隨著全面屏手機的爆發(fā),智能手機對于屏占比的要求越來越高。目前主流旗艦手機的屏占比已經(jīng)達到了90%左右,手機正面早已沒有了傳統(tǒng)的HOME鍵存在的位置。這也使得可以隱藏在屏幕內(nèi)、不影響屏占比的新的屏下指紋技術(shù)得到了越來越多的智能手機廠商的青睞。與此同時,隨著蘋果iPhone X的帶動,不少的手機廠商也推出支持3D人臉識別的旗艦機型。

3D人臉識別:結(jié)構(gòu)光還還是TOF?

去年9月13日,蘋果推出了基于3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的iPhone X,實現(xiàn)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。

雖然去年很多的手機廠商也推出了支持人臉識別的手機,但是基本都是基于簡單的2D/2.5D技術(shù)的,相對于3D人臉識別技術(shù)來說,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(jié)構(gòu)光和TOF兩類技術(shù)。

下面我們一起來看下近期發(fā)布的一些支持3D人臉識別手機和其背后的技術(shù)供應(yīng)商以及準備進入手機市場的一些3D技術(shù)供應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光技術(shù)廠商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,一直專注于3D及計算機視覺領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)。之前獲得過高通、索尼、三星等企業(yè)的投資。2018年3月,該公司正式進入中國。

結(jié)構(gòu)光的光路分為發(fā)射端和接收端,發(fā)射端的主要構(gòu)成包括點光源、準直鏡頭、光柵元件和 Lens,其中點光源 準直鏡頭充當整個光路的光源,產(chǎn)生擴束平行光,光柵元件分為兩種,一種是蘋果采用的DOE,另一種則是 Mantis Vision 所采用的“Pattern”型光柵,無論哪種方案,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行準直化處理,以保證光束的密集度。接收端主要是一個紅外接收鏡頭,由光學鏡片、紅外濾光片和 CMOS 傳感器組成,其作用為通過對反射光斑的探測還原深度信息。

根據(jù)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,使用VGA傳感器能獲得40K特征點;更多的真實坐標點,幫助保留物體更小的細節(jié)特征,還原掃描目標的原貌,同時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似iPhone X的散斑結(jié)構(gòu)光技術(shù),由國內(nèi)知名的3D感測技術(shù)廠商奧比中光提供技術(shù),丘鈦提供模組。

根據(jù)今年7月24日,丘鈦公布的公告顯示,今年7月,其首批3D結(jié)構(gòu)光模組批量采購訂單和備料需求數(shù)量合計超過了一百萬顆。而這筆訂單正是來自于OPPO。

奧比中光成立于2013年,是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售為一體的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(shù)家老股東跟投。目前,奧比中光已成為國內(nèi)人工智能領(lǐng)域的獨角獸。在3D傳感器領(lǐng)域,不僅具有結(jié)構(gòu)光、雙目、投影方案,還是惠普獨家3D供應(yīng)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果iPhone X的對比結(jié)果來看,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(nèi)部的芯片團隊還首次接受了芯智訊的獨家采訪(下周會有專訪文章,敬請關(guān)注),據(jù)了解,奧比中光目前量產(chǎn)的3D機構(gòu)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(yīng)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)出的光線投射到物體身上,折射光也會抵達光傳感器,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(jù)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(jié)構(gòu)光技術(shù)方案是DOE衍射,衍射現(xiàn)在做的最好只有三萬個點,我們有30萬個點,比競爭對手多了10倍;

2、測距遠,是由于結(jié)構(gòu)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(yīng)技術(shù)更有優(yōu)勢;

3、體積小,如果結(jié)構(gòu)光要做的好需要更大的元器件。

在一些人士看來,vivo所介紹的第2和第3點優(yōu)勢應(yīng)該沒有問題。但是,第1點需要注意的是,即使TOF的衍射可以做到30萬個點,但是隨著距離的增加,實際的分辨率和深度精確度會大幅的降低。

而根據(jù)相關(guān)消息顯示,vivo的TOF 3D超感技術(shù)供應(yīng)商是松下和ADI。松下提供TOF傳感器,ADI則提供算法。模組將由舜宇光學和歐菲科技一同供應(yīng)。

其他資料顯示,松下最新研發(fā)出了一款ToF影像傳感器,結(jié)合雪崩光電二極體(APD)像素技術(shù)和長范圍測量成像技術(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(tǒng)影像傳感器常見的雜訊問題,達到25萬像素高解析度。 其次,長范圍測量成像技術(shù)結(jié)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(shù)量,就算是單一微弱光子的折射光亦可成功捕捉,不僅可應(yīng)付長距測量,在夜晚仍維持高解析度。

據(jù)說,松下的這款ToF影像傳感器在250米以內(nèi)都能夠完成完成高解析度的范圍成像。可望應(yīng)用于汽車范圍成像和夜晚廣域監(jiān)控等諸多用途。vivo所采用的是應(yīng)該不是這款,不過也足以證明松下在TOF傳感器上的技術(shù)實力。

而ADI也有自己的TOF方案,其測距是向目標連續(xù)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,通過探測光脈沖的往返時間獲取至目標物體的距離信息。

?華為——自研?

而根據(jù)網(wǎng)友在微博上最新曝光的據(jù)稱是華為新旗艦Mate 20的前面板諜照顯示,華為Mate 20將會配備有3D結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光配件——點云深度攝像頭,是基于舜宇的3D結(jié)構(gòu)光模組。舜宇提供了包括光學設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、ID設(shè)計、圖像處理等嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)在內(nèi)的一整套解決方案,其內(nèi)部代號為Jupiter X。但是,根據(jù)芯智訊了解到的最新的消息顯示,華為Mate20系列此次可能將會采用自研的3D結(jié)構(gòu)光方案。

?華捷艾米

此外,目前國內(nèi)其他的一些3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)廠商,比如做散斑結(jié)構(gòu)光的華捷艾米也正準備進入手機市場。根據(jù)芯智訊了解,華捷艾米針對智能手機的小型化RGB-D光學模組已經(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,是一家專注于微型激光三維掃描模組產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)及銷售的高科技企業(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(quán)的光路及散熱系統(tǒng),結(jié)合半導體激光芯片,構(gòu)建微型激光掃描系統(tǒng)。可廣泛應(yīng)用于3D實物感知領(lǐng)域。

與前面介紹的通過散斑來進行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MEMS微振鏡技術(shù),使得激光束能夠?qū)τ趻呙璧膶ο筮M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間較長的劣勢。

不過,據(jù)了解,目前小優(yōu)智能的模組進行3D人臉掃描的時間已經(jīng)控制在了0.5秒以內(nèi),這個時間用戶應(yīng)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(jù)說已經(jīng)可以做到比當下的3D結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光 雙目立體成像),它能實現(xiàn)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作和情感。

2015年,谷歌就曾聯(lián)合英特爾推出過一款基于英特爾RealSense 3D技術(shù)的智能手機Tango Project。

經(jīng)過數(shù)年的迭代,今年1月,英特爾又推出了全新的RealSense 400系列實感攝像頭,在精度方面實現(xiàn)了顯著提升,與前一代設(shè)備相比,每秒捕獲的3D點數(shù)和工作范圍均提高2倍以上。

而隨著3D感測被越來越多的智能手機廠商所采用,英特爾RealSense或?qū)⒅鼗厥謾C市場。

?pmd Technologies

在今年的CES2018展會上,全球著名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(nèi)的3D技術(shù)/模組廠商未動科技和舜宇都有與其合作。

去年7月,未動科技宣布聯(lián)合pmd發(fā)布移動端3D視覺套件。該套件將為全球包括手機、VR/AR、無人機、機器人等在內(nèi)的移動終端提供低功耗、高幀率、高精度、高穩(wěn)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),以及專有技術(shù)實現(xiàn)成本優(yōu)化、堅實且高性能的3D攝像頭設(shè)計,包括校準和軟件專有技術(shù),舜宇則將提供在3D攝像頭模組規(guī)模量產(chǎn)方面的專有技術(shù),實現(xiàn)更經(jīng)濟、更快速、更穩(wěn)定的產(chǎn)品制造。

小 結(jié)

從目前來看3D結(jié)構(gòu)光模組相對較為復雜,成本也相對較高,而且前置的3D結(jié)構(gòu)光的只能支持近距離的3D掃描,應(yīng)用面也比較有限,只能進行解鎖、支付以及類似animoji的一類應(yīng)用。而TOF相對來說,則可支持較遠距離的3D掃描,應(yīng)用面也相對較廣,除了能夠支持3D結(jié)構(gòu)光的應(yīng)用之外,還可以進行測距、AR等應(yīng)用。并且TOF模組的成本可能也將會比3D結(jié)構(gòu)光更低。

所以,筆者認為,從目前的趨勢來看,目前多數(shù)的手機廠商還是會導入3D結(jié)構(gòu)光,不過主要還是用于一些旗艦機型。而隨著TOF技術(shù)的成熟,一些品牌廠商的旗艦機會開始導入TOF技術(shù),同時可能會更多的應(yīng)用于后置。并且相對3D結(jié)構(gòu)光來說,TOF或?qū)爝M入中端市場。而據(jù)芯智訊的了解,前面提到的奧比中光、小優(yōu)智能都有開始在進行TOF技術(shù)的研發(fā)。

屏下指紋或成中高端智能手機標配

相對于蘋果的3D人臉識別來說,屏下指紋基本延續(xù)了傳統(tǒng)的指紋識別的操作體驗,符合用戶過往的使用習慣,也更容易被用戶所接受。而且屏下指紋不僅避免了開孔,也進一步提升了屏幕的屏占比,同時相對于成本高昂的3D結(jié)構(gòu)光模組來說,屏下指紋的成本也要更低一些。所以安卓手機廠商紛紛開始跟進屏下指紋。

光學式屏下指紋

早在今年CES 2018展會上,vivo就率先展示了一款基于光學屏下指紋技術(shù)的手機——vivo X20 Plus屏幕指紋版。1月24日,vivo在國內(nèi)舉辦媒體品鑒會,正式發(fā)布了這款手機。隨后vivo在MWC上展示的APEX,以及后續(xù)發(fā)布的X21、NEX也都是基于光學屏下指紋技術(shù)。此外,還有華為Mate10 RS、小米8透明探索版,以及不久前發(fā)布的魅族16和剛剛發(fā)布的OPPO R17系列。

現(xiàn)在的應(yīng)用于智能手機的光學指紋識別技術(shù),拋棄了傳統(tǒng)的光學指紋的光學系統(tǒng),轉(zhuǎn)為借用可以自發(fā)光的手機OLED屏幕的光線來作為光源,照射指紋后返回的光線通過OLED屏上的發(fā)光像素點的間隙到達屏下的CMOS傳感器上,進行處理后得到指紋圖像。

根據(jù)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

目前光學式的屏下指紋供應(yīng)商主要有Synaptics、匯頂科技和思立微,目前已發(fā)布的屏下指紋新機大都用的是前兩家方案。剛剛發(fā)布的OPPO R17系列則是采用的思立微的屏下指紋方案,由信利和歐菲光供應(yīng)模組。

盡管蘋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 依然在光學屏下指紋領(lǐng)域積極探索,不少研究機構(gòu)認為蘋果公司未來可能將會在新機型上同時搭載人臉識別和屏下指紋兩種方案。

超聲波屏下指紋

除了新的基于光學的屏下指紋技術(shù)開始被手機廠商所采用之外,超聲波指紋識別技術(shù)也可實現(xiàn)屏下指紋。目前高通正在大力推動其新一代的超聲波指紋識別方案應(yīng)用到智能手機的屏下指紋上。

此前芯智訊曾多次介紹過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,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(nèi)實現(xiàn)指紋識別。

據(jù)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(tǒng)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),不過其位置在屏幕下邊框,并非屏幕下。

據(jù)芯智訊了解,華為即將于10月發(fā)布的新旗艦Mate 20 Pro將會采用高通的超聲波指紋識別技術(shù)來實現(xiàn)屏下指紋,而且有媒體報道稱,華為可能將會獨占該技術(shù)數(shù)月。

不過,在今年6月下旬的上海MWC大會上,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,三星明年初發(fā)布的新一代S系列旗艦也有可能會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),也有望可以實現(xiàn)在屏幕顯示區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)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

一般來講,芯片大都是基于硅基wafer襯底的,但是實際上,也有基于非硅片襯底的芯片技術(shù),這種通常稱為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(jù)了解,JDI很可能通過提高Hybrid in-cell Touch的dpi到508以上的方式來制備,并且摒棄傳統(tǒng)的玻璃蓋板方案,將偏光片的硬度提高,以偏光片來充當蓋板,這時的偏光片厚度在200微米左右,足以滿足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,這種技術(shù)可以實現(xiàn)在屏幕顯示區(qū)域進行指紋識別。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就越多,這也就意味著指紋識別的安全級別就會越高。

此外,在今年的MWC上,vivo就曾展示過一款全面屏概念機APEX,這款概念機就可支持半屏指紋識別(即在屏幕顯示區(qū)域的下半部分都可支持指紋識別)。而這個采用的是上?；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,目前韓國廠商CrucialTec也有在這方面持續(xù)的研究。CrucialTec擁有DFS全屏幕識別方案。不過,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,可能帶來高成本等問題,目前方案仍處于試驗階段,存在不確定性。

DFS方案示意圖(圖片來源:pconline)

屏下指紋將成中高端智能手機標配

從上面的介紹來看,目前如果要在屏幕顯示區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)指紋識別,光學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)的光學式屏下指紋識別技術(shù)應(yīng)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O(shè)LED屏配合才會有更好的效果,所以這也使得其短期內(nèi)只能應(yīng)用在高端機型上。

根據(jù)研究機構(gòu)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年則進一步翻倍至2億臺,市場空間超20億美元,有望在未來3年保持高速增長。

另外根據(jù)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4200萬顆。而到2019年,這一數(shù)字將會達到1億顆。

顯然,從目前眾多手機企業(yè)的動向以及研究機構(gòu)的數(shù)據(jù)來看,屏下指紋未來確實有望成為中高端智能手機的標配。

多生物識別方式結(jié)合仍將是趨勢

對于手機廠商來說,單純的采用人臉識別來代替指紋識別的話,或多或少的也存在著一些弊端。當然,單純采用指紋識別也有一些弊端,例如,雙手長期徒手工作業(yè)的人們便會為指紋識別而煩惱,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(qū)域或者嚴寒氣候下,亦或者人們需要長時間帶手套的環(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(jié)合起來,則可很好的解決這些問題。

而隨著屏下指紋和3D人臉識別的興起,越來越多的手機廠商開始同時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(jié)合應(yīng)用在了其旗艦機上。另外,蘋果iPhone 7之后的語音助手Siri也加入了聲紋識別功能。

總的來說,多種生物識別技術(shù)相結(jié)合的方案,除了可以彌補單一生物識別方式所存在的缺點和不足之外,也應(yīng)對不同安全級別應(yīng)用和不同的場景的需求。

原文標題:詳解3D人臉與屏下指紋的現(xiàn)狀與未來, 誰才是生物識別新方向?

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