSense 3D技術(shù)的智能手機Tango Project。
經(jīng)過(guò)數年的迭代，今年1月，英特爾又推出了全新的RealSense 400系列實(shí)感攝像頭，在精度方面實(shí)現了顯著(zhù)提升，與前一代設備相比，每秒捕獲的3D點(diǎn)數和工作范圍均提高2倍以上。
而隨著(zhù)3D感測被越來(lái)越多的智能手機廠(chǎng)商所采用，英特爾RealSense或將重回手機市場(chǎng)。
pmd Technologies
在今年的CES2018展會(huì )上，全球著(zhù)名ToF(Time of flight)德國技術(shù)公司pmd（pmd Technologies）首次展示了其最新的3D圖像傳感器IRS238XC，同時(shí)展示了基于此傳感器的全球最小3D攝像頭模組，尺寸僅為12 mm x 8 mm，它將使TOF深度傳感3D攝像頭變得更加易于集成。
需要指出的是，pmd是全球唯一將ToF深度傳感器成功植入手機的ToF技術(shù)提供商（全球首款配備3D攝像頭的聯(lián)想Phab 2 Pro采用的就是pmd的技術(shù)）。
目前，國內的3D技術(shù)/模組廠(chǎng)商未動(dòng)科技和舜宇都有與其合作。
去年7月，未動(dòng)科技宣布聯(lián)合pmd發(fā)布移動(dòng)端3D視覺(jué)套件。該套件將為全球包括手機、VR/AR、無(wú)人機、機器人等在內的移動(dòng)終端提供低功耗、高幀率、高精度、高穩定性的3D手勢識別等功能。
對于與舜宇的合作，pmd將提供3D圖像傳感器（主要是IRS238XC），以及專(zhuān)有技術(shù)實(shí)現成本優(yōu)化、堅實(shí)且高性能的3D攝像頭設計，包括校準和軟件專(zhuān)有技術(shù)，舜宇則將提供在3D攝像頭模組規模量產(chǎn)方面的專(zhuān)有技術(shù)，實(shí)現更經(jīng)濟、更快速、更穩定的產(chǎn)品制造。
小結：
從目前來(lái)看3D結構光模組相對較為復雜，成本也相對較高，而且前置的3D結構光的只能支持近距離的3D掃描，應用面也比較有限，只能進(jìn)行解鎖、支付以及類(lèi)似animoji的一類(lèi)應用。而TOF相對來(lái)說(shuō)，則可支持較遠距離的3D掃描，應用面也相對較廣，除了能夠支持3D結構光的應用之外，還可以進(jìn)行測距、AR等應用。并且TOF模組的成本可能也將會(huì )比3D結構光更低。
所以，筆者認為，從目前的趨勢來(lái)看，目前多數的手機廠(chǎng)商還是會(huì )導入3D結構光，不過(guò)主要還是用于一些旗艦機型。而隨著(zhù)TOF技術(shù)的成熟，一些品牌廠(chǎng)商的旗艦機會(huì )開(kāi)始導入TOF技術(shù)，同時(shí)可能會(huì )更多的應用于后置。并且相對3D結構光來(lái)說(shuō)，TOF或將會(huì )更快進(jìn)入中端市場(chǎng)。而據芯智訊的了解，前面提到的奧比中光、小優(yōu)智能都有開(kāi)始在進(jìn)行TOF技術(shù)的研發(fā)。
屏下指紋或成中高端智能手機標配
相對于蘋(píng)果的3D人臉識別來(lái)說(shuō)，屏下指紋基本延續了傳統的指紋識別的操作體驗，符合用戶(hù)過(guò)往的使用習慣，也更容易被用戶(hù)所接受。而且屏下指紋不僅避免了開(kāi)孔，也進(jìn)一步提升了屏幕的屏占比，同時(shí)相對于成本高昂的3D結構光模組來(lái)說(shuō)，屏下指紋的成本也要更低一些。所以安卓手機廠(chǎng)商紛紛開(kāi)始跟進(jìn)屏下指紋。
光學(xué)式屏下指紋
早在今年CES 2018展會(huì )上，vivo就率先展示了一款基于光學(xué)屏下指紋技術(shù)的手機——vivo X20 Plus屏幕指紋版。1月24日，vivo在國內舉辦媒體品鑒會(huì )，正式發(fā)布了這款手機。隨后vivo在MWC上展示的APEX，以及后續發(fā)布的X21、NEX也都是基于光學(xué)屏下指紋技術(shù)。此外，還有華為Mate10 RS、小米8透明探索版，以及不久前剛剛發(fā)布的魅族16。
現在的應用于智能手機的光學(xué)指紋識別技術(shù)，拋棄了傳統的光學(xué)指紋的光學(xué)系統，轉為借用可以自發(fā)光的手機OLED屏幕的光線(xiàn)來(lái)作為光源，照射指紋后返回的光線(xiàn)通過(guò)OLED屏上的發(fā)光像素點(diǎn)的間隙到達屏下的CMOS傳感器上，進(jìn)行處理后得到指紋圖像。
根據之前ZOL對于vivo X21的拆解就可以看到，其屏下指紋的底下是一顆超短焦的CMOS傳感器
目前光學(xué)式的屏下指紋供應商主要有Synaptics和匯頂科技兩家，目前已發(fā)布的屏下指紋新機基本都是用的這兩家方案。
另一家國產(chǎn)指紋識別廠(chǎng)商思立微的屏下指紋也即將量產(chǎn)。
盡管蘋(píng)果在其最新一代旗艦機 iPhoneX 上用人臉識別取代了Touch ID指紋識別，但其子公司 AuthenTec 依然在光學(xué)屏下指紋領(lǐng)域積極探索，不少研究機構認為蘋(píng)果公司未來(lái)可能將會(huì )在新機型上同時(shí)搭載人臉識別和屏下指紋兩種方案。
超聲波屏下指紋
除了新的基于光學(xué)的屏下指紋技術(shù)開(kāi)始被手機廠(chǎng)商所采用之外，超聲波指紋識別技術(shù)也可實(shí)現屏下指紋。目前高通正在大力推動(dòng)其新一代的超聲波指紋識別方案應用到智能手機的屏下指紋上。
此前芯智訊曾多次介紹過(guò)高通的第二代超神波指紋識別技術(shù)。其具有防水、放油、活體檢測等特點(diǎn)，在穿透性方面，可以穿透800μm的玻璃和525μm的金屬，也可以穿透1300μm的OLED屏。而目前柔性AMOLED屏的厚度最薄可以縮減到100-200μm，玻璃蓋板可以做到500μm左右，所以其可以在屏幕顯示范圍內實(shí)現指紋識別。
據悉，這項技術(shù)的優(yōu)勢在于，即使在厚達800微米的玻璃下依然可以精確工作，而傳統指紋技術(shù)只能精確到300微米。
此前，已經(jīng)發(fā)布的榮耀10便采用的就是高通超聲波指紋識別技術(shù)，不過(guò)其位置在屏幕下邊框，并非屏幕下。
據芯智訊了解，華為即將于10月發(fā)布的新旗艦Mate 20 Pro將會(huì )采用高通的超聲波指紋識別技術(shù)來(lái)實(shí)現屏下指紋，而且有媒體報道稱(chēng)，華為可能將會(huì )獨占該技術(shù)數月。
不過(guò)，在今年6月下旬的上海MWC大會(huì )上，vivo也有展示兩臺采用超聲波屏幕指紋技術(shù)的樣機，似乎采用的也正是高通的超聲波指紋識別技術(shù)。
另外值得一提的是，有消息稱(chēng)，三星明年初發(fā)布的新一代S系列旗艦也有可能會(huì )搭載高通最新的超聲波指紋識別技術(shù)。
全屏指紋
另外，今年JDI推出了一種完全透明的基于非硅基襯底的指紋識別技術(shù)——Pixel eyes 指紋識別技術(shù)，也有望可以實(shí)現在屏幕顯示區域內實(shí)現指紋識別甚至是全屏指紋識別。
JDI玻璃基透明指紋識別芯片
一般來(lái)講，芯片大都是基于硅基wafer襯底的，但是實(shí)際上，也有基于非硅片襯底的芯片技術(shù)，這種通常稱(chēng)為off-chip技術(shù)。JDI的這款指紋識別芯片就是采取了off-chip技術(shù)，將指紋識別傳感器制備在了玻璃襯底上，并且做成了幾乎完全透明的形式。
據了解，JDI很可能通過(guò)提高Hybrid in-cell Touch的dpi到508以上的方式來(lái)制備，并且摒棄傳統的玻璃蓋板方案，將偏光片的硬度提高，以偏光片來(lái)充當蓋板，這時(shí)的偏光片厚度在200微米左右，足以滿(mǎn)足350微米的電容式指紋識別穿透能力。
由于其是基于玻璃基，電容式的傳感器，并且是透明的，這就也意味著(zhù)，這種技術(shù)可以實(shí)現在屏幕顯示區域進(jìn)行指紋識別。而且其指紋識別的Sensor可以做得很大，甚至可以支持全屏指紋識別。而且Sensor做得大了以后，可以提取的指紋特征點(diǎn)就越多，這也就意味著(zhù)指紋識別的安全級別就會(huì )越高。
此外，在今年的MWC上，vivo就曾展示過(guò)一款全面屏概念機APEX，這款概念機就可支持半屏指紋識別（即在屏幕顯示區域的下半部分都可支持指紋識別）。而這個(gè)采用的是上�；j箕的指紋識別方案。
vivo APEX半屏指紋識別示意圖
而在全屏指紋識別方案上，目前韓國廠(chǎng)商CrucialTec也有在這方面持續的研究。CrucialTec擁有DFS全屏幕識別方案。不過(guò)，由于 DFS 方案對于屏幕和指紋識別模組的整合程度要求較高，可能帶來(lái)高成本等問(wèn)題，目前方案仍處于試驗階段，存在不確定性。
DFS方案示意圖（圖片來(lái)源：pconline）
屏下指紋將成中高端智能手機標配
從上面的介紹來(lái)看，目前如果要在屏幕顯示區域內實(shí)現指紋識別，光學(xué)方案和超聲波方案相對較為成熟，其中目前基于OLED屏（軟硬屏皆可）的光學(xué)式屏下指紋識別技術(shù)應用更為廣泛，已成為目前的主流方案，并且有望從高端智能手機向中端智能手機市場(chǎng)滲透。而基于超聲波的屏下指紋，由于需要厚度更薄成本更高的柔性OLED屏配合才會(huì )有更好的效果，所以這也使得其短期內只能應用在高端機型上。
根據研究機構IHS Markit的預測，2019年使用屏下指紋傳感器的智能手機出貨量至少將達到1億臺，到2020年則進(jìn)一步翻倍至2億臺，市場(chǎng)空間超20億美元，有望在未來(lái)3年保持高速增長(cháng)。
另外根據臺灣Digitimes最新預測，到今年年底，屏下指紋傳感器的出貨量將達到4200萬(wàn)顆。而到2019年，這一數字將會(huì )達到1億顆。
顯然，從目前眾多手機企業(yè)的動(dòng)向以及研究機構的數據來(lái)看，屏下指紋未來(lái)確實(shí)有望成為中高端智能手機的標配。
多生物識別方式結合仍將是趨勢
對于手機廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，單純的采用人臉識別來(lái)代替指紋識別的話(huà)，或多或少的也存在著(zhù)一些弊端。當然，單純采用指紋識別也有一些弊端，例如，雙手長(cháng)期徒手工作業(yè)的人們便會(huì )為指紋識別而煩惱，他們的手指若有絲毫破損或干濕環(huán)境里、沾有異物則指紋識別功能要失效了。另外對于在嚴寒區域或者嚴寒氣候下，亦或者人們需要長(cháng)時(shí)間帶手套的環(huán)境當中，這也將使得指紋識別變得不那么便利。但是，如果將人臉識別與指紋識別或者其他生物識別技術(shù)結合起來(lái)，則可很好的解決這些問(wèn)題。
而隨著(zhù)屏下指紋和3D人臉識別的興起，越來(lái)越多的手機廠(chǎng)商開(kāi)始同時(shí)部署這兩種生物識別技術(shù)。比如小米8探索版、華為Mate RS以及華為即將推出的新旗艦Mate20系列。
另外值得一提的是，在此之前，三星已經(jīng)將虹膜識別和指紋識別技術(shù)結合應用在了其旗艦機上。另外，蘋(píng)果iPhone 7之后的語(yǔ)音助手Siri也加入了聲紋識別功能。
總的來(lái)說(shuō)，多種生物識別技術(shù)相結合的方案，除了可以彌補單一生物識別方式所存在的缺點(diǎn)和不足之外，也應對不同安全級別應用和不同的場(chǎng)景的需求。 |
