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全面屏下兼顾颜值与体验,挡不住的屏幕指纹崛起之路

摘要: 后指纹识别时代,新指纹解锁要在全面屏下崛起。

屏下指纹解锁技术

屏幕指纹解锁技术

2013年9月,第一款指纹解锁的手机因运而生,从此我们就告别了输入密码解锁手机的时代。指纹识别可以让我们更加灵活的“使用”自己的指纹,只要将手指放到指纹识别传感器上就可以轻松的完成识别过程。这种方法让我们在日常使用中带来了更多的方便与互动性,避免了额外繁琐的识别过程。

指纹识别技术是目前最主流的生物识别方式,其应用普及程度远超其他识别手段,比如虹膜识别、静脉识别、人脸识别。但随着工业设计的进一步发展,对技术的要求也越来越高,传统的指纹解锁技术不能满足更苛刻的工艺水平要求。

在2017年7月的MWC展会上,vivo就率先发布了搭载超声波指纹的Xplay6验证机,随后到X21、NEX以及X23等手机均搭载了屏幕指纹技术。时至今日,vivo在屏幕指纹技术的研究上也取得了更多的成果,最新的X23就搭载了第四代光电屏幕指纹解锁技术。

为什么要用屏幕指纹技术?

传统物理传感器指纹解锁方式

传统物理传感器指纹解锁方式

经过5年的发展,手机指纹解锁已经变成了习以为常的事情,每次用手指去触碰传感器的操作方式也没有什么不方便,那为什么还要出现屏幕指纹呢?

其实屏幕指纹的推进和演变,根本原因是伴随着手机屏将向无边框、全面屏的趋势。由于全面屏概念的流行,传统指纹解锁无论采用正面刮擦或按压方式解锁,还是采用背面解锁,都会影响手机等智能设备的外观。

为了让手机达到更高的屏占比,很多手机厂商将前置指纹解锁均挪到机身背面成为后置指纹解锁,也有不少厂商采用虹膜解锁或面部识别等解决方案去替代指纹识别。
背部指纹解锁

背部指纹解锁

即为了追求更高屏占比,又考虑到成本和技术问题,大部分手机厂商对指纹解锁的解决方式是把指纹实体按键放在机身背后。这种操作方式做的最好的手机是锤子,把后面的logo和指纹识别合二为一。但更多的是发生了设计上的尴尬,比如三星的note8就出现解锁时,手指头按到了后置摄像头上。

刘海屏

而虹膜解锁或面部识别的解锁方式,必然会使用到前置的摄像头和红外传感器等器件,正因为这个原因,所以才出现了尴尬的刘海屏。

到目前为止,虹膜解锁或面部识别等解锁方式最理想的状态,就是将屏幕正面的元器件放在屏幕下方,减少“刘海”的出现,但该技术目前还并未真正出现。又或者将其尽可能缩小,只保留摄像头。

还有一个比较极端的处理方式,就是OPPO Find X上运用的升降结构,但它的不足很明显,就是每次识别解锁都要升降一次,寿命和等待时间都是新的问题。

vivo NEX屏幕指纹

对于全面屏手机来说,传统的正面指纹键已经成为一种限制,只得妥协采用面部识别+背部指纹的方案。因而无论是用户还是终端商如今对并不算新鲜的屏幕指纹的渴望,都在同一时间达到顶峰。

对于全面屏来说,屏幕指纹方案不仅能够保证指纹识别使用的同时不占据任何区域,将屏幕的使用率提升至最高,同时在体验上也丝毫不输于早前的实体式前置指纹。对于大部分全面屏机型而言,屏幕指纹或许才是颜值/体验兼顾的最佳解决方案。

物理按键消失的背后,屏幕指纹如何变为现实?

在手指解锁的短暂的一秒内,你的手机需要完成以下四个步骤:获取一张指纹的图像;从图像中获取指纹信息;与备份的标准指纹信息进行比较;决定是否解锁手机。

听起来屏幕指纹的识别解锁过程并不复杂,但实际应用到手机产品中却不那么容易。纵观当下手机市场,在屏幕指纹识别领域做得最好的当属vivo了。
vivo指纹识别技术迭代时间轴

vivo指纹识别技术迭代时间轴

从2017年7月在上海MWC大会上推出超声波指纹的Xplay6验证机(屏幕指纹首次应用的成品机,并未上市销售),到第四代光电屏幕指纹技术的X23,vivo在屏幕指纹技术上已经进行了较长时间的研究与优化。接下来我们就来看看vivo最新对屏幕指纹技术的理解与升级,如何将其变为打败物理按键的新杀手锏。

在最新的vivo X23手机上,其搭载了第四代光电屏幕指纹技术。其硬件方面采用了F/1.5超大光圈和720dpi超高分辨率的指纹传感器,大进光量成像更清晰的特点使识别率和解锁速度得到提升。

同时,在软件方面X23的内部也拥有首帧优化技术,优化了原有的两帧识别流程,建立了快速通道,使绝大多数情况下的解锁速度显著提升了40%。

结合软硬件的两方特点,第四代光电屏幕指纹技术就可以通过OLED屏幕的像素自发光作为指纹的光源,OLED发出的光经过屏幕上方的手指反射,穿过屏幕、 Lens等光学层返回到指纹传感器,指纹传感器通过感应指纹脊、谷反射光源能量的差异,形成不同灰度的图像,再经过一系列图像处理和比对完成识别。
DSP技术

屏幕指纹DSP技术

了解屏幕指纹的朋友应该知道,在低温或者强光环境下,其实通过屏幕识别指纹会比较困难,在数据运算上相对复杂,对硬件性能的需求也更高,传统单核CPU很难提供更顺畅的体验,无法做到与传统物理传感器一样的效果。

其实这类问题的核心就在于TrustZone技术模块的运作原理,TrustZone作为基于SoC平台的安全框架,自指纹识别功能普及之初就肩负着相关数据的处理及运算。在传统处理的方式中,TrustZone的安全和非安全世界数据的转换和处理,全部依赖于CPU的一个独立核来完成。
DSP工作原理

DSP工作原理

为了克服这样的问题,vivo最新也公布了一项名为“屏幕指纹DSP加速技术”,它是vivo与高通合作开发的一款Hexagon DSP加速芯片。这块Hexagon DSP加速芯片通过智能提升单项功能的能力并减弱CPU的运行压力,从而实现解锁速度的再次优化——解锁速度从原有的600毫秒提升至300毫秒,结合SoC底层平台的深度优化。

据官方数据显示,DSP可以具备3倍于单核CPU的神经网络运算能力,从而提升屏幕指纹解锁的速度。应用于X23手机下,在刁钻场景下的解锁速度又实现了30%的显著提升,该技术将会于10月份进行推送升级。

按键式 VS 屏幕指纹解锁

屏下指纹结构图

屏幕指纹结构图

屏幕指纹解锁,和传统指纹键解锁不一样的地方,主要在于获取指纹图像的方式。按键式解锁使用的电容传感器来解锁手机,感受的是指纹的凹凸。电容传感器通过将凹凸变成电压大小,来录入指纹信息。

类似的,手机触屏使用的传感器也是电容传感器,但区别在于按键指纹解锁对于精确度是指纹级别,而触屏是指尖级别,比指纹大很多。需要达到指纹级别的清晰度,对于上层玻璃材料,传感器密集度,以及和显示屏合并为一体的技术都有难度。

屏幕指纹技术用的则不是电容传感器,而是图像传感器。这类传感器和相机上的传感器类似,将光信号转换成电信号,然后再复原电信号成为图像。屏幕指纹的光学传感器安放在OLED显示屏的下面,透过半透明的OLED显示屏来给屏幕上的指纹照一张相片。
vivo X23屏下指纹识别

vivo X23屏幕指纹识别

由于屏幕指纹技术依赖的是屏幕下的光学传感器,所以对显示屏的要求是:薄,半透明。由于传统的液晶显示屏存在需要打背光,需要多层偏光片的需求,显示屏组成不透明也不薄,所以屏幕指纹技术只能配套OLED显示屏

除了传感器的不同,屏幕指纹技术和按键指纹技术在信息识别上非常类似。在获取了指纹的图像之后,会提取指纹中有特点的纹路,比如分叉和回路,然后比较和之前录入指纹中相应特殊纹路的相对位置,来决定是否解锁手机。 

物理按键消失成必然,屏幕指纹将走的更远

更大范围的屏下指纹解决方案

更大范围的屏幕指纹解决方案

屏幕指纹技术还是给手机的发展带了了质变:不需要指纹键,离手机能够实现真正全屏更靠近了一步,从产品设计的角度来说打开了很多新的空间。

虽然目前屏幕指纹解锁只局限于屏幕上的一小块区域,理论上指纹解锁可以覆盖整个屏幕,只需要加大屏幕下方的光学传感器大小。也许在不久的将来,简单地把手放在手机上的动作就能解锁手机。
vivo APEX概念手机

vivo APEX概念手机

据vivo最新的技术展示,其概念手机APEX已经搭载了更大范围的屏幕指纹解锁技术。相比于已发售的屏幕指纹机型不同,APEX向我们展示的概念是通过多范围的指纹捕捉空间,让解锁识别并不局限于某一小范围内。

这样的改变可以让用户拿起手机无需寻找直接在屏幕更大范围内完成指纹解锁动作,对于一些盲操作来说更加方便。最后,再配上屏幕指纹DSP加速技术支持,相信解锁的速度和准确度也会有更大提升。

屏幕指纹技术是屏下各种技术的开始。屏下技术给产品设计带来的变革,给用户带来的方便与快捷,都会让这项技术有不少生机。(本文首发钛媒体,作者/kiwi)

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