探析新一代屏幕指纹技术

1月16号，社交App圈还没消停，手机圈又热闹了一把。一项低调的OPPO在这一天下午2点半举办了一场主题叫“十所为见”的技术沟通会，发布了两项高调的新技术，分别是10倍混合光学变焦技术和光域屏幕指纹技术。

光域屏幕指纹技术发布，将极大提升解锁体验

光域屏幕指纹为用户带来轻松、自然、灵活、恰到好处的自由交互体验。用户点按整个区域内的任意位置都可以通过指纹解锁或支付，此外，光域屏幕指纹支持独特的“黑屏盲操作”功能，在黑屏状态下，通过触摸屏幕也能立即解锁。

OPPO的发言人在活动上也明确提到了光域屏幕指纹是采用了TFT的方案。目前使用TFT方案的指纹供应商主要是上海的箩箕和日本的JDI。

OPPO光域屏幕指纹创新地加入双指同时录入与认证功能，实现安全性指数级地提升。此外，新一代方案还加入“光域加密”特性。相比传统的加密应用启动后再解锁的两步操作，“光域加密”区内的任何应用可以一键完成启动、认证与解锁。OPPO发言人表示，搭载光域屏幕指纹技术的产品将于2019年推出。

图：在屏幕一大片区域任意位置都可以指纹解锁

OPPO推出的光域屏幕指纹，是目前主流光学方案的迭代产品，用户点按整个区域内的任意位置都可以通过指纹解锁或支付。OPPO表示其有效识别区域也达到了目前主流光学方案的15倍。此外，更大区域还让OPPO可以支持独特的“黑屏盲操作”、双指同时录入与认证、以及“光域加密”功能。OPPO不仅承诺搭载光域屏幕指纹技术的产品将于2019年推出，也大方地也在活动现场拿出了工程机给大家体验。

巧的是就在同一天，小米也介绍了类似的技术。小米总裁林斌在微博表示经过了大半年时间，终于攻破了屏幕指纹一键录入和大范围盲解两项难题。而两家中国市场前五厂商在同一天，间隔5个小时发布新一代屏幕指纹技术，让吃瓜群众有了新的谈资，纷纷讨论到两家技术究竟谁强？更有趣的是，在OPPO发布之后，也有数码博主开始曝光一周后vivo将推出全屏屏幕指纹。手机指纹这个话题着实狠狠刷了一把存在感。

那这个小米抢发，OPPO首发，vivo未发的指纹技术到底是什么？要把这个问题解释清楚，首先要说明白我们为什么需要屏幕指纹？

“苹果效应”的失效

指纹，自人类文明出现以来一直是个人身份独特标志和符号，目前还没有发现有两个人的指纹完全相同的情况。1858年，印度公务员William Herschel在合同背面印上掌纹，生物识别作为一种身份验证形式自此诞生。1903年，纽约警方开始使用指纹来识别罪犯。而直到110年后iPhone 5s的推出，才将指纹识别的应用普及到了普通老百姓的生活中。虽然摩托罗拉在2011年发布首个采用指纹技术的手机——MB860，但划擦式指纹识别速度过慢问题，导致那一阶段指纹并没有大范围应用。

“苹果效应”(Apple Effect)让普通大众对生物识别技术的看法发生了根本性转变，从侵犯隐私摇身变成了快速便捷的付款方式。短短4年间，随着电容式指纹识别技术成熟，良率提升，成本下降，即便千元以下的智能手机也开始大量搭载指纹识别。有数据表示，中国2018年智能手机指纹识别的渗透率预计超过90%。

但指纹识别如果只用来解锁设备，其实并没有比输入4位数字密码快多少。真正让手机指纹识别系统被广泛接受和使用的，是手机钱包和移动支付。2014年末，Apple Pay和支付宝正式支持指纹支付；2015年6月，微信也开始支持指纹支付，通过指纹识别，用户一步步意识到：手机=钱包=银行账户。

而指纹识别技术不仅直接与大家的银行账户相关，也和我们的审美息息相关。2017年之前，手机普遍是16:9的屏幕+Home键的正面ID设计。然而随着消费者逐渐对“苹果脸”的审美疲劳，新一代无边框18.x:9全面屏手机开始爆发。

在这一时期内，背面指纹成为了安卓手机的主流识别方案。其原因就在于更长的屏幕挤占原来属于指纹的空间，指纹识别模块就只能“搬家”去别的地方，而背面的大块”空地“显然非常合适。

不过就使用体验来说，背部指纹还是违反用户本能操作逻辑的。用户想要解锁就得拿起手机，而且一般都会有其他功能，比如付款功能集成在指纹识别按键上，在没有明显视觉引导的情况下（传统的正面Home键就肩负这个角色），用户在使用这些功能时背部位置就显得不够直观。如果一个技术需要用户来适应机器，而不是机器自然适应用户，那说明这个技术显然是不合理的。

侧面指纹其实是个不错的位置解决方案，既不会影响传统的交互方式，又不需要在面板上开孔影响视觉观感。但侧面指纹也带来不少问题：指纹模组的厚度会对屏幕的边框宽度产生影响，而且在手机越来越薄、屏占比越来越大的当下，允许侧面指纹占据的空间越来越小。不仅空间不允许，而且扫描面积的缩小也会严重地降低指纹识别率。因此我们基本只看到索尼的手机采用这种侧面指纹的方案。

当然，大家也都想将指纹放在屏幕中，点触屏幕就刚好识别解锁，不是一举两得的方便么？但问题就在于，由苹果效应捧红的电容式指纹的天生穿透力差，最多也就能透过400微米的厚度，而一般手机屏幕上的盖板玻璃都超过500微米，用户可能再贴个膜又增加400微米，所以电容式指纹传感器就不可能隐藏在屏幕里。

于是，以光学指纹与超声波指纹识别为代表的“屏幕指纹+全面屏”方案自2018年开始全面爆发，成为智能手机的追捧对象。

目前超声波方案的主要玩家是现在天天跟苹果打官司的高通。这家芯片巨头在2016年随着骁龙820的发布，推出了Sense ID超声波方案。当年首发骁龙820的乐视的乐Max Pro也宣布采用这一技术。但尴尬是，乐视依然将指纹放在了背部，而不是屏幕里面。另一款采用这一技术的前置凹槽指纹的小米5S。

高通在2017年推出了更新超声波方案Qualcomm Fingerprint Sensors，表示在前代基础上实现全新增强特性，包括面向显示屏、玻璃和金属的传感器、定向手势检测、水下指纹匹配和设备唤醒。也有传闻称三星将在19年发布的S10上将首发高通的超声波方案。

而光学指纹方案，因为天生光天生穿透性强的优势，更适合用来做屏幕指纹。不仅如此，光学方案从技术实现上更加成熟。因为在专业领域，比如支配我们上班的指纹打卡器、办签证时的指纹收集器等已近规模商用了多年，将这一套方案适配到手机上，比完全从零做起的超声波要简单不少。

屏幕指纹的三代进化

市场似乎也已经证明了光学方案的优势。目前中国的一线品牌、包含华为、OPPO、小米、vivo都推出了基于光学指纹方案的产品，比如华为Mate 20系列，OPPO R17系列、小米8屏幕指纹版，vivo NEX等。

光学屏下指纹识别的方法，都是利用屏幕照亮手指，随后手指的成像透过OLED屏幕的小孔，被屏幕下方的光学传感器所感知，进而比对识别。

从已经商用的方案来看主要有两代。第一代是基于CMOS传感器的小孔阵列准直方案。这种结构下，来自指纹的光线通过盖板玻璃、OLED层以后，进入准直层，进而过滤掉折射和散射光线，到达感光元件的光线便是准直光，得到相对清晰的指纹图像，最终识别指纹。

第二代则是目前应用更普遍的镜头式方案。这一方案的本质是在屏幕下面装一个摄像头，通过给手指拍照的方式来记录和比对指纹信息。这也是为什么我们在点击屏幕指纹区域的时候，识别区域的亮度会提的非常高，因为需要给手指拍照打个闪光灯。

但第一代和第二代屏幕指纹方案的问题就在于贵。手机的指纹识别区域想要多大，就得采用多大的指纹传感器，同时因为两代方案都采用了CMOS的传感器，也就是和相机、手机拍照摄像头一样的传感器，如果要做成一块区域，甚至全屏识别的话，那这手机的售价估计会让8848沉默，让Vertue流泪。假设我们要做一个全屏的指纹，尺寸大概在100mmx75mm的话，那面积相约等于3个全画幅（36×24）。以一片晶圆（4000美金）切出36篇全画幅传感器的标准来看，只能做12个全屏指纹传感器，而每一个传感器的成本，如果算上设计、制造等，估计在300-400美金。那这手机，仅仅做个指纹就要2500左右。

因此第三代方案应用而生，目的就是解决在增大识别面积的同时，有效地控制成本。这一代方案在结构上与第一代类似，但是将传感器由CMOS换成了TFT（膜光学指纹传感器技术）。因为不需要晶圆这一昂贵的原材料，所以极大地降低了成本。 

屏幕指纹是一门平衡的学问

到这里，实际上已经解决了开始提出的问题。新一代的屏幕指纹方案，依然是基于光学感应的方案，创新之处是将昂贵的CMOS替换为TFT传感器来扩大感应面积的同时控制成本。

但这又引出了另一个问题，都是采用一样的技术原理，OPPO和小米的区域屏幕指纹还有区别吗？答案当然是肯定的。不同品牌在基于原始技术设计功能的时候都会有不同的考虑，以及不同的能力。就像厨师做菜一样，即使用一样的原材料，炒出的两盘菜口味也可能差别很大。

从公开信息更多的OPPO来看，他们提出的光域屏幕指纹的更大的价值在于“黄金识别区域”这个理念，从商用化能力和用户体验价值方面也略胜一筹。OPPO表示，他们在思考如何发掘出更进阶、更实用、更懂用户的屏幕指纹解锁方案时，是通过对用户实际使用屏幕指纹的场景来理解的。也正因如此，OPPO发现多数用户在拿起手机进行指纹解锁的时候，都是通过单手，用虎口和小拇指分别托住手机的下部，伸出大拇指按压，然后解锁。所以他们将一个位于手机中下部的区域位置定义为黄金识别区域。

手机屏幕尺寸从最初3.5’，到4’，4.7’，再到后来5’，5.5’，乃至6’，早已超出了单手操作的极限范围。而OPPO通过对找到并定义一个舒适的单手操作区域位置，实际上能很好地适应用户本能的握持和操作习惯。特别是对于新一代全面屏手机来说，正面没有明显视觉引导的辅助，机器如何适应用户的习惯就更重要了。上一代单点屏幕指纹多是通过UI提示指纹位置来实现引导，本质上和home键的作用是一样的，但是依然是机器在教用户如何使用，而不是天生地符合用户的习惯。

光域屏幕指纹演示-黄金识别区域

此外，OPPO提出的双指解锁也具备比较大的潜力。从现场体验的视频看到，目前用户在双指录入之后，只用一根手指是无法解锁的，必须要两个手指同时认证才能通过。

这种组合解锁的方式可以极大的提升安全性，OPPO表示这种提升将是“指数级”的。实际上，这就是我们所谓的“双重保险”，安全性得到提升是自然的结果。Synaptics曾在2017年推出过类似理念的产品，称之为“多重生物特征识别融合引擎”,通过组合指纹+面部的两个生物特征来实现双重保险。但相比于指纹，通过前置摄像头完成的2D人脸识别天生安全性比较低，这也是为什么我们经常可以看到用打印照片就能攻破手机人脸识别的新闻。因此，指纹+指纹的组合安全性是会明显优于其他形式的双重保险。当然，如果能够使用3D结构光+3D结构光的组合，安全性会比指纹更高，但是相信也没有用户会同意把现在iPhone Xs Max上的刘海区域再扩大一倍了。

更高安全性的意义绝对不在于日常的解锁手机。正如上文提到的，让指纹普及的一个重要原因是移动支付。而随着更多支付或者其他财务相关，甚至包括企业级业务的数字化进程，比如银行业务的全面数字化，再比如政务管理系统的数字化，比如个税抵扣申报，将会有很多情况需要高度精确和环境极度安全的身份验证，而这个时候就是多重生物识别，比如双指解锁，能发挥优势的地方。比如我们可以和家人为了存钱设立一个共有的银行账户，而想要花钱的时候则必须通过两个人同时的验证，不会出现老公偷偷打赏女主播，或者老婆偷偷买了新包包的情况；此外，在公司中也可以将加密文件设置成这一解锁条件，确保机密文件的安全性。

目前OPPO的演示中，双指录入和解锁的速度还不是很快，推测原因是需要处理两个指纹的图像数据，所以需要花费更多的时间。而单指解锁速度则快很多，与目前的R17 Pro之类的光感屏幕指纹相近。我们也希望OPPO能在今年的产品中完善双指速度这一部分。

不过以目前指纹技术和市场接受的成熟度来说，提升解锁速度并不是特别大的挑战。因为目前指纹传感器都可以支持自学习的进化功能，甚至很多指纹锁都在主打这个宣传点。这也就是说用户在每次使用指纹解锁的同时，传感器也会不断地学习用户的使用习惯，并不断优化匹配的算法来提升识别速度。手机厂商大可以降低用户录入指纹精度的门槛来加速识别，并在后期不断通过自学习的方式进行完善，但这样则会极大地牺牲使用初期的安全性。

而看到小米这边，从视频上可以看到小米与OPPO在黑屏盲操作上功能类似，但比较突出的特性是则一键录入。与传统指纹录入需要十次左右的情况不同，小米的原型机只需要按一下就可以完成录入。因为目前还缺乏更详细的资料，所以尚不清楚小米是如何实现一个功能的。但录入指纹这一个场景，用户在用一款手机的时候基本只会操作一次，以现在2年左右的换机周期来说，用户也很可能2年内只会录入一次指纹。因此这个功能在可拓展性上还有待挖掘，也期待小米能够量产出有更多场景的功能。 

而在这场指纹话题中的vivo，似乎抛出了一个更具高调的概念，也就是全屏指纹。全屏指纹在目前区域指纹的基础上进一步扩大识别面积，实际上赋予了用户更大的灵活度和便捷性，用户在完全盲操作的情况下也能实现解锁，比如从口袋掏出手机的同时，只要手指接触屏幕就能解锁。与光域指纹类似，如果是全屏指纹的话，应该也可以支持双指、甚至三指或四指录入与识别，将安全性推向极致。

从成本角度考量，vivo这次应该也是采用了TFT的方案，在本质上与以上两家没有实质性的差别。所以理论上来讲，如果小米和OPPO采用更大面积的传感器，或者直接用两个区域指纹传感器拼放起来，也能够实现全屏指纹。但vivo在功能考量以及是具体设计方面还有哪些独特的优势我们目前还不得而知。此外这一代APEX到底在指纹方面有哪些奇招，以及这一代APEX是否会在19年上市开售也引人关注。18年初亮相的vivo APEX在一年时间里没有实现量产，也是一个遗憾。

全屏指纹在用户体验上来看应该是未来的发展方向。但在2019年这个时间点是否成熟还存在疑问。首先是成本原因，即使与CMOS相比TFT传感器极大地减低了成本，但是增加传感器面积依然会带来成本的提高。TFT传感器在手机产业中仍然属于未规模化的新技术，在发展初期成本的控制依然是个挑战。随着技术的规模化普及，成本必然会降低，毕竟所有技术都有着相似的历史发展轨迹。比如单点屏幕指纹，虽然目前仍是高端旗舰的专属（OPPO K系列和vivo Z系列除外)，但从TrendForce旗下拓墣产业研究院报告可以看到指纹模组的价格已经有明显的下降。报告指出，2017年Synaptics的光学屏下指纹识别成本尚需要12-15美元，但随着汇顶、思立微等厂商的加入，预计2019年成本将有机会下降至8美元以下。

此外，手机内部空间的平衡则是让人更感兴趣的挑战。手机内部寸土寸金已经是众所周知的了，特别是在2019年这个5G元年，手机内部还要在已有的4G通讯模组基础上增加5G的元器件，这让比北京环线还要拥挤的手机内部更难挤出空间给到扩大地盘的指纹模组。手机厂商可能会选择增加机身厚度或者减小电池容量的形式来找补空间。但实际这已经是为了指纹而牺牲更重要的厚度和续航。苹果的做法则是在厚度上做出一定妥协，从iPhone X开始将主板做成了双层，也将电池设计成L型排布，为的就是在保证全面功能的情况下依然为吃all day battery。但这也是iPhone越来越厚这一神秘现象背后的原因。

OPPO 称，OPPO 手机一直在不断成长，过去这 10 年围绕影像、闪充、工业设计等领域不断的探索 OPPO 提供了大量手机技术创新，只为呈现出更好的产品和体验，恰如其分地满足你的需求。这些技术创新包括：

- 2012 年首次引入美颜自拍，到 2017 年 AI 智慧美颜，再到 2018 年的 3D 美颜技术；

- 2014 年发布低压快充方案 VOOC 闪充；

- 2016 年推出能在 15 分钟充满 2500mAh 电池的 SuperVOOC 超级闪充；

- 2014 年首次实现多帧采样合成的 5000 万像素超清画质；

- 2016 年发布独立 SmartSensor 图像芯片，可实现单反级三轴光学防抖的 0.3 微米像素级的防抖技术；

- 2016 年与索尼联合研发 IMX398 旗舰传感器，引入了 Dual PD 双核对焦技术；

- 2017 年发布了利用潜望式双摄像头实现的 5 倍无损变焦技术；

- 2012 年 Finder 以 6.65mm 厚度开启超薄手机设计时代，2014 年发布 4.85mm 全球最薄的 R5 手机

- 2012 年在设计上通过 Find 5 开创了息屏美学；

- 2013 年全球首款旋转摄像头的 N1 手机，再到 2014 的年电动旋转手机 N3；

- 2018 年通过 Find X 带来了创新的全隐藏式 3D 摄像头设计。

三摄接棒式方案，无缝覆盖10倍变焦

那么，OPPO 全新的 10 倍混合光学变焦技术是什么呢？根据 OPPO 的介绍，这是在 2017 年潜望式 5 倍无损变焦技术基础上，升级而来的混合光学变焦技术。主要利用了超广角、超清主摄与长焦的三摄像头结构，镜头焦段覆盖 15.9-159mm，覆盖了从超广角到长焦的“完整视角”，从而实现 10 倍混合光学变焦。

可能很多都已经知道OPPO曾将发布过“潜望式结构”镜头，这次10倍混合光学变焦技术也将其融合了进去。

OPPO 表示，全新推出的 10 倍混合光学变焦技术已达到商用水平，也具备大规模的量产能力。在即将到来的 MWC 期间，OPPO 将会带来 10 倍混合光学变焦技术的现场展示。

除了 10 倍混合光学变焦技术之外，OPPO 还发布了“光域屏幕指纹技术”，这个技术主要是增大了屏幕识别的面积。OPPO 称，一般单手握持手机时，大拇指自然覆盖的舒适区为“黄金识别区域”，最新发布的光域屏幕指纹技术可以在这个区域内任意位置实现解锁和支付功能，有效识别区域是目前主流光学方案的 15 倍。

三枚摄像头相互协作，最大限度地发挥各自优势，在不同变焦区间上都能获得更好的成像品质，以接棒式的方式实现了10倍变焦，满足用户从超广角到远摄的多场景构图创作需求。

针对变焦倍数越大，抖动对画质影响越大的行业难题，OPPO通过在标准和长焦摄像头上引入双OIS光学防抖，全面提升手机的拍摄精准度。

手机长焦也清晰，百余项专利打磨独创技术

除了三摄结构外，OPPO首创的“潜望式结构”也是实现10倍混合光学变焦的关键，“潜望式结构”通过镜片组的横向排列与折射，充分利用手机的宽度和厚度，最大限度地节省了机身空间，在保证手机机身轻薄的前提下，让手机能够使用更大的光学组件，进而为手机带来画质更清晰的长焦拍摄能力。

为实现10倍混合光学变焦技术，OPPO投入了超过200名研发人员，布局了100多项研发专利，从马达、棱镜、模组、算法等各方面不断打磨和验证，最终以100%自定义模组实现这一独创技术。其中长焦模组中的棱镜材质选择和折率考量就历经四个月、数十版方案迭代才得以确立。

OPPO也采用了十分严苛的抗跌测试，对整体摄像模组进行可靠性检测，整个模组经历两轮28000次抗跌测试，确保手机不因轻微碰撞而影响用户的拍照体验。

OPPO方面表示，智能手机的摄影体验不断在突破，OPPO作为手机影像技术的重要推动者，一直在手机计算光学领域不断探索创新，并走在行业前沿。作为混合光学变焦技术的开创者，OPPO持续创新也将驱动手机影像向前发展。