蘋果為何仍對螢幕下Face ID情有獨鍾？
2023-03-15
作者
張河勳，EE Times China
蘋果實現螢幕下Face ID並沒有太大難度，也就是說，螢幕下Face ID並不需要拍攝出質感極佳的照片，只負責點陣投射相關辨識點，所以在技術方面不存在太大問題…
一直以來，全螢幕是各大手機廠商孜孜以求的技術突破方向，但這一條路註定不簡單。先前，DSCC分析師Ross Young原預測，蘋果(Apple)將在2024年推出螢幕下Face ID，但在3月9日又透露，蘋果已被迫將其螢幕下Face ID計畫推遲至少一年，這意味著螢幕下Face ID最快也得等到2025年才有機會出現在iPhone中。
實際上，蘋果很早就致力於研發新一代的螢幕下Face ID技術，將目前需要佔用螢幕較大顯示面積的3D人臉辨識方案放在螢幕下方，兼顧臉部解鎖和螢幕顯示的一體性，即實現真正的「全螢幕」。近日，一項蘋果專利被曝光，可以說是對以上說法的支援。
(來源：coolblue)
Young透露，除了螢幕下Face ID之外，蘋果還將重新啟用螢幕下Touch ID，但無疑需要比較長時間來實現。至於螢幕下Face ID延遲採用的問題，Young也提出是因「感測器問題」。那麼，蘋果為何看重Face ID？螢幕下Face ID到底有多難？
定調：iPhone未來十年的基礎形態
2017年，蘋果發佈了iPhoneX，其首次搭載了Face ID，但「齊劉海」就成為隨後幾年推出的iPhone的重要標誌。
不得不說，蘋果Face ID確實具有不錯的體驗，主要體現在：一是無感使用，即直視螢幕就可開啟手機；二是安全性高，從安全性上來說，Face ID 的安全等級是Touch ID的20倍，前者誤辨識率為百萬分之一，後者僅達到了五萬分之一；三是辨識率高，指紋解鎖辨識率容易受外界因素影響，比如水、汗、灰塵等。
然而，也有人指出，Face ID也存在的特定場景下的不適用的情況，如口罩解鎖並非每次都靈。同時，正常情況下，指紋辨識的速度也不遜於Face ID。不過，蘋果CEO Tim Cook早已在iPhone十周年上定調，即「iPhone迄今為止最大的革新和變化」、「iPhone未來十年的基礎形態」。這可以說是Cook在發佈會上說過最為關鍵的兩句話，同時也肯定了Face ID的應用體驗。不過，Face ID讓iPhone螢幕留下了大大的切口。
2022年，蘋果在iPhone14 Pro系列上將劉海屏設計變成了「靈動島」，「靈動島」確實也縮小了螢幕切口，而且其從功能表現上也不簡單。從蘋果專利可以看到，蘋果採用了可重定向的光學折疊元件，其優勢在於空間佔用小，而且可改變紅外線光傳輸方向。這意味著紅外線發射器的位置不會被限制，可根據實際需求調整位置。同時，「靈動島」的面積是可變的，可以顯示不同的資訊，包括顯示來電彈窗、專輯封面等。例如，打車時，這部分會顯示還有幾分鐘達到。另外，「靈動島」區域可以配合系統新的狀態列設計，跟據不同功能實現不同的動畫特效，包括面容辨識動畫、正在播放、快速操作音樂等。
然而，就外觀來說(不談實際應用體驗)，「靈動島」方案相對Android手機上的挖孔甚至螢幕下相機方案，仍難有什麼值得稱道的地方，也非真正的「全螢幕」。因此，在定調Face ID未來定位之外，蘋果只能在「螢幕下Face ID」這一技術方向尋求突破。
值得一提的是，Young還提到了蘋果會重新啟用螢幕下Touch ID。據悉，近日蘋果獲得了一項有關螢幕下Touch ID的技術專利，提到了正在研究一種結合「短波紅外線線+光學系統」等技術的新系統。
專利顯示，透過短波紅外線線技術，使用者將手指按在螢幕上時會產生光學成像，螢幕下的電子元件可以接收這一光源，並完成對指紋的採集和辨識。同時，這一成像系統不僅可以用於辨識指紋資訊，還能檢測使用者的血氧和脈搏，效率比傳統手段更高。不過，螢幕下Touch ID應用在iPhone上存疑，不僅Cook對螢幕下Face ID已作定調，而且與螢幕下Face ID部分功能重疊，也沒有必要搭配。
對此，彭博社記者Mark Gurman在最新報告中指出，蘋果探索性設計小組(XDG)在無創血糖監測技術方面已取得了突破性進展，未來可能會為Apple Watch推出這個功能，這或許對未來螢幕下Touch ID指出實際應用的方向。
佈局：臉部辨識「蓄積已久」
實際上，蘋果在Face ID技術上佈局多年，可以說是「蓄積已久」。2007年，蘋果就申請了類似的臉部辨識專利；2011年蘋果一份臉部辨識專利曝光：基於前置鏡頭擷取的影像，影像處理器會對該影像進行處理，然後與已經儲存的參考影像進行對比。與普通人臉辨識技術不同的是，這個系統並沒有將影像100%進行對比，主要辨識臉部訊息量比較大的部位，例如眼睛、鼻子和嘴巴等。
2012年美國專利商標局(USPTO)再度公佈了蘋果的一項專利：「對特定照片進行分析，再用這些搜集到的資料建立一個臉部印記(faceprint)，已建立完成的faceprint就能與其他照片進行匹配，最終辨識出照片上的人是誰。」2016年9月，蘋果又提交了一份臉部辨識專利，透過行動裝置的前置鏡頭，掃描使用者的臉部，看其是否與裝置授權使用者相符合，只有符合授權使用者的特徵時才會解鎖。而當使用者的行動裝置靜止一段時間並且相機無法看到使用者時，裝置將自動上鎖。
2017年3月，蘋果又提交一份臉部辨識專利，專利名稱為「使用臉部辨識鎖定和解鎖裝置」。該技術能夠辨識前置相機拍攝到的人臉是否屬於機主，並根據判定結果來決定是否鎖定或解鎖裝置。為了增強人臉辨識的安全性，這項專利中還加入了能檢測運動的紅外線感測器及傾斜感測器，能夠做到活體辨識。簡單來說，該專利就是2016年的改進版本。2022年4月，美國專利商標局已正式授予蘋果一項新專利，該專利介紹中顯示，其可以將Face ID元件隱藏在螢幕下方，螢幕依然可以正常顯示，臉部辨識也能正常工作，兩不耽誤。
然而，在佈局技術專利的同時，蘋果還透過收購相關的創新企業，不斷推進Face ID技術的實際應用。2010年，蘋果就收購瑞典臉部辨識技術公司Polar Rose。而Polar Rose開發了例如Face Cloud的臉部辨識技術，其是一個完整的解決方案，能將其植入到任何一個裝置內。
2013年，蘋果收購了以色列運動捕捉公司PrimeSense。該公司的Kinect技術借助攝影系統的結構光可即時捕捉3D空間中用戶的運動，也擁有影像辨識和人臉辨識功能。7年之後，蘋果就把Kinect微縮到了iPhone上，且Kinect第一代技術曾應用於微軟(Microsoft)的體感裝置。
2015年，蘋果又併購了FaceShift。FaceShift開發了即時捕捉人臉表情，然後將其表情3D動畫化的技術。基於Kinect技術，Faceshift可以用螢幕上的3D頭像精確複製人臉的表情，即使是最輕微的肌肉抽動，也能達成一流的動作捕捉。
同年，蘋果還收購了以色列相機技術公司LinX imaging。該公司致力於利用小尺寸相機拍攝高品質照片，主要開發多孔相機系統，例如雙獨立感測器的雙鏡頭，利用多孔徑成像技術，提升對焦速度，顏色還原，對比單鏡頭擁有更好的寬容度、更少的雜訊、更自然的顏色。
2017年2月，蘋果再次收購一家以色列新創公司RealFace。RealFace開發了整合人工智慧(AI)將感知到的臉部特徵允許使用者展示臉部進行身份驗證，同時可以根據臉部特徵快速學習。
結合PrimeSence、FaceShift、LinX、RealFace幾個新創企業獨特的辨識技術，以及自身多年的技術專利，蘋果終於建構了iPhone X上的深感攝影系統。而從另外一個層面看，蘋果之所以多年不斷累積Face ID技術，那是其對Face ID應用策略和方向的篤定。
挑戰：螢幕下Face ID之難
不過，儘管Face ID已經在iPhone上得到多年成熟應用，但並不代表螢幕下Face ID「水到渠成」。反而，螢幕下Face ID將是對蘋果創新應用體驗的更大挑戰，Young透露的感測器的問題也說明了這一點。
「螢幕下，設計方案實際上也不算新鮮。以螢幕下前置鏡頭為例，小米、中興等Android手機廠商都使用了該技術方案，也已演進多次，可以在一定程度上兼顧螢幕的顯示，以及前置鏡頭的拍攝效果。該技術方案主要是將前置鏡頭上方的發光單元縮小，減少對光線的阻擋，再加上演算法的最佳化，讓鏡頭在捕捉少量光線的情況下，仍然拍出不錯的畫面，實現自拍和解鎖的工作。
不過，該技術方案受限於光線減少和螢幕發光單元的遮擋，前置相機的成像畫質還是要比一般挖孔前置的方案差很多。同時，為了保證顯示效果的一致性，螢幕下位置被縮小的螢幕發光單元需要提升亮度才能與整塊螢幕的亮度和顯示亮度保持接近。然而，對於目前多數高階旗艦機所採用的OLED螢幕而言，提高亮度無疑是一個技術軟肋，必然會影響螢幕壽命期，這對任何一個消費者而言，都是不可接受的。
然而，螢幕下Face ID技術方案也差不多遭遇跟螢幕下前置鏡頭一樣的技術困境。今年2月，根據美國專利商標局公示的資訊，蘋果獲得了一項螢幕下Face ID的技術專利。這可能意味著未來iPhone機型可以將相關感測器嵌入到螢幕下方實現人臉辨識。
根據這項專利描述，該專利可以將大量感測器嵌入螢幕內部，包括用於Touch ID的感測器、用於測量3D非接觸手勢的感測器、壓力感測器、用於檢測位置、方向和/或運動的感測器，例如，加速度計、磁性感測器(例如羅盤感測器、陀螺儀和/或包含部分或全部這些感測器的慣性測量單元)、健康感測器等。
而顯示器下方的感測器還可以包括光學感測器，例如自混合感測器和收集ToF測量的光檢測和測距(光達)感測器、濕度感測器、注視追蹤感測器和/或其他感測器。同時，靈動島的位置可以改變，透過使用一系列微小的透明視窗，這些視窗的外觀尺寸和位置可以在顯示器周圍有效移動，利用有選擇地啟動和停用不同的畫素。
由此可見，蘋果實現螢幕下Face ID並沒有太大難度，只需確保外部光線能夠穿透顯示器並進入TrueDepth相機系統就行。也就是說，螢幕下Face ID並不需要拍攝出質感極佳的照片，只負責點陣投射相關辨識點，在進行人臉辨識解鎖，所以在技術方面不存在太大問題。這個技術原理跟螢幕下相機相同，也是蘋果率先採用螢幕下Face ID的主要原因。
對此，蘋果曾表示，其裝置使用的傳統螢幕有13層，透過這些區域的光傳輸最多減少了80%，因此蘋果未來可能需要減少包含感測器區域的層數。因此，從這個角度來看，螢幕下Face ID必然會優先螢幕下相機搭載，畢竟螢幕下相機不僅會導致拍攝的解析度下降，還增加了燒屏的風險。
綜合上述，Young所提到的「感測器問題，應該就是減少感測器區域層數的問題。當然，如果未來Micro LED螢幕在iPhone上得到應用，那麼真正的「全螢幕」就是時間的問題了。
本文原刊登於EE Times China網站
