解鎖體驗全靠攝像頭？揭露屏幕指紋識別背後的秘密

2017年初，匯頂科技就通過三星Galaxy S7 Edge和vivo Xplay6兩款改版手機演示了屏下指紋識別的案例，這種無需在屏幕上開孔的指紋識別技術吸引了無數玩家的關注。

從2018年初的「曲高和寡」，再到2018年底OPPO將支持屏幕指紋的K1打入到1599元的普及價位，這種「黑科技」註定會成為2019年中高端智能手機領域的「標配」。

那麼，早期的屏幕指紋和最新的屏幕指紋方案之間存在哪些差異？為何如今武裝這一技術的新品越來越便宜，而指紋識別的準確性卻反而有所提升了呢？

屏幕指紋技術的發展史

屏幕指紋識別從技術層面可以衍生出「光學」（也可稱為「光電」）和「超聲波」兩大類別。

可惜，超聲波屏幕指紋方案才剛剛被三星Galaxy S10系列試裝（網友實際體驗的反饋多是速度慢、識別率低），從2018年到2019年初的屏幕指紋都還是光學屏幕指紋方案的天下。

理論上，光學屏幕指紋技術在識別率和解鎖速度方面都能無限接近傳統的電容式指紋識別技術。以匯頂科技最新的屏下光學指紋模塊（CMOS方案）為例，其既適用於OLED軟屏，還能用於OLED硬屏（超聲波方案不能用於硬屏），並獨創了分離式設計，讓光學指紋模組不再需要貼合到OLED屏上（超聲波方案需要貼合到屏上），從而大大減輕了商用難度，有效降低了生產的隱形成本和風險成本。

因此，光學比超聲波有著更大的成本優勢，屏體分離可有效降低生產成本，而且它採用的也是完全成熟的產業鏈。

光學屏幕指紋技術需要光的發射和感應裝置，理論上TFT（LCD）和OLED屏幕都可以作為光源。但是，TFT屏幕是被動發光的，需要底部的LED背光板透過TFT面板才能發光顯示。如果想在TFT屏幕內實現屏幕指紋識別技術，需要整個模組進行一番「大手術」，成本極高。反觀OLED，由於它具備超薄且支持自發光的特性，可以精確控制每一個子像素點。

屏幕指紋的大致原理是當用戶手指輕微按壓屏幕時，OLED屏幕的RGB pixel會發出光線，透過OLED屏幕的小孔到屏幕表面將指紋紋理照亮。因為手指的不同紋路導致反射的光線不同，達到指紋的光線反射穿透屏幕再到達指紋感測器，最後指紋感測器就能根據反射光線形成指紋圖像。

以vivo為例，其早在2018年1月就量產了全球首款屏幕指紋識別手機vivo X20 Plus，隨後X21、NEX、X23、NEX雙屏版和X27則分別武裝了第二代、第三代、第四代、第五代和第六代光電屏幕指紋技術。

實際上，光學屏幕指紋識別技術的迭代更新並沒這麼快，其本質上只是剛剛經歷了兩代的革新而已。

第一代：屏下指紋感測器方案

第一代屏幕指紋又稱「準直器方案」，vivo X20 Plus、X21、小米8探索版、華為Mate RS屏下指紋版和魅族16th等早期支持屏幕指紋識別的手機，它們都在OLED屏幕下方嵌入了指紋識別感測器，通過微透鏡收集從OLED屏幕小孔透下來的光線成像，從而實現對指紋信息的識別。

考慮到OLED的像素排列方式可能會產生摩爾紋影響識別，所以這類手機的指紋感測器大都採用傾斜一定角度的方式來消除摩爾紋。

為了得到清晰的指紋圖像，「準直器方案」還需要在感測器和OLED屏幕之間加入一個「準直層」來過濾掉折射和散射光線，確保到達感光元件的光線是準直光。此外，在準直層方案的基礎上還衍生出了「小孔成像方案」，它可以進一步降低模組厚度和成本，讓到達光線感測器的指紋圖像更清晰。

可惜，屏下指紋感測器方案並不完美。首先，這種方案的模組必須和OLED屏幕緊密貼合，工藝難度較高且存在良品率的問題。其次，該方案的成本和有效的指紋識別區域成正比，用於採集指紋的面積越大，成本也會蹭蹭往上漲。

無論是熄屏還是亮屏都能看到指紋感測器

此外，為了讓隱藏在屏幕之下的感測器最大限度地接收穿透屏幕的光線，那就必須提高屏幕的透光性，於是所有採用「準直器方案」的手機都有一個通病——屏幕在強光下可以隱約看到指紋感測器的輪廓，非常影響觀瞻。

第二代：屏下攝像頭感測器方案

從vivo NEX開始，以OPPO R17、K1為代表的新品大都採用了第二代屏幕指紋識別技術，它們將隱藏在屏幕內的指紋識別感測器換成了特殊的攝像頭模組（由指紋晶元、超短焦CMOS魚眼攝像頭、光線感測器、NOR FLASH和濾光片幾個部分組成），也因為被稱為「CMOS方案」，其本質上是通過「屏下攝像頭」來完成指紋的採集和比對。

和第一代「準直器方案」相比，「CMOS方案」的模組無需和OLED屏幕結合，只要固定在框架上即可，工藝難度和成本大幅降低。此外，該方案無需考慮準直孔的問題，只需提高攝像頭的像素就能進一步提升成像質量，強光下也很難看到屏幕內的指紋模塊（鏡頭）了。

2018年早期「準直器方案」的拒識率是7%~8%，如今「CMOS方案」則已經降低到了2%，而且解鎖速度也從早期的1秒降低到了0.24秒。

價格方面，在「準直器方案」時期的屏幕指紋晶元成本約8美元到9美元，額外的模組成本約7美元到9美元，整套方案下來的總成本高達15美元到18美元，也就是約合103元到123元人民幣。如今，「CMOS方案」的屏幕指紋晶元已經降到了6美元，模組成本也僅需2美元，約合55元人民幣的開銷已經為其成為主流價位手機（1500元以上）的標配奠定了基礎。

「CMOS方案」還有一個殺手級的優勢——既然它的主體就是攝像頭，所以可以引入和相機相關的技術來進一步提升成像質量和識別的效率。

作為首批採用「CMOS方案」的手機代表，vivo NEX就增加了多幀合成、畸變處理、判穩、劃痕檢測等大量源自攝影的技術，以及特徵提取優化、動態BASE自適應、MASK機制、DPI適配等針對指紋圖像的演算法優化。

到了X23，vivo更是聯合高通在SoC層面進行了深度優化，推出了「屏幕指紋DSP加速技術」，將原本由CPU負責的指紋圖像增強和對比識別的工作交給了Hexagon DSP，效率大幅提升且功耗明顯下降。

同時，X23還將屏幕下的指紋攝像頭圖像密度提升到750ppi，光圈增長到了F/1.5，通過後期的OTA系統更新還能進一步優化首幀加速、HBM同步、水波紋消除、蒙版預載入和移除等演算法，讓X23的指紋解鎖速度從發布之初的0.35秒進一步提升到了0.24秒！

去年上市的vivo NEX雙屏版採用了「第五代光電屏幕指紋」，它將2P鏡頭升級到了3P鏡頭，並在SoC（CPU）上開闢了指紋處理專區，結合DSP級優化在亮屏解鎖速度上再次獲得突破。總之，「CMOS方案」擁有成本更低，以及通過類似相機演算法可不斷優化升級的特點，已然成為了新款手機最熱衷武裝的光學屏幕指紋解決方案。

最新上市的vivo X27採用了「第六代屏幕指紋HD版」，其特色在於將模組Sensor感應面積增加到2倍。與上一代屏幕指紋技術相比，檢測到手指面積提升27%，而獲取的圖像信號量、動態範圍也隨之提升了30%。不止如此，更大面積的感應模組，使得第六代屏幕指紋在特殊場景中表現出色，比如在干手指、低溫環境等情況下，其識別效率也相對提升了近50%之多。

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