详解3D人脸与屏下指纹的现状与未来

随着全面屏手机的爆发，智能手机对于屏占比的要求越来越高。目前主流旗舰手机的屏占比已经达到了90%左右，手机正面早已没有了传统的HOME键存在的位置。这也使得可以隐藏在屏幕内、不影响屏占比的新的屏下指纹技术得到了越来越多的智能手机厂商的青睐。与此同时，随着苹果iPhone X的带动，不少的手机厂商也推出支持3D人脸识别的旗舰机型。

3D人脸识别：结构光还还是TOF？

去年9月13日，苹果推出了基于3D结构光技术的iPhone X，实现了3D人脸识别，并以Face ID彻底取代了Touch ID指纹识别。由此也引爆了3D感测市场。

虽然去年很多的手机厂商也推出了支持人脸识别的手机，但是基本都是基于简单的2D/2.5D技术的，相对于3D人脸识别技术来说，更易受干扰、准确度底、安全性低（易破解）。而3D人脸识别目前又主要有3D结构光和TOF两类技术。

下面我们一起来看下近期发布的一些支持3D人脸识别手机和其背后的技术供应商以及准备进入手机市场的一些3D技术供应商：

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结构光的安卓智能手机——小米8透明探索版。其采用的是以色列的3D编码结构光技术厂商Mantis Vision的方案，由欧菲光提供模组。

Mantis Vision是一家以色列科技公司，成立有13年的历史了，一直专注于3D及计算机视觉领域的创新技术。之前获得过高通、索尼、三星等企业的投资。2018年3月，该公司正式进入中国。

结构光的光路分为发射端和接收端，发射端的主要构成包括点光源、准直镜头、光栅元件和 Lens，其中点光源 准直镜头充当整个光路的光源，产生扩束平行光，光栅元件分为两种，一种是苹果采用的DOE，另一种则是 Mantis Vision 所采用的“Pattern”型光栅，无论哪种方案，光栅的作用都是产生衍射图案，而光栅之后的 Lens 的作用则是将衍射光重新进行准直化处理，以保证光束的密集度。接收端主要是一个红外接收镜头，由光学镜片、红外滤光片和 CMOS 传感器组成，其作用为通过对反射光斑的探测还原深度信息。

根据Mantis Vision介绍，其提供的编码技术，在高分辨率模式下，使用1M传感器能获得120K特征点，使用VGA传感器能获得40K特征点；更多的真实坐标点，帮助保留物体更小的细节特征，还原扫描目标的原貌，同时有效降低处理运算量。

OPPO Find X——奥比中光

6月19日，OPPO也推出了支持3D人脸识别的新一代旗舰机——Find X。这款手机采用的是类似iPhone X的散斑结构光技术，由国内知名的3D感测技术厂商奥比中光提供技术，丘钛提供模组。

根据今年7月24日，丘钛公布的公告显示，今年7月，其首批3D结构光模组批量采购订单和备料需求数量合计超过了一百万颗。而这笔订单正是来自于OPPO。

奥比中光成立于2013年，是一家集研发、生产、销售为一体的3D传感技术高科技企业。2014年，荣获深圳孔雀计划第一名。2015年其3D深度摄像头Astra、Astra mini就已完成量产。今年5月，奥比中光完成了超过2亿美金的D轮融资，本轮融资由蚂蚁金服领投，赛富投资、松禾资本、天狼星资本以及仁智资本等数家老股东跟投。目前，奥比中光已成为国内人工智能领域的独角兽。在3D传感器领域，不仅具有结构光、双目、投影方案，还是惠普独家3D供应商。

▲奥比中光的Astra P模组

▲奥比中光Astra P技术指标

从奥比中光此前公布的与苹果iPhone X的对比结果来看，奥比中光的3D感测模组已经达到了接近iPhone X的水平。

另外，日前奥比中光内部的芯片团队还首次接受了芯智讯的独家采访（下周会有专访文章，敬请关注），据了解，奥比中光目前量产的3D机构光模组还集成了奥比中光第三代的3D算法芯片，采用了新引擎，新算法，基于台积电28nm工艺，工作和待机功耗更低，对于镜头的适应性更强。

vivo的TOF 3D超感技术——松下+ADI ？

在今年6月下旬的上海MWC大会上，vivo展示了两款搭载TOF技术的原型机。

一般ToF包含光源和光传感器，当光源所发出的光线投射到物体身上，折射光也会抵达光传感器，既然空气中的光速是固定的，就可以计算出物体的距离。这就是TOF技术的原理。

据vivo介绍，其TOF 3D超感技术有三大优势：

1、有效深度信息高，一般的结构光技术方案是DOE衍射，衍射现在做的最好只有三万个点，我们有30万个点，比竞争对手多了10倍；

2、测距远，是由于结构光本身的限制，目前只能做一些近距离的识别，而远距离则是vivo TOF 3D 超感应技术更有优势；

3、体积小，如果结构光要做的好需要更大的元器件。

在芯智讯看来，vivo所介绍的第2和第3点优势应该没有问题。但是，第1点需要注意的是，即使TOF的衍射可以做到30万个点，但是随着距离的增加，实际的分辨率和深度精确度会大幅的降低。

而根据芯智讯得到的消息显示，vivo的TOF 3D超感技术供应商是松下和ADI。松下提供TOF传感器，ADI则提供算法。模组将由舜宇光学和欧菲科技一同供应。

根据资料显示，松下最新研发出了一款ToF影像传感器，结合雪崩光电二极体(APD)像素技术和长范围测量成像技术。

首先，APD像素技术可大幅降低APD像素范围，并保留加乘性能，克服了传统影像传感器常见的杂讯问题，达到25万像素高解析度。 其次，长范围测量成像技术结合短脉冲ToF新技术和微光整合技术，可计算触及光检测体的光子数量，就算是单一微弱光子的折射光亦可成功捕捉，不仅可应付长距测量，在夜晚仍维持高解析度。

据说，松下的这款ToF影像传感器在250米以内都能够完成完成高解析度的范围成像。可望应用于汽车范围成像和夜晚广域监控等诸多用途。vivo所采用的是应该不是这款，不过也足以证明松下在TOF传感器上的技术实力。

而ADI也有自己的TOF方案，其测距是向目标连续发送高精度光脉冲，然后用支持窄脉冲全局曝光的面阵CCD传感器接收返回的光，通过探测光脉冲的往返时间获取至目标物体的距离信息。

华为——自研？

而根据网友在微博上最新曝光的据称是华为新旗舰Mate 20的前面板谍照显示，华为Mate 20将会配备有3D结构光组件和屏下指纹。

虽然，去年11月底，华为荣耀推出了一款外挂式3D结构光配件——点云深度摄像头，是基于舜宇的3D结构光模组。舜宇提供了包括光学设计、结构设计、ID设计、图像处理等嵌入式软件系统开发在内的一整套解决方案，其内部代号为Jupiter X。但是，根据芯智讯了解到的最新的消息显示，华为Mate20系列此次可能将会采用自研的3D结构光方案。

华捷艾米

此外，目前国内其他的一些3D结构光技术厂商，比如做散斑结构光的华捷艾米也正准备进入手机市场。根据芯智讯了解，华捷艾米针对智能手机的小型化RGB-D光学模组已经具备量产能力。而其模组当中还集成了，华捷艾米新推出的一颗型号为IMI-3000的3D感测ASIC芯片。

▲在准确度上，IMI Fram与iPhoneX相比差别不大；平面一致性上，iPhonex 优于 IMI Fram。

▲精度上两者差别不大，近距离 20cm 左右，iPhone X 稍稍好一些。

▲华捷艾米的3D模组扫描的点云图

小优智能

青岛小优智能科技成立于2015年底，是一家专注于微型激光三维扫描模组产品研发、生产及销售的高科技企业。公司研发”3D激光扫描模组”采用MEMS微振镜芯片，配合具有自主知识产权的光路及散热系统，结合半导体激光芯片，构建微型激光扫描系统。可广泛应用于3D实物感知领域。

与前面介绍的通过散斑来进行3D建模的方案不同，小优智能采用的是激光三维扫描，通过MEMS微振镜技术，使得激光束能够对于扫描的对象进行逐行扫描，具有高分辨率（达到亚毫米级，可以比iPhone X精细度更高）、高可靠性、低成本（不需要VCSEL、DOE等成本较高的复杂部件）等优势。当然，其也拥有扫描所需时间较长的劣势。

不过，据芯智讯了解，目前小优智能的模组进行3D人脸扫描的时间已经控制在了0.5秒以内，这个时间用户应该是可以接受的。另外，小优智能在模组小型化方面也做了很多工作，据说已经可以做到比当下的3D结构光模组更小，成本更低。

▲小优智能此前展示的一些3D模组产品（芯智讯拍摄于7月初）

▲小优智能的3D模组扫描的3D人像图效果

英特尔RealSense

早在2010年，英特尔就曾开展感知计算项目。2013年7月，英特尔又收购了手势识别公司Omek，随后宣布将推3D深度摄像头的PC。2014年CES上，英特尔正式推出了首款集成了3D深度和2D镜头模块的 RealSense 3D摄像头（结构光 双目立体成像），它能实现高度精确的手势识别、面部特征识别，可帮助机器理解人的动作和情感。

2015年，谷歌就曾联合英特尔推出过一款基于英特尔RealSense 3D技术的智能手机Tango Project。

经过数年的迭代，今年1月，英特尔又推出了全新的RealSense 400系列实感摄像头，在精度方面实现了显著提升，与前一代设备相比，每秒捕获的3D点数和工作范围均提高2倍以上。

而随着3D感测被越来越多的智能手机厂商所采用，英特尔RealSense或将重回手机市场。

pmd Technologies

在今年的CES2018展会上，全球著名ToF(Time of flight)德国技术公司pmd（pmd Technologies）首次展示了其最新的3D图像传感器IRS238XC，同时展示了基于此传感器的全球最小3D摄像头模组，尺寸仅为12 mm x 8 mm，它将使TOF深度传感3D摄像头变得更加易于集成。

需要指出的是，pmd是全球唯一将ToF深度传感器成功植入手机的ToF技术提供商（全球首款配备3D摄像头的联想Phab 2 Pro采用的就是pmd的技术）。

目前，国内的3D技术/模组厂商未动科技和舜宇都有与其合作。

去年7月，未动科技宣布联合pmd发布移动端3D视觉套件。该套件将为全球包括手机、VR/AR、无人机、机器人等在内的移动终端提供低功耗、高帧率、高精度、高稳定性的3D手势识别等功能。

对于与舜宇的合作，pmd将提供3D图像传感器（主要是IRS238XC），以及专有技术实现成本优化、坚实且高性能的3D摄像头设计，包括校准和软件专有技术，舜宇则将提供在3D摄像头模组规模量产方面的专有技术，实现更经济、更快速、更稳定的产品制造。

小结：

从目前来看3D结构光模组相对较为复杂，成本也相对较高，而且前置的3D结构光的只能支持近距离的3D扫描，应用面也比较有限，只能进行解锁、支付以及类似animoji的一类应用。而TOF相对来说，则可支持较远距离的3D扫描，应用面也相对较广，除了能够支持3D结构光的应用之外，还可以进行测距、AR等应用。并且TOF模组的成本可能也将会比3D结构光更低。

所以，笔者认为，从目前的趋势来看，目前多数的手机厂商还是会导入3D结构光，不过主要还是用于一些旗舰机型。而随着TOF技术的成熟，一些品牌厂商的旗舰机会开始导入TOF技术，同时可能会更多的应用于后置。并且相对3D结构光来说，TOF或将会更快进入中端市场。而据芯智讯的了解，前面提到的奥比中光、小优智能都有开始在进行TOF技术的研发。

屏下指纹或成中高端智能手机标配

相对于苹果的3D人脸识别来说，屏下指纹基本延续了传统的指纹识别的操作体验，符合用户过往的使用习惯，也更容易被用户所接受。而且屏下指纹不仅避免了开孔，也进一步提升了屏幕的屏占比，同时相对于成本高昂的3D结构光模组来说，屏下指纹的成本也要更低一些。所以安卓手机厂商纷纷开始跟进屏下指纹。

光学式屏下指纹

早在今年CES 2018展会上，vivo就率先展示了一款基于光学屏下指纹技术的手机——vivo X20 Plus屏幕指纹版。1月24日，vivo在国内举办媒体品鉴会，正式发布了这款手机。随后vivo在MWC上展示的APEX，以及后续发布的X21、NEX也都是基于光学屏下指纹技术。此外，还有华为Mate10 RS、小米8透明探索版，以及不久前刚刚发布的魅族16。

现在的应用于智能手机的光学指纹识别技术，抛弃了传统的光学指纹的光学系统，转为借用可以自发光的手机OLED屏幕的光线来作为光源，照射指纹后返回的光线通过OLED屏上的发光像素点的间隙到达屏下的CMOS传感器上，进行处理后得到指纹图像。

根据之前ZOL对于vivo X21的拆解就可以看到，其屏下指纹的底下是一颗超短焦的CMOS传感器

目前光学式的屏下指纹供应商主要有Synaptics和汇顶科技两家，目前已发布的屏下指纹新机基本都是用的这两家方案。

另一家国产指纹识别厂商思立微的屏下指纹也即将量产。

尽管苹果在其最新一代旗舰机 iPhoneX 上用人脸识别取代了Touch ID指纹识别，但其子公司 AuthenTec 依然在光学屏下指纹领域积极探索，不少研究机构认为苹果公司未来可能将会在新机型上同时搭载人脸识别和屏下指纹两种方案。

超声波屏下指纹

除了新的基于光学的屏下指纹技术开始被手机厂商所采用之外，超声波指纹识别技术也可实现屏下指纹。目前高通正在大力推动其新一代的超声波指纹识别方案应用到智能手机的屏下指纹上。

此前芯智讯曾多次介绍过高通的第二代超神波指纹识别技术。其具有防水、放油、活体检测等特点，在穿透性方面，可以穿透800μm的玻璃和525μm的金属，也可以穿透1300μm的OLED屏。而目前柔性AMOLED屏的厚度最薄可以缩减到100-200μm，玻璃盖板可以做到500μm左右，所以其可以在屏幕显示范围内实现指纹识别。

据悉，这项技术的优势在于，即使在厚达800微米的玻璃下依然可以精确工作，而传统指纹技术只能精确到300微米。

此前，已经发布的荣耀10便采用的就是高通超声波指纹识别技术，不过其位置在屏幕下边框，并非屏幕下。

据芯智讯了解，华为即将于10月发布的新旗舰Mate 20 Pro将会采用高通的超声波指纹识别技术来实现屏下指纹，而且有媒体报道称，华为可能将会独占该技术数月。

不过，在今年6月下旬的上海MWC大会上，vivo也有展示两台采用超声波屏幕指纹技术的样机，似乎采用的也正是高通的超声波指纹识别技术。

另外值得一提的是，有消息称，三星明年初发布的新一代S系列旗舰也有可能会搭载高通最新的超声波指纹识别技术。

全屏指纹

另外，今年JDI推出了一种完全透明的基于非硅基衬底的指纹识别技术——Pixel eyes 指纹识别技术，也有望可以实现在屏幕显示区域内实现指纹识别甚至是全屏指纹识别。

JDI玻璃基透明指纹识别芯片

一般来讲，芯片大都是基于硅基wafer衬底的，但是实际上，也有基于非硅片衬底的芯片技术，这种通常称为off-chip技术。JDI的这款指纹识别芯片就是采取了off-chip技术，将指纹识别传感器制备在了玻璃衬底上，并且做成了几乎完全透明的形式。

据了解，JDI很可能通过提高Hybrid in-cell Touch的dpi到508以上的方式来制备，并且摒弃传统的玻璃盖板方案，将偏光片的硬度提高，以偏光片来充当盖板，这时的偏光片厚度在200微米左右，足以满足350微米的电容式指纹识别穿透能力。

由于其是基于玻璃基，电容式的传感器，并且是透明的，这就也意味着，这种技术可以实现在屏幕显示区域进行指纹识别。而且其指纹识别的Sensor可以做得很大，甚至可以支持全屏指纹识别。而且Sensor做得大了以后，可以提取的指纹特征点就越多，这也就意味着指纹识别的安全级别就会越高。

此外，在今年的MWC上，vivo就曾展示过一款全面屏概念机APEX，这款概念机就可支持半屏指纹识别（即在屏幕显示区域的下半部分都可支持指纹识别）。而这个采用的是上海箩箕的指纹识别方案。

vivo APEX半屏指纹识别示意图

而在全屏指纹识别方案上，目前韩国厂商CrucialTec也有在这方面持续的研究。CrucialTec拥有DFS全屏幕识别方案。不过，由于 DFS 方案对于屏幕和指纹识别模组的整合程度要求较高，可能带来高成本等问题，目前方案仍处于试验阶段，存在不确定性。

DFS方案示意图（图片来源：pconline）

屏下指纹将成中高端智能手机标配

从上面的介绍来看，目前如果要在屏幕显示区域内实现指纹识别，光学方案和超声波方案相对较为成熟，其中目前基于OLED屏（软硬屏皆可）的光学式屏下指纹识别技术应用更为广泛，已成为目前的主流方案，并且有望从高端智能手机向中端智能手机市场渗透。而基于超声波的屏下指纹，由于需要厚度更薄成本更高的柔性OLED屏配合才会有更好的效果，所以这也使得其短期内只能应用在高端机型上。

根据研究机构IHS Markit的预测，2019年使用屏下指纹传感器的智能手机出货量至少将达到1亿台，到2020年则进一步翻倍至2亿台，市场空间超20亿美元，有望在未来3年保持高速增长。

另外根据台湾Digitimes最新预测，到今年年底，屏下指纹传感器的出货量将达到4200万颗。而到2019年，这一数字将会达到1亿颗。

显然，从目前众多手机企业的动向以及研究机构的数据来看，屏下指纹未来确实有望成为中高端智能手机的标配。

多生物识别方式结合仍将是趋势

对于手机厂商来说，单纯的采用人脸识别来代替指纹识别的话，或多或少的也存在着一些弊端。当然，单纯采用指纹识别也有一些弊端，例如，双手长期徒手工作业的人们便会为指纹识别而烦恼，他们的手指若有丝毫破损或干湿环境里、沾有异物则指纹识别功能要失效了。另外对于在严寒区域或者严寒气候下，亦或者人们需要长时间带手套的环境当中，这也将使得指纹识别变得不那么便利。但是，如果将人脸识别与指纹识别或者其他生物识别技术结合起来，则可很好的解决这些问题。

而随着屏下指纹和3D人脸识别的兴起，越来越多的手机厂商开始同时部署这两种生物识别技术。比如小米8探索版、华为Mate RS以及华为即将推出的新旗舰Mate20系列。

另外值得一提的是，在此之前，三星已经将虹膜识别和指纹识别技术结合应用在了其旗舰机上。另外，苹果iPhone 7之后的语音助手Siri也加入了声纹识别功能。

总的来说，多种生物识别技术相结合的方案，除了可以弥补单一生物识别方式所存在的缺点和不足之外，也应对不同安全级别应用和不同的场景的需求。

来源：芯智讯     作者：芯智讯-浪客剑

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