科普：手機指紋識別的知識
2019 / 09 / 06 | 3c大知識
這幾年智能手機競爭激烈的發展，帶來一個明顯的好處就是技術下沉，曾經在高端機中才有的各種技術，在一段時間之後隨著成本下降等各種原因，會迅速下沉應用在中低端機身上，在近兩年的智能手機發展中，“ 手機指紋識別 ”算是比較明顯的例子。前兩年手機指紋識別還只應用在各款頂級旗艦機的技術，如今連各種千元機都已經標配手機指紋識別了。而關於剛發布的安卓頂級旗艦S8，即便加入了各種黑科技，但其背後指紋的設計還是讓不少網友吐槽。可見如今許多用戶對手機指紋識別的還是比較關注的技術點之一。本期我們就來聊聊手機指紋識別那點事。
一個人身上所具有的獨一性生物特徵有不少，包括指紋、 虹膜、掌紋等，指紋由於其獨一性和便利性，目前成為人與智能手機交互的“密碼”，應用最為廣泛。而在這其中。早在2011年，摩托羅拉推出的Atrix 4G中就率先成為世界上首款採用指紋識別的量產智能手機，不過其採用的劃擦式體驗並不友好。而到iPhone5S上，蘋果在智能手機上真正將手機指紋識別這個功能發揚光大。至此之後，手機指紋識別真正在智能手機中普及。
在現階段，從手機指紋識別類型上，絕大部分智能手機大多都在使用電容式手機指紋識別。一般來說，指紋模組（以iPhone為例）是由觸控IC、電容傳感器、金屬檢測環、保護蓋板組成，而現在技術的發展，則已經可以去掉金屬探測環，使得承載指紋模組的Home鍵更顯得一體化。
由於我們的指紋是由一圈一圈的皮膚紋路構成，每個人紋路的形狀、指紋的波峰和波谷都完全不同，因此指紋在電容傳感器中測量的點的長短也不盡相同（波峰的電容值較高、波谷的電容值較低）， 最終將指紋圖像翻譯成芯片能理解的電信號，當用戶在錄入指紋時，指紋模組工作，提取指紋圖像，轉化成電信號與傳感器上N多個電容器極板相匹配，最終記錄保存在手機中。
對於當前絕大部分的指紋識別模組，都可以對指紋圖像進行360°掃描，因此對於用戶解鎖時手指的姿勢沒有限制，這就對指紋識別的精度有一定的要求。一般來說，目前智能手機的指紋識別模組分辨率能達到500dpi，而越高的分辨率則對於指紋信息的精準度和速度有所提升。
當然，影響指紋識別速度和精準度的也並不只是指紋模組的面積和分辨率。前文所知， 電容式指紋識之所以能夠是識別指紋，主要是基於手指指紋的溝壑。而我們平時使用時，手上免不了沾染一些油污或出汗，而水和油污會導電，並且會填充手指的波谷，使得指紋識別掃描精度下降。這也就是一般情況下，手上沾水後為什麼指紋識別失靈或速度慢的原因。
儘管如今電容式指紋的成本已經比較低（普通的指紋識別模組大概只要3美金左右），無論在當下的旗艦機還是千元機中上都可以有比較接近的體驗。不過如上文所說， 電容式指紋對於手上的污漬、水、油這樣的在生活中比較常遇到的情況下使用效果都會大打折扣。並且電容式指紋對於手機的造型也有一定方面的限制，由於電容式指紋需要在保護蓋板上做一些噴塗，因此使用久了總免不了會有刮花的可能。另外電容式指紋的穿透力大概在300微米，而正常的屏幕保護玻璃厚度大概在400微米以上。因此對於手機造型上有所限制。
基於這些原因， 科技廠商也在不斷研發新的手機指紋識別技術。而目前已經看到樣機實現的，則是射頻式指紋識別（超聲波指紋）、第二代光學指紋。
超聲波指紋：
超聲波屬於射頻指紋的一直用，與電容式需要檢測指紋表面不同，超聲波具有穿透性，利用指紋模組發出的特定頻率的超聲波掃描手指，利用指紋的不同對超聲波反射的不同，能夠建立3D指紋圖形，因此對手指表面的清潔程度並不用太過考慮。另外，由於超聲波具有比較強的穿透性，可以穿透金屬、玻璃等常用手機材質，因此對手機外觀方面也不會有太多限制。
去年9月，小米5S成為首款搭載超聲波指紋識別的產品，但最初的超聲波指紋用戶體驗並不如之前想像中優秀，識別速度慢、準確率偏低。而在剛剛過去的MWC上，高通發布了第二代超聲波指紋識別方案，將指紋模組放進屏幕中、金屬背殼內，由vivo Xplay6作為樣機展示。
根據高通提供的數據，面向顯示屏的指紋傳感器可透過厚至1200微米的OLED顯示屏工作，面向金屬的指紋傳感器可透過厚至650微米的鋁材質外殼工作，而面向玻璃的指紋傳感器可透過厚至800微米的玻璃工作。這樣的數據已經超過當前主流的2.5D屏幕（大致700-800毫米）的厚度，因此手機廠商可以將指紋模組放在自己需要的部分，以打造更具未來感的外觀。（目前超聲波指紋方案還只能應用在OLED屏幕）。並且高通宣稱，這一代的超聲波手機指紋識別在功耗、模組大小都可以與可以做到與電容式傳感器比較接近的水準。
當然，能做到in-display的，除了超聲波之外，更多的科技公司在研究光學指紋方案。
光學指紋：
相比之下，光學指紋的應用場景離我們更貼近一些。比如在最初的指紋打卡機上，就是採用最早的光學指紋技術。在錄入原始指紋信息後，通過玻璃下方發出的激光掃描你手指摁在玻璃上壓出來的指紋，掃描出的圖像以黑白的圖像與數據庫進行對比。但是最初的光學指紋識別由於是基於圖像識別，所以對手指的清潔度、指紋模組大小都有要求。
匯頂年初MWC展示的光學指紋
在智能手機中，對光學指紋進行了重新升級，通常採用手機屏幕作為發光主體，通過光路照射到指紋，返回的光線再通過屏幕返回到屏幕下的CIS（CMOS Image Sensor），手機針對返回的圖像與數據庫進行分析對比，最終識別指紋。
可以看到，只要是光學指紋就需要有光。而對於智能手機來說，屏幕發光的時間、功耗、以及屏幕表面的清潔度都會影響到光學指紋的應用體驗，因此現在也只能應用在OLED屏幕上開發，而基於LCD屏幕的光學指紋還鮮有人問津。而同為in-display的解決方案，在產品成本、良品率上光學指紋比超聲波指紋更具有優勢，但在安全性方面，目前高通所做的超聲波指紋可以檢測到皮膚下的血氧以及心率，擁有先天優勢的超聲波無疑優於光學指紋。
總結：
以上就是目前離我們最近的手機指紋識別的三種方案，各有利弊。從目前成本以及普及度，電容式指紋＞光學指紋＞超聲波指紋；從安全性出發，超聲波指紋＞電容性指紋（暫時）＞光學指紋；而從對手機外觀的影響來看，能穿透金屬的超聲波無疑會給智能手機的ID設計帶來更多富有創意的可能性，但不得不說，在三者中，目前超聲波指紋可實現的技術難度最高。今年，全面屏手機時代很可能正式到來，但相比全屏幕技術，相配的手機指紋識別方案的成熟很可能在明年才會正式與我們見面。或許明年，搭配更新手機指紋技術的全面屏手機，會刷新我們對手機設計的新高度，我們自然也拭目以待，手機產品在經過近兩年的低潮期後，在未來一段時間內能給我們帶來怎樣的驚喜，我們一起期待吧。
一個人身上所具有的獨一性生物特徵有不少，包括指紋、 虹膜、掌紋等，指紋由於其獨一性和便利性，目前成為人與智能手機交互的“密碼”，應用最為廣泛。而在這其中。早在2011年，摩托羅拉推出的Atrix 4G中就率先成為世界上首款採用指紋識別的量產智能手機，不過其採用的劃擦式體驗並不友好。而到iPhone5S上，蘋果在智能手機上真正將手機指紋識別這個功能發揚光大。至此之後，手機指紋識別真正在智能手機中普及。
在現階段，從手機指紋識別類型上，絕大部分智能手機大多都在使用電容式手機指紋識別。一般來說，指紋模組（以iPhone為例）是由觸控IC、電容傳感器、金屬檢測環、保護蓋板組成，而現在技術的發展，則已經可以去掉金屬探測環，使得承載指紋模組的Home鍵更顯得一體化。
由於我們的指紋是由一圈一圈的皮膚紋路構成，每個人紋路的形狀、指紋的波峰和波谷都完全不同，因此指紋在電容傳感器中測量的點的長短也不盡相同（波峰的電容值較高、波谷的電容值較低）， 最終將指紋圖像翻譯成芯片能理解的電信號，當用戶在錄入指紋時，指紋模組工作，提取指紋圖像，轉化成電信號與傳感器上N多個電容器極板相匹配，最終記錄保存在手機中。
對於當前絕大部分的指紋識別模組，都可以對指紋圖像進行360°掃描，因此對於用戶解鎖時手指的姿勢沒有限制，這就對指紋識別的精度有一定的要求。一般來說，目前智能手機的指紋識別模組分辨率能達到500dpi，而越高的分辨率則對於指紋信息的精準度和速度有所提升。
當然，影響指紋識別速度和精準度的也並不只是指紋模組的面積和分辨率。前文所知， 電容式指紋識之所以能夠是識別指紋，主要是基於手指指紋的溝壑。而我們平時使用時，手上免不了沾染一些油污或出汗，而水和油污會導電，並且會填充手指的波谷，使得指紋識別掃描精度下降。這也就是一般情況下，手上沾水後為什麼指紋識別失靈或速度慢的原因。
儘管如今電容式指紋的成本已經比較低（普通的指紋識別模組大概只要3美金左右），無論在當下的旗艦機還是千元機中上都可以有比較接近的體驗。不過如上文所說， 電容式指紋對於手上的污漬、水、油這樣的在生活中比較常遇到的情況下使用效果都會大打折扣。並且電容式指紋對於手機的造型也有一定方面的限制，由於電容式指紋需要在保護蓋板上做一些噴塗，因此使用久了總免不了會有刮花的可能。另外電容式指紋的穿透力大概在300微米，而正常的屏幕保護玻璃厚度大概在400微米以上。因此對於手機造型上有所限制。
基於這些原因， 科技廠商也在不斷研發新的手機指紋識別技術。而目前已經看到樣機實現的，則是射頻式指紋識別（超聲波指紋）、第二代光學指紋。
超聲波指紋：
超聲波屬於射頻指紋的一直用，與電容式需要檢測指紋表面不同，超聲波具有穿透性，利用指紋模組發出的特定頻率的超聲波掃描手指，利用指紋的不同對超聲波反射的不同，能夠建立3D指紋圖形，因此對手指表面的清潔程度並不用太過考慮。另外，由於超聲波具有比較強的穿透性，可以穿透金屬、玻璃等常用手機材質，因此對手機外觀方面也不會有太多限制。
去年9月，小米5S成為首款搭載超聲波指紋識別的產品，但最初的超聲波指紋用戶體驗並不如之前想像中優秀，識別速度慢、準確率偏低。而在剛剛過去的MWC上，高通發布了第二代超聲波指紋識別方案，將指紋模組放進屏幕中、金屬背殼內，由vivo Xplay6作為樣機展示。
根據高通提供的數據，面向顯示屏的指紋傳感器可透過厚至1200微米的OLED顯示屏工作，面向金屬的指紋傳感器可透過厚至650微米的鋁材質外殼工作，而面向玻璃的指紋傳感器可透過厚至800微米的玻璃工作。這樣的數據已經超過當前主流的2.5D屏幕（大致700-800毫米）的厚度，因此手機廠商可以將指紋模組放在自己需要的部分，以打造更具未來感的外觀。（目前超聲波指紋方案還只能應用在OLED屏幕）。並且高通宣稱，這一代的超聲波手機指紋識別在功耗、模組大小都可以與可以做到與電容式傳感器比較接近的水準。
當然，能做到in-display的，除了超聲波之外，更多的科技公司在研究光學指紋方案。
光學指紋：
相比之下，光學指紋的應用場景離我們更貼近一些。比如在最初的指紋打卡機上，就是採用最早的光學指紋技術。在錄入原始指紋信息後，通過玻璃下方發出的激光掃描你手指摁在玻璃上壓出來的指紋，掃描出的圖像以黑白的圖像與數據庫進行對比。但是最初的光學指紋識別由於是基於圖像識別，所以對手指的清潔度、指紋模組大小都有要求。
匯頂年初MWC展示的光學指紋
在智能手機中，對光學指紋進行了重新升級，通常採用手機屏幕作為發光主體，通過光路照射到指紋，返回的光線再通過屏幕返回到屏幕下的CIS（CMOS Image Sensor），手機針對返回的圖像與數據庫進行分析對比，最終識別指紋。
可以看到，只要是光學指紋就需要有光。而對於智能手機來說，屏幕發光的時間、功耗、以及屏幕表面的清潔度都會影響到光學指紋的應用體驗，因此現在也只能應用在OLED屏幕上開發，而基於LCD屏幕的光學指紋還鮮有人問津。而同為in-display的解決方案，在產品成本、良品率上光學指紋比超聲波指紋更具有優勢，但在安全性方面，目前高通所做的超聲波指紋可以檢測到皮膚下的血氧以及心率，擁有先天優勢的超聲波無疑優於光學指紋。
總結：
以上就是目前離我們最近的手機指紋識別的三種方案，各有利弊。從目前成本以及普及度，電容式指紋＞光學指紋＞超聲波指紋；從安全性出發，超聲波指紋＞電容性指紋（暫時）＞光學指紋；而從對手機外觀的影響來看，能穿透金屬的超聲波無疑會給智能手機的ID設計帶來更多富有創意的可能性，但不得不說，在三者中，目前超聲波指紋可實現的技術難度最高。今年，全面屏手機時代很可能正式到來，但相比全屏幕技術，相配的手機指紋識別方案的成熟很可能在明年才會正式與我們見面。或許明年，搭配更新手機指紋技術的全面屏手機，會刷新我們對手機設計的新高度，我們自然也拭目以待，手機產品在經過近兩年的低潮期後，在未來一段時間內能給我們帶來怎樣的驚喜，我們一起期待吧。