詳解3D人臉與屏下指紋的現狀與未來，誰才是生物識別新方向？

隨著全面屏手機的爆發，智慧型手機對於屏占比的要求越來越高。

目前主流旗艦手機的屏占比已經達到了90%左右，手機正面早已沒有了傳統的HOME鍵存在的位置。

這也使得可以隱藏在螢幕內、不影響屏占比的新的屏下指紋技術得到了越來越多的智慧型手機廠商的青睞。

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：結構光還還是TOF？

去年9月13日，蘋果推出了基於3D結構光技術的iPhone X，實現了3D人臉識別，並以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，但是基本都是基於簡單的2D/2.5D技術的，相對於3D人臉識別技術來說，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結構光和TOF兩類技術。

下面我們一起來看下近期發布的一些支持3D人臉識別手機和其背後的技術供應商以及準備進入手機市場的一些3D技術供應商：

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結構光的安卓智慧型手機——小米8透明探索版。

其採用的是以色列的3D編碼結構光技術廠商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，一直專注於3D及計算機視覺領域的創新技術。

之前獲得過高通、索尼、三星等企業的投資。

2018年3月，該公司正式進入中國。

結構光的光路分為發射端和接收端，發射端的主要構成包括點光源、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，產生擴束平行光，光柵元件分為兩種，一種是蘋果採用的DOE，另一種則是 Mantis Vision 所採用的「Pattern」型光柵，無論哪種方案，光柵的作用都是產生衍射圖案，而光柵之後的 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Mantis Vision介紹，其提供的編碼技術，在高解析度模式下，使用1M傳感器能獲得120K特徵點，使用VGA傳感器能獲得40K特徵點；更多的真實坐標點，幫助保留物體更小的細節特徵，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。

這款手機採用的是類似iPhone X的散斑結構光技術，由國內知名的3D感測技術廠商奧比中光提供技術，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結構光模組批量採購訂單和備料需求數量合計超過了一百萬顆。

而這筆訂單正是來自於OPPO。

奧比中光成立於2013年，是一家集研發、生產、銷售為一體的3D傳感技術高科技企業。

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。

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慧領域的獨角獸。

在3D傳感器領域，不僅具有結構光、雙目、投影方案，還是惠普獨家3D供應商。

從奧比中光此前公布的與蘋果iPhone X的對比結果來看，奧比中光的3D感測模組已經達到了接近iPhone X的水平。

另外，日前奧比中光內部的晶片團隊還首次接受了芯智訊的獨家採訪（下周會有專訪文章，敬請關注），據了解，奧比中光目前量產的3D機構光模組還集成了奧比中光第三代的3D算法晶片，採用了新引擎，新算法，基於台積電28nm工藝，工作和待機功耗更低，對於鏡頭的適應性更強。

vivo的TOF 3D超感技術——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技術的原型機。

一般ToF包含光源和光傳感器，當光源所發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技術的原理。

據vivo介紹，其TOF 3D超感技術有三大優勢：

1、有效深度信息高，一般的結構光技術方案是DOE衍射，衍射現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，是由於結構光本身的限制，目前只能做一些近距離的識別，而遠距離則是vivo TOF 3D 超感應技術更有優勢；

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，vivo所介紹的第2和第3點優勢應該沒有問題。

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，實際的解析度和深度精確度會大幅的降低。

而根據芯智訊得到的消息顯示，vivo的TOF 3D超感技術供應商是松下和ADI。

松下提供TOF傳感器，ADI則提供算法。

根據資料顯示，松下最新研發出了一款ToF影像傳感器，結合雪崩光電二極體(APD)像素技術和長範圍測量成像技術。

首先，APD像素技術可大幅降低APD像素範圍，並保留加乘性能，克服了傳統影像傳感器常見的雜訊問題，達到25萬像素高解析度。

其次，長範圍測量成像技術結合短脈衝ToF新技術和微光整合技術，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，不僅可應付長距測量，在夜晚仍維持高解析度。

據說，松下的這款ToF影像傳感器在250米以內都能夠完成完成高解析度的範圍成像。

可望應用於汽車範圍成像和夜晚廣域監控等諸多用途。

vivo所採用的是應該不是這款，不過也足以證明松下在TOF傳感器上的技術實力。

而ADI也有自己的TOF方案，其測距是向目標連續發送高精度光脈衝，然後用支持窄脈衝全局曝光的面陣CCD傳感器接收返回的光，通過探測光脈衝的往返時間獲取至目標物體的距離信息。

華為——自研？

而根據網友在微博上最新曝光的據稱是華為新旗艦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——點雲深度攝像頭，是基於舜宇的3D結構光模組。

舜宇提供了包括光學設計、結構設計、ID設計、圖像處理等嵌入式軟體系統開發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系列此次可能將會採用自研的3D結構光方案。

華捷艾米

此外，目前國內其他的一些3D結構光技術廠商，比如做散斑結構光的華捷艾米也正準備進入手機市場。

根據芯智訊了解，華捷艾米針對智慧型手機的小型化RGB-D光學模組已經具備量產能力。

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晶片。

▲在準確度上，IMI Fram與iPhoneX相比差別不大；平面一致性上，iPhonex 優於 IMI Fram。

▲精度上兩者差別不大，近距離 20cm 左右，iPhone X 稍稍好一些。

小優智能

青島小優智能科技成立於2015年底，是一家專注於微型雷射三維掃描模組產品研發、生產及銷售的高科技企業。

公司研發」3D雷射掃描模組」採用MEMS微振鏡晶片，配合具有自主智慧財產權的光路及散熱系統，結合半導體雷射晶片，構建微型雷射掃描系統。

可廣泛應用於3D實物感知領域。

與前面介紹的通過散斑來進行3D建模的方案不同，小優智能採用的是雷射三維掃描，通過MEMS微振鏡技術，使得雷射束能夠對於掃描的對象進行逐行掃描，具有高解析度（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等成本較高的複雜部件）等優勢。

當然，其也擁有掃描所需時間較長的劣勢。

不過，據芯智訊了解，目前小優智能的模組進行3D人臉掃描的時間已經控制在了0.5秒以內，這個時間用戶應該是可以接受的。

另外，小優智能在模組小型化方面也做了很多工作，據說已經可以做到比當下的3D結構光模組更小，成本更低。

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，隨後宣布將推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），它能實現高度精確的手勢識別、面部特徵識別，可幫助機器理解人的動作和情感。

2015年，谷歌就曾聯合英特爾推出過一款基於英特爾RealSense 3D技術的智慧型手機Tango Project。

經過數年的疊代，今年1月，英特爾又推出了全新的RealSense 400系列實感攝像頭，在精度方面實現了顯著提升，與前一代設備相比，每秒捕獲的3D點數和工作範圍均提高2倍以上。

而隨著3D感測被越來越多的智慧型手機廠商所採用，英特爾RealSense或將重回手機市場。

pmd Technologies

在今年的CES2018展會上，全球著名ToF(Time of flight)德國技術公司pmd（pmd Technologies）首次展示了其最新的3D圖像傳感器IRS238XC，同時展示了基於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攝像頭變得更加易於集成。

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技術提供商（全球首款配備3D攝像頭的聯想Phab 2 Pro採用的就是pmd的技術）。

目前，國內的3D技術/模組廠商未動科技和舜宇都有與其合作。

去年7月，未動科技宣布聯合pmd發布移動端3D視覺套件。

該套件將為全球包括手機、VR/AR、無人機、機器人等在內的移動終端提供低功耗、高幀率、高精度、高穩定性的3D手勢識別等功能。

對於與舜宇的合作，pmd將提供3D圖像傳感器（主要是IRS238XC），以及專有技術實現成本優化、堅實且高性能的3D攝像頭設計，包括校準和軟體專有技術，舜宇則將提供在3D攝像頭模組規模量產方面的專有技術，實現更經濟、更快速、更穩定的產品製造。

小結：

從目前來看3D結構光模組相對較為複雜，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，只能進行解鎖、支付以及類似animoji的一類應用。

而TOF相對來說，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，還可以進行測距、AR等應用。

並且TOF模組的成本可能也將會比3D結構光更低。

所以，筆者認為，從目前的趨勢來看，目前多數的手機廠商還是會導入3D結構光，不過主要還是用於一些旗艦機型。

而隨著TOF技術的成熟，一些品牌廠商的旗艦機會開始導入TOF技術，同時可能會更多的應用於後置。

並且相對3D結構光來說，TOF或將會更快進入中端市場。

而據芯智訊的了解，前面提到的奧比中光、小優智能都有開始在進行TOF技術的研發。

屏下指紋或成中高端智慧型手機標配

相對於蘋果的3D人臉識別來說，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，也進一步提升了螢幕的屏占比，同時相對於成本高昂的3D結構光模組來說，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於光學屏下指紋技術的手機——vivo X20 Plus螢幕指紋版。

1月24日，vivo在國內舉辦媒體品鑑會，正式發布了這款手機。

隨後vivo在MWC上展示的APEX，以及後續發布的X21、NEX也都是基於光學屏下指紋技術。

此外，還有華為Mate10 RS、小米8透明探索版，以及不久前剛剛發布的魅族16。

現在的應用於智慧型手機的光學指紋識別技術，拋棄了傳統的光學指紋的光學系統，轉為借用可以自發光的手機OLED螢幕的光線來作為光源，照射指紋後返回的光線通過OLED屏上的發光像素點的間隙到達屏下的CMOS傳感器上，進行處理後得到指紋圖像。

根據之前ZOL對於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商主要有Synaptics和匯頂科技兩家，目前已發布的屏下指紋新機基本都是用的這兩家方案。

另一家國產指紋識別廠商思立微的屏下指紋也即將量產。

儘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域積極探索，不少研究機構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

除了新的基於光學的屏下指紋技術開始被手機廠商所採用之外，超聲波指紋識別技術也可實現屏下指紋。

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用到智慧型手機的屏下指紋上。

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。

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，所以其可以在螢幕顯示範圍內實現指紋識別。

據悉，這項技術的優勢在於，即使在厚達800微米的玻璃下依然可以精確工作，而傳統指紋技術只能精確到300微米。

此前，已經發布的榮耀10便採用的就是高通超聲波指紋識別技術，不過其位置在螢幕下邊框，並非螢幕下。

據芯智訊了解，華為即將於10月發布的新旗艦Mate 20 Pro將會採用高通的超聲波指紋識別技術來實現屏下指紋，而且有媒體報導稱，華為可能將會獨占該技術數月。

不過，在今年6月下旬的上海MWC大會上，vivo也有展示兩台採用超聲波螢幕指紋技術的樣機，似乎採用的也正是高通的超聲波指紋識別技術。

另外值得一提的是，有消息稱，三星明年初發布的新一代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。

全屏指紋

另外，今年JDI推出了一種完全透明的基於非矽基襯底的指紋識別技術——Pixel eyes 指紋識別技術，也有望可以實現在螢幕顯示區域內實現指紋識別甚至是全屏指紋識別。

一般來講，晶片大都是基於矽基wafer襯底的，但是實際上，也有基於非矽片襯底的晶片技術，這種通常稱為off-chip技術。

JDI的這款指紋識別晶片就是採取了off-chip技術，將指紋識別傳感器製備在了玻璃襯底上，並且做成了幾乎完全透明的形式。

據了解，JDI很可能通過提高Hybrid in-cell Touch的dpi到508以上的方式來製備，並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。

由於其是基於玻璃基，電容式的傳感器，並且是透明的，這就也意味著，這種技術可以實現在螢幕顯示區域進行指紋識別。

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做得大了以後，可以提取的指紋特徵點就越多，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（即在螢幕顯示區域的下半部分都可支持指紋識別）。

而這個採用的是上海籮箕的指紋識別方案。

而在全屏指紋識別方案上，目前韓國廠商CrucialTec也有在這方面持續的研究。

CrucialTec擁有DFS全螢幕識別方案。

不過，由於 DFS 方案對於螢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，目前方案仍處於試驗階段，存在不確定性。

屏下指紋將成中高端智慧型手機標配

從上面的介紹來看，目前如果要在螢幕顯示區域內實現指紋識別，光學方案和超聲波方案相對較為成熟，其中目前基於OLED屏（軟硬屏皆可）的光學式屏下指紋識別技術應用更為廣泛，已成為目前的主流方案，並且有望從高端智慧型手機向中端智慧型手機市場滲透。

而基於超聲波的屏下指紋，由於需要厚度更薄成本更高的柔性OLED屏配合才會有更好的效果，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慧型手機出貨量至少將達到1億台，到2020年則進一步翻倍至2億台，市場空間超20億美元，有望在未來3年保持高速增長。

另外根據台灣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，這一數字將會達到1億顆。

顯然，從目前眾多手機企業的動向以及研究機構的數據來看，屏下指紋未來確實有望成為中高端智慧型手機的標配。

多生物識別方式結合仍將是趨勢

對於手機廠商來說，單純的採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，單純採用指紋識別也有一些弊端，例如，雙手長期徒手工作業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乾濕環境裡、沾有異物則指紋識別功能要失效了。

另外對於在嚴寒區域或者嚴寒氣候下，亦或者人們需要長時間帶手套的環境當中，這也將使得指紋識別變得不那麼便利。

但是，如果將人臉識別與指紋識別或者其他生物識別技術結合起來，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。

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，三星已經將虹膜識別和指紋識別技術結合應用在了其旗艦機上。

另外，蘋果iPhone 7之後的語音助手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和不足之外，也應對不同安全級別應用和不同的場景的需求。

作者：芯智訊-浪客劍

9月5日，芯智訊主辦的第二屆《生物識別技術與應用技術高峰論壇》活動將正式召開。

本次活動，芯智訊邀請到了英特爾RealSense項目負責人Alexis Garea、奧比中光副總裁陳摯博士、小優智能科技副總經理周印偉、華捷艾米公司市場總監戚勝剛、曠視科技副總裁謝憶楠、虹軟副總裁祝麗蓉女士、Rokid平台研發負責人朱斌、瑞芯微智能物聯事業部業務總監楊宇坦、公安部第三研究所產品經理/研究員丁潤傑等業內知名企業和單位的負責人來與大家一起分享生物識別領域的最新技術進展以及市場應用。