机情观察室：聊聊手机指纹识别那些事
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发布时间：2022-04-22 05:11
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时间：2023-05-05 21:30
【IT168 评测】这几年智能手机竞争激烈的发展，带来一个明显的好处就是技术下沉，曾经在高端机中才有的各种技术，在一段时间之后随着成本下降等各种原因，会迅速下沉应用在中低端机身上，在近两年的智能手机发展中，“指纹识别”算是比较明显的例子。前两年还只应用在各款顶级旗舰机的技术，如今连各种千元机都已经标配指纹识别。而关于刚发布的安卓顶级旗舰S8，即便加入了各种黑科技，但其背后指纹的设计还是让不少网友吐槽。可见如今许多用户对手机指纹识别的还是比较关注的技术点之一。本期的机情观察室，我们就来聊聊手机指纹识别那点事。
一个人身上所具有的独一性生物特征有不少，包括指纹、 虹膜、掌纹等，指纹由于其独一性和便利性，目前成为人与智能手机交互的“密码”，应用最为广泛。而在这其中。早在2011年，摩托罗拉推出的Atrix 4G中就率先成为世界上首款采用指纹识别的量产智能手机，不过其采用的划擦式体验并不友好。而到iPhone5S上，苹果在智能手机上真正将指纹识别这个功能发扬光大。至此之后，指纹识别真正在智能手机中普及。
在现阶段，从指纹识别类型上，绝大部分智能手机大多都在使用电容式指纹识别。一般来说，指纹模组(以iPhone为例)是由触控IC、电容传感器、金属检测环、保护盖板组成，而现在技术的发展，则已经可以去掉金属探测环，使得承载指纹模组的Home键更显得一体化。
由于我们的指纹是由一圈一圈的皮肤纹路构成，每个人纹路的形状、指纹的波峰和波谷都完全不同，因此指纹在电容传感器中测量的点的长短也不尽相同(波峰的电容值较高、波谷的电容值较低)， 最终将指纹图像翻译成芯片能理解的电信号，当用户在录入指纹时，指纹模组工作，提取指纹图像，转化成电信号与传感器上N多个电容器极板相匹配，最终记录保存在手机中。
对于当前绝大部分的指纹识别模组，都可以对指纹图像进行360°扫描，因此对于用户解锁时手指的姿势没有*，这就对指纹识别的精度有一定的要求。一般来说，目前智能手机的指纹识别模组分辨率能达到500dpi，而越高的分辨率则对于指纹信息的精准度和速度有所提升。
当然，影响指纹识别速度和精准度的也并不只是指纹模组的面积和分辨率。前文所知， 电容式指纹识之所以能够是识别指纹，主要是基于手指指纹的沟壑。而我们平时使用时，手上免不了沾染一些油污或出汗，而水和杂志会导电，并且会填充手指的波谷，使得指纹识别扫描精度下降。这也就是一般情况下，手上沾水后为什么指纹识别失灵或速度慢的原因。
尽管如今电容式指纹的成本已经比较低(普通的指纹识别模组大概只要3美金左右)，无论在当下的旗舰机还是千元机中上都可以有比较接近的体验。不过如上文所说， 电容式指纹对于手上的污渍、水、油这样的在生活中比较常遇到的情况下使用效果都会大打折扣。并且电容式指纹对于手机的造型也有一定方面的*，由于电容式指纹需要在保护盖板上做一些喷涂，因此使用久了总免不了会有刮花的可能。另外电容式指纹的穿透力大概在300微米，而正常的屏幕保护玻璃厚度大概在400微米以上。因此对于手机造型上有所*。
基于这些原因， 科技厂商也在不断研发新的指纹识别技术。而目前已经看到样机实现的，则是射频式指纹识别(超声波指纹)、第二代光学指纹。
超声波指纹：
超声波属于射频指纹的一直用，与电容式需要检测指纹表面不同,超声波具有穿透性，利用指纹模组发出的特定频率的超声波扫描手指，利用指纹的不同对超声波反射的不同，能够建立3D指纹图形，因此对手指表面的清洁程度并不用太过考虑。另外，由于超声波具有比较强的穿透性，可以穿透金属、玻璃等常用手机材质，因此对手机外观方面也不会有太多*。
去年9月，小米5S成为首款搭载超声波指纹识别的产品，但最初的超声波指纹用户体验并不如之前想象中优秀，识别速度慢、准确率偏低。而在刚刚过去的MWC上，高通发布了第二代超声波指纹识别方案，将指纹模组放进屏幕中、金属背壳内，由vivo Xplay6作为样机展示。
根据高通提供的数据，面向显示屏的指纹传感器可透过厚至1200微米的OLED显示屏工作，面向金属的指纹传感器可透过厚至650微米的铝材质外壳工作，而面向玻璃的指纹传感器可透过厚至800微米的玻璃工作。这样的数据已经超过当前主流的2.5D屏幕(大致700-800毫米)的厚度，因此手机厂商可以将指纹模组放在自己需要的部分，以打造更具未来感的外观。(目前超声波指纹方案还只能应用在OLED屏幕)。并且高通宣称，这一代的超声波指纹识别在功耗、模组大小都可以与可以做到与电容式传感器比较接近的水准。
当然，能做到in-display的，除了超声波之外，更多的科技公司在研究光学指纹方案。
光学指纹：
相比之下，光学指纹的应用场景离我们更贴近一些。比如在最初的指纹打卡机上，就是采用最早的光学指纹技术。在录入原始指纹信息后，通过玻璃下方发出的激光扫描你手指摁在玻璃上压出来的指纹，扫描出的图像以黑白的图像与数据库进行对比。但是最初的光学指纹识别由于是基于图像识别，所以对手指的清洁度、指纹模组大小都有要求。
▲汇顶年初MWC展示的光学指纹
在智能手机中，对光学指纹进行了重新升级，通常采用手机屏幕作为发光主体，通过光路照射到指纹，返回的光线再通过屏幕返回到屏幕下的CIS（CMOS Image Sensor），手机针对返回的图像与数据库进行分析对比，最终识别指纹。
可以看到，只要是光学指纹就需要有光。而对于智能手机来说，屏幕发光的时间、功耗、以及屏幕表面的清洁度都会影响到光学指纹的应用体验，因此现在也只能应用在OLED屏幕上开发，而基于LCD屏幕的光学指纹还鲜有人问津。而同为in-display的解决方案，在产品成本、良品率上光学指纹比超声波指纹更具有优势，但在安全性方面，目前高通所做的超声波指纹可以检测到皮肤下的血氧以及心率，拥有先天优势的超声波无疑优于光学指纹。
总结：
以上就是目前离我们最近的指纹识别的三种方案，各有利弊。从目前成本以及普及度，电容式指纹＞光学指纹＞超声波指纹；从安全性出发，超声波指纹＞电容性指纹（暂时）＞光学指纹；而从对手机外观的影响来看，能穿透金属的超声波无疑会给智能手机的ID设计带来更多富有创意的可能性，但不得不说，在三者中，目前超声波指纹可实现的技术难度最高。今年，全面屏手机时代很可能正式到来，但相比全屏幕技术，相配的指纹识别方案的成熟很可能在明年才会正式与我们见面。或许明年，搭配更新指纹技术的全面屏手机，会刷新我们对手机设计的新高度，我们自然也拭目以待，手机产品在经过近两年的低潮期后，在未来一段时间内能给我们带来怎样的惊喜。
