在創新性技術的競賽中,蘋果(Apple)往往憑藉其龐大的研發預算以及對供應鏈的掌控力而處於領先地位,並讓Android陣營跟隨自己的創新腳步。

2013年,Apple收購了Authentic,首次將指紋辨識技術導入iPhone/iPad中。以三星(Samsung)、華為(Heawei)為代表的Android手機陣營隨後跟進,讓指紋辨識技術成為智慧型手機的標準配備。

2017年,Apple在iPhone X中推出了採用3D感測技術的Face ID,這使得Android陣營中以指紋辨識為主的生物辨識技術路線發生重大變化。一部份Android手機廠商仍沿用指紋路線,將前置、後置指紋辨識升級為螢幕下(Under Display)指紋辨識感測器,以滿足指紋解鎖和滿版螢幕設計的雙重需求。另一部份則轉向與iPhone類似的3D感測臉部辨識技術,不過由於關鍵元件被Apple壟斷,這意味著Android陣營的大規模採用可能要到2019年。

站在生物辨識的岔路上,未來智慧型手機的發展重點究竟是螢幕指紋辨識,還是3D感測?影響相關技術普及的瓶頸在哪裡?為何ams這家公司會在短時間內異軍突起?為何高通、聯發科技、英特爾等主晶片紛紛佈局3D領域?未來在這個領域還會催生哪些新興技術以及像FPC或匯頂等業者?

螢幕指紋辨識領域有誰在玩?

自Apple於2013年首度在iPhone上導入Touch ID後,指紋感測技術在Android陣營迅速成長,到2017年具有指紋辨識的智慧型手機已佔總出貨量的60%以上。

然而,隨著2017年智慧型手機成長速度放緩,指紋晶片在手機中的應用逐漸飽和。傳統的電容指紋技術趨於成熟,而技術成熟則帶來了價格戰。包括中國大陸廠商如思立微、芯啟航、費恩格爾、信煒、邁瑞微等「土狼」的猛烈進攻,讓匯頂、FPC等領先廠商不得不加入這一波降價潮。

據瞭解,目前普通的電容式指紋模組平均價格一路下行,2015年一顆晶片價格約4美元,到了2017年平均價格下降到2美元,部份廠商甚至報價1美元。「為了搶佔市場,不到一成甚至賠錢出貨的廠商大有人在。」邁瑞微董事長李揚淵表示,價格戰是死路,即使贏家也支撐不起指紋技術團隊的成本,更何況被佔據利潤高地的FPC等大廠商「降維」打擊。有業界人士預測,指紋晶片將會類似於觸控產業,最終只會有三家左右廠商存活下來,「其它家就很慘了,基本出貨量會降到100K以內」。

由於螢幕指紋辨識感測技術的銷售淨利遠高於傳統指紋辨識解決方案,匯頂、信煒、邁瑞微等國產指紋廠商為了擺脫低價競爭,正在大力投入到螢幕指紋辨識技術的研發中。

根據IHS Markit最新的《2018年顯示器指紋技術與市場報告》,預計2018年使用螢幕指紋感測器的智慧型手機出貨量至少將達到900萬台,到2019年將會超過1億台。最積極採用螢幕指紋辨識技術的廠商是vivo,早在vivo Xplay6時就搶先採用了軟性螢幕超音波方案,搭載Synaptics Clear ID的vivo X20 Plus UD已全面投產,該量產機型也可以實現在螢幕特定區域的指紋辨識。而vivo X21也成為全球真正量產級的螢幕指紋版手機。第二個加入螢幕指紋陣營的是華為的Mate RS。據說OPPO的螢幕指紋辨識專利技術已經獲得批准,OPPO也有可能成為第三家採用螢幕指紋解鎖的手機品牌,將有希望在OPPO R15s中採用螢幕指紋辨識技術。vivo產品經理韓伯嘯表示,之所以如此積極,是因為業界都在等三星的完整解決方案(螢幕和螢幕下指紋辨識模組貼合),「但三星還做不了貼合,我們不能等。」

據瞭解,目前領先的螢幕指紋辨識技術供應商包括Synaptics、匯頂、高通和Egis,其次是三星LSI、FPC、VkanSee、CrucialTec、BeyondEyes和FocalTech。除了最早在2016年就率先發佈UnderGlass光學式方案的Synaptics。中國大陸指紋辨識晶片廠商匯頂科技也積極研究螢幕指紋技術,在Computex 2017台北電腦展上通過改裝的三星Galaxy S7 edge展示其螢幕指紋進展,不過只能在AMOLED螢幕上使用,解鎖的速度也還未達到傳統觸摸式指紋的程度。MWC 2018上,匯頂科技發佈其第二代螢幕光學指紋技術,特點是性能更優異、使用者體驗更佳,預計2018年內實現大規模量產。

根據vivo展示的封裝層次來看,依次是螢幕保護裝置玻璃、AMOLED堆疊層+指紋辨識感測器、指紋辨識模組的PCB。由於將指紋辨識感測器和AMOLED堆疊層做到了一起,利用OLED圖元之間的空隙進行指紋的掃描,採集到指紋資訊的關鍵點進行解鎖,因此目前光學指紋只能用於OLED材質。

超音波螢幕指紋才是未來趨勢?

螢幕指紋目前也分為兩個技術路線,包括光學式螢幕指紋和超音波螢幕指紋。超音波螢幕指紋在辨識指紋時不用螢幕開啟最高亮度,超音波感測器發出的脈衝可以感應指紋特有的孔和脊,形成3D的深度資料。與光學螢幕指紋技術相比,具有更高的準確性。從安全性來看,光電方案是平面的,超音波方案是立體的,安全性後者更高。此外,超音波訊號具有較好的穿透性,可在實現對於指紋辨識的同時,降低手指污垢、油脂以及汗水的干擾,在水下也不會對解鎖產生影響,適用範圍更廣。據瞭解,雖然基於超音波的螢幕指紋技術產量較低且零件較貴,但超音波比光學螢幕指紋要準確得多。

目前來看,超音波方案似乎還未成熟。小米5s上曾經用過高通超音波辨識方案,當時效果並不理想。2017年6月,高通發佈的第三代超音波指紋辨識方案,現場展示將手指放在螢幕固定區域進行辨識才能解鎖,與目前的光學式指紋方式類似。此前華為榮耀10就採用了高通的超音波指紋辨識方案。今年下半年華為的旗艦Mate系列,或者命名為Mate20,將會再次使用超音指紋辨識。這套方案採用的是高通新的超音波指紋感測解決方案,能夠把感測器直接嵌入在玻璃或金屬底下,並在顯示面板上的任何位置捕捉指紋。

2017年FPC發佈的超音波指紋同樣支援在手機顯示面板任意位置擷取與辨識使用者的指紋,支援OLED和LCD顯示器。三星的合作夥伴CrucialTec也在2017年12月獲得了與DFS(顯示器指紋解決方案)相關的美國專利,並宣佈2018年正式商用。據說三星和Apple都計畫在2019年的Galaxy S10和下一代iPhone上採用超音波螢幕指紋。而Apple也將採用自己研發的基於超音波的螢幕指紋技術。

不過,目前螢幕指紋辨識技術的整體反應速度還不如傳統電容指紋辨識技術,加上成本太高,AMOLED資源掌握在三星手中,這進一步限制了Android陣營在旗艦機種搭載顯示區內指紋辨識技術的規模,因此大量的中低階手機仍將採用成本較低的傳統電容式指紋辨識技術。未來如果要將螢幕光學指紋的成本控制在8美元以內,需要國產OLED螢幕如京東方等的全力配合。

3D感測成下一風口,Android陣營誰將追上Apple?

儘管各大廠商都在積極佈局螢幕指紋技術,但Apple在iPhone X中去掉Touch ID轉而採用3D 感測技術的Face ID還是對整個手機產業產生了重大影響。部份Android陣營也開始轉而採用Apple類似的3D感測技術,不過由於關鍵元件被Apple壟斷,3D感測技術在Android陣營的大規模普及可能要到2019年。在此之前,有不少廠商採用2D攝影機+指紋辨識的方式來實現部份的臉部辨識功能,但這種方式並不安全,很容易被破解。

20180629_biometrics_NT61P1 3D感測技術市場預測(來源:Yole Developpement)

自2015年的Surface pro4開始,包含聯想、華碩、Google等品牌也嘗試推出3D感測功能的手機。目前3D感測只在手機正面,和攝影機一樣,未來也將在背面設計3D感測模組。據產業鏈瞭解,預計2019年Apple會率先上馬後置3D感測。並且背部由於對於感應距離的要求更高,後置3D感測模組的各個環節ISP也會高於前置。

市場諮詢機構Yoledevelopment預測,受益於消費電子市場可以預見的爆發式成長,3D成像與感測器市場將從2016年的13億美元成長至2022年的90億美元。用於消費電子的3D成像與感測市場將從2016年的2,000萬美元成長至2022年的60.58億美元,CAGR達到158%。Gartner則預測,到2021年,40%的智慧型手機將配備3D感測模組。

20180629_biometrics_NT61P2 3D感測攝影機市場滲透預估

展望2018年,TrendForce旗下拓墣產業研究院預估,全球智慧型手機3D感測器滲透率將從2017年的2.1%成長至2018年的13.1%,Apple仍將是主要的採用者。

一些具有3D感測功能的Android手機已經少量投放市場,例如去年發佈的AsusZenFoneAR,但是這些型號並沒有像iPhoneX那樣使用感測器進行臉部辨識。先前聯想與華碩曾推出搭載GoogleTango模組的手機產品,但市場反應有限,直到2017年iPhoneX導入TrueDepth相機模組,才使3D感測重新受到市場關注。

雖然華為榮耀在2017年發佈的V10號稱全球首款「散斑結構光」手機,但只是在手機上增加了一個攝影機配件,談不上真正商用的3D 結構光Android手機。除了Apple,三星和華碩外,中國大陸的小米、聯想、華為與OPPO等智慧型手機品牌都計畫推出具備3D感測功能的新手機。

三大3D感測技術及供應鏈比較

20180629_biometrics_NT61P3 三大3D感測技術比較(來源:Yole Developpement)

目前3D感測技術主要分為三大方向:立體相機、結構光以及飛行時間(ToF)。包括ams、PrimeSense、MantisVision、高通/Himax、Intel、奧比中光(Orbbec)、華捷艾米在內都是走結構光路線,而意法半導體(ST)、Google/Infineon/pmd、MicroVision、Orbbec等都使用ToF技術。在立體相機路線,包括Omnivision、ST、Osram、Lumentum、Finisar以及Iniutive、Intel/Movidius。

目前手機領域主要採用結構光和ToF技術。首先是iPhoneX才用的結構光路線。除了ams之外,Omnivision或ST同樣提供結構光需要的全域快門NIR攝影機;ams、HiMax、Namuga以及歌爾則提供結構NIR照明元件;此外相關的3D重建軟體供應商則包括Apple Primesense、Mantis、Namuga與奧比中光。

至於ToF方案,事實上包括ams和ST都提供ToF近接探測器,但只支援幾個畫素,兩家公司都還未開發ToF攝影機。至於pmd、Sony/Softkinetic則提供ToF鏡頭,而Osram、Lumentum、Finisar與ams則提供NIR照明元件。其中pmd是唯一將深度感測器成功植入手機的ToF技術供應商。在今年的CES 2018上,首次展示了其最新的3D影像感測器IRS238XC,同時展示了基於此感測器的全球最小3D攝影機模組,尺寸僅為12mm×8mm,它將使ToF深度感測3D攝影機變得更加易於整合。

20180629_biometrics_NT61P4

3D結構光模組當中的結構光發射器(即iPhone X上的Dot projector)是整個模組當中最為核心的關鍵元件。而結構光發射器中又包含了光學衍射元件(DOE)、准直鏡頭(WLO)和VCSEL等關鍵元元件。結構光發射器原理就是VCSEL發出940nm點雷射之後,透過WLO校準為線性雷射,然後線性雷射照射在DOE上發生衍射,形成近千個具備調變資訊的光斑。這其中VCSEL可以說是最為核心的關鍵元件。iPhoneX中就使用了三顆VCSEL晶片。

ams是3D感測技術最佳卡位者?

在結構光的3D感測路線中,價值最高的兩個環節是:VCSEL雷射器大約佔總價值的32%,WLO大約佔總價值的38%。LED inside預測,到2020年,由VCSEL和EEL組成的紅外雷射模組市場將達到19.53億美元。按照當前VCSEL成本1.5~3美元計算,行動端VCSEL市場將達到6.5~13.5億美元,為當前VCSEL市場帶來20%~30%的成長。

Apple自2016年下半年開始在其AirPod中使用VCSEL。具有VCSEL晶片設計能力的公司,全球只有少數幾家,例如Lumentum、Finisar、Princeton Optronics(已被ams收購)、Heptagon、ⅡⅥ等公司,而且大多從光通訊晶片領域轉型到消費電子市場。根據資料顯示,目前Lumentum是iPhone X的VCSEL晶片的主要供應商,而Finisar是第二大供應商,ams則是第三家供應商。

此外,ams透過收購Heptagon,補全了光學感應的產業鏈,向Apple提供3D感測中的WLO(3.5美元),目前除了ams外別無替代的WLO供應商,其技術壁壘很高。收購的Princeton Optronics則生產VCSEL,有望在2019年殺入Apple供應鏈。

據瞭解,目前ams具備從WLO介入VCSEL和CIS晶片(整合濾波器)能力。ams約有35%的營收來自Apple業務。展望未來,巴克萊分析師預測,2019年更多Android手機採用3D感測器將推動ams的收入增加到22億歐元。雖然目前ams沒有公佈任何Android新客戶,但分析師認為,包括中國大陸的華為、小米以及韓國三星都將成為ams的潛在客戶。而根據ams投資者關係部門負責人MoritzGmeiner的透露,目前ams正在新加坡建立內部VCSEL生產能力。

中國大陸廠商在VCSEL這塊起步相對較晚,但據說光通訊晶片企業光訊科技和華芯半導體都已具備了VCSEL晶片量產能力,另外,三安光電在2016年也切入了VCSEL產業。中國大陸新創公司縱慧光電也正在開發並試產VCSEL。不過目前這些企業大多針對光通訊領域,暫時還沒有能力針對手機3D感測市場量產VCSEL晶片。

誰將搶先量產?

在Apple的帶動下,中國大陸有一大批2D攝影機企業均在大力佈局3D攝影機模組,如瑞聲科技、大立光、舜宇、信利、歐菲光等,各家方案各有利弊。其中瑞聲科技重點佈局混合鏡頭,玻璃晶圓級鏡片極具優勢;大立光優勢在塑膠鏡頭端,但也有玻璃產能;舜宇光學ToF、散斑結構光、編碼結構光三大主流方案均有量產。值得一提的是,去年舜宇和ams簽署了合作協定,兩者產品線互補,預計將加快推出3D感測機型的速度,預計中國大陸OEM首批大眾市場3D感測機型將在2018年下半年推出。

目前結構光產業鏈一流供應商皆已被Apple鎖定,中國大陸廠商在Fliter(水晶光電)、模組(歐菲光)方面具備較強實力,但在VCSEL、DOE、WLO、IRCIS、3D影像處理晶片方面能力較為欠缺。拓墣產業研究院分析師黃敬哲表示,目前生產3D感測模組的技術門檻主要有三:第一,高效率VCSEL元件生產不易,目前平均光電轉換效率僅約30%;第二,結構光技術的必要元件DOE以及紅外光鏡頭的CIS,都需要極高的技術底蘊;第三,3D感測模組生產過程需考慮熱漲冷縮的問題,提高模組組裝的困難度。這些因素導致現階段中國大陸3D感測供應商的生產良率仍低。

iPhone X的3D感測模組主要是由LG旗下的電子零件製造商LG Innotek供應。要在手機中採用3D感測實現人臉辨識等應用,還必須搭配主晶片中的「神經引擎」演算法。所以高通目前正在聯合奇景光電(Himax)提供3D解決方案,去年高通宣佈下一代驍龍處理器將支援紅外3D感知技術,並且聯合Himax推出了三款基於Qualcomm Spectra ISP技術的攝影機模組專案,其中就一款是就是基於結構光3D感測技術的攝影機模組。由高通提供演算法技術,奇景提供模組。高通似乎還與信利也進行了合作。而傳聞中的小米7或將首發搭載。但是有消息稱,因高通的軟體調適進度落後,臉部辨識成功率偏低,小米搭載3D臉部辨識功能的機型可能將延至第三季推出。

雖然高通+奇景的3D感測方案是目前Android陣營當中相對更為成熟的方案(其內部的DOE/WLO等多個核心元件都是基於奇景的自有技術),但是受限於需要採用高通的驍龍845晶片或者更新一代的晶片,所以三星、華為等廠商的旗艦手機可能不會直接採用,而是更為傾向于開發自己的3D演算法。

據稱華為已經完成3D攝影機相關設計,目前接收端已經完成挑選。預計在4月份發射端供應鏈可形成,預期今年下半年旗艦機中華為Mate11將會首次搭載3D攝影機相關功能。有傳言稱,華為的3D演算法將由自己提供,光學部份由舜宇提供。不過也有消息稱玉晶光已打入華為,躋身為華為3D感測接收端鏡頭供應商。

20180629_biometrics_NT61P5

而聯發科技(Mediatek)也打算以APU供應商的角色加入3D感測戰場,打算以卷積神經網路(CNN),透過類似於Apple的神經引擎來支援生物辨識。目前聯發科技已經投資了奧比中光,該公司創辦人兼董事長黃源浩此前接受媒體採訪時表示,奧比中光Astra P研發成功後,已與中國大陸Top3的手機廠商展開合作,目前已經取得實質性進展。雖然沒有公開宣佈,但幾天前OPPO發佈的3D結構光技術就是採用的奧比中光的Astra P模組。目前聯發科技全新的P系列晶片平台將支援奧比中光3D感測攝影機,

奧比中光的核心技術優勢在於,晶片、光學、演算法、SDK整體一套都是自己團隊研發。從奧比中光近期公佈與Applei Phone X的3D感測對比結果來看,奧比中光的3D感測模組已經達到了接近iPhone X的水準。

在中國大陸市場,類似於微信支付、支付寶等行動支付方案已經成為手機用戶剛需,也就是說「只要支付寶認定哪種3D感測技術夠好,就會被中國大陸市場認可。」巧合的是,阿里旗下的螞蟻金服成為了奧比中光投資方,這有可能進一步左右手機廠商對3D感測供應商的選擇。

中國大陸另一家較早佈局3D結構光技術的公司是華捷艾米。據悉華捷艾米針對手機的3D感測器將在今年Q4量產。而立普思雙目3D攝影機模組正在與歐美系、台系智慧型手機廠商進行研發試樣階段,預計今年底至2019年初將正式量產。據瞭解,英特爾Real Sense雙目深度攝影機技術也在設計小型化方案,有望載入智慧型手機。立普思也是英特爾雙目方案的軟體演算法供應商之一。

除此之外,指紋廠商也在緊密關注3D感測產業的發展,並且有一些廠商已經提前佈局。在今年4月舉行的匯頂科技投資者交流會上,匯頂宣佈其3D人臉辨識解決方案將在今年底明年初完成第一代商用產品開發。

據介紹,匯頂的3D方案將圍繞以下幾個方面的問題有所突破:1.功耗問題。導入3D人臉辨識的同時並不希望導致手機使用時間縮短;2.成本問題。對Android和Apple手機來說,它的適用人群和手機銷售價格都差異非常大;3.交付能力。除了匯頂以外,預計到7月份還會有一些新玩家加入3D感測的競爭熱潮中。

生物辨識的終極解決方案是?

無論是ToF或結構光技術,都是滿足人臉辨識應用的一種手段,且各有優劣利弊,除了技術上的差異之外,其中當然也包含成本、技術門檻與產品效益等問題。蔡卓邵表示,結構光模組大約須要20~30美元的零件成本,而這些成本是否可以給廠商帶來同等值的效益回饋,這是廠商須要思考的一部份。

20180629_biometrics_NT61P6 iPhoneX的光學中樞系統成本(來源:Yole Developpement與System Plus Consulting)

據瞭解,目前雙攝影機模組成本目前約在12~25美元,是單攝影機的1.5~3倍;iPhone所使用的雙攝影機規模更為高階,成本預估超過30美元。此外,雙攝影機模組的組裝良率比一般模組要低5%~15%。對於Android陣營來說,其結構光模組至少要做到15美元左右,才有可能挑戰iPhone X的系統成本。

實際上,即使是iPhone X的3D方案也不是沒有安全隱患,在實際測試中,雙胞胎或多胞胎都可以直接解鎖Face ID,相對於獨一無二的指紋和虹膜,3D解鎖的安全性其實不如Touch ID。因此筆者認為,未來Android陣營應該仍然是以指紋辨識為主。考慮到Android陣營的3D方案可能在技術上跟iPhoneX有一定差距,因此不少廠商可能會在背面增加一個兩美元左右的普通指紋模組。至於3D方案和螢幕指紋同時存在的可能性不大,因為成本過高,而且在設計上沒有必要。

不過,根據近日Apple的一項專利——用脈衝輻射檢測靜脈成像。Apple表示可以用紅外線檢測的原理來得到皮膚下方靜脈血管的影像,然後將其用作生物辨識,這樣一來辨識的安全性和準確性將會變得無與倫比。由於靜脈也是獨一無二的,所以這種靜脈檢測技術其實已經應用到指紋辨識中,並被稱為「活體指紋」。未來有可能透過TrueDepth相機陣列實現3D結構光+靜脈檢測功能,到時候「活體3D人臉辨識」可望成為手機生物辨識的終極解決方案。