1月16日,中國社交App圈還沒消停,手機圈又熱鬧了一把。一項低調的OPPO在這一天下午2點半舉辦了一場主題叫「十所為見」的技術發表會,發佈了兩項高調的新技術,分別是10倍混合光學變焦技術和光域螢幕指紋技術。

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OPPO推出的光域螢幕指紋,是目前主流光學方案的反覆運算產品,使用者點按整個區域內的任意位置都可以透過指紋解鎖或支付。OPPO表示其有效辨識區域也達到了目前主流光學方案的15倍。此外,更大區域還讓OPPO可以支援獨特的「黑屏盲操作」、雙指同時錄入與認證、以及「光域加密」功能。OPPO不僅承諾搭載光域螢幕指紋技術的產品將於2019年推出,也大方地也在活動現場拿出了工程機給大家體驗。

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巧的是,就在同一天,小米也介紹了類似的技術。小米總裁林斌在微博表示,經過了大半年時間,終於攻破了螢幕指紋一鍵錄入和大範圍盲解兩項難題。而兩家中國市場前五大廠商在同一天,間隔5個小時發佈新一代螢幕指紋技術,讓吃瓜群眾有了新的談資,紛紛討論到兩家技術究竟誰強?更有趣的是,在OPPO發佈之後,也有數碼部落客開始曝光一周後vivo將推出全螢幕螢幕指紋,讓手機指紋這個話題著實狠狠刷了一把存在感。

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這個小米搶發、OPPO首發、vivo未發的指紋技術到底是什麼?要把這個問題解釋清楚,首先要說明白我們為什麼需要螢幕指紋?

「蘋果效應」的失效

指紋,自人類文明出現以來一直是個人身份獨特標誌和符號,目前還沒有發現有兩個人的指紋完全相同的情況。1858年,印度公務員William Herschel在合約背面印上掌紋,生物辨識作為一種身份驗證形式自此誕生;1903年,紐約警方開始使用指紋來辨識罪犯;而直到2013年後iPhone 5S的推出,才將指紋辨識的應用普及到了普通老百姓的生活中。雖然摩托羅拉(Motorora)在2011年發佈首個採用指紋技術的手機——MB860,但劃擦式指紋辨識速度過慢問題,導致那一階段指紋並沒有大範圍應用。

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「蘋果效應(Apple Effect)」讓普通大眾對生物辨識技術的看法發生了根本性轉變,從侵犯隱私搖身變成了快速便捷的付款方式。短短4年間,隨著電容式指紋辨識技術成熟、良率提升、成本下降,即便千元以下的智慧型手機也開始大量搭載指紋辨識。有資料表示,中國2018年智慧型手機指紋辨識的滲透率預計超過90%。

但指紋辨識如果只用來解鎖設備,其實並沒有比輸入4位元數位密碼快多少。真正讓手機指紋辨識系統被廣泛接受和使用的,是手機錢包和行動支付。2014年末,Apple Pay和支付寶正式支援指紋支付;2015年6月,微信也開始支持指紋支付,利用指紋辨識,用戶一步步意識到:手機=錢包=銀行帳戶。

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而指紋辨識技術不僅直接與大家的銀行帳戶相關,也和我們的審美息息相關。2017年之前,手機普遍是16:9的螢幕+Home鍵的正面ID設計。然而隨著消費者逐漸對「蘋果臉」審美感到疲勞,新一代無邊框18.x:9全螢幕手機開始爆發。

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在這一時期內,背面指紋成為了Android手機的主流辨識方案。其原因就在於更長的螢幕擠到原來屬於指紋的空間,指紋辨識模組就只能「搬家」去別的地方,而背面的大塊「空地」顯然非常合適。

不過就使用體驗來說,背部指紋還是違反使用者本能操作邏輯。用戶想要解鎖就得拿起手機,而且一般都會有其他功能,比如付款功能整合在指紋辨識按鍵上,在沒有明顯視覺引導的情況下(傳統的正面Home鍵就肩負這個角色),用戶在使用這些功能時背部位置就顯得不夠直覺。如果一個技術需要使用者來適應機器,而不是機器自然適應用戶,那說明這個技術顯然是不合理的。

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側面指紋其實是個不錯的位置解決方案,既不會影響傳統的對話模式,又不需要在面板上開孔影響視覺觀感。但側面指紋也帶來不少問題:指紋模組的厚度會對螢幕的邊框寬度產生影響,而且在手機越來越薄、螢幕佔比越來越大的當下,允許側面指紋佔據的空間越來越小。不僅空間不允許,而且掃描面積的縮小也會嚴重地降低指紋辨識率,因此我們基本只看到Sony的手機採用這種側面指紋的方案。

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當然,大家也都想將指紋放在螢幕中,點觸螢幕就剛好辨識解鎖,不是一舉兩得的方便嗎?但問題就在於,由蘋果效應捧紅的電容式指紋的天生穿透力差,最多也就能透過400微米(µm)的厚度,而一般手機螢幕上的蓋板玻璃都超過500微米,用戶可能再貼個膜又增加400微米,所以電容式指紋感測器就不可能隱藏在螢幕裡。

於是,以光學指紋與超聲波指紋辨識為代表的「螢幕指紋+全螢幕」方案自2018年開始全面爆發,成為智慧型手機的追捧對象。

目前超聲波方案的主要玩家是現在天天跟蘋果打官司的高通(Qualcomm)。這家晶片巨頭在2016年隨著Snapdragon 820的發佈,推出了Sense ID超聲波方案。當年首發Snapdragon 820的樂視的樂Max Pro也宣佈採用這一技術,但尷尬是,樂視依然將指紋放在了背部,而不是螢幕裡面。另一款採用這一技術的前置凹槽指紋的小米5S。

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高通在2017年推出了更新超聲波方案Qualcomm Fingerprint Sensors,表示在前代基礎上實現全新增強特性,包括針對顯示器、玻璃和金屬的感測器、定向手勢檢測、水下指紋匹配和設備喚醒。也有傳聞稱三星(Samsung)將在2019年發佈的S10上將採用高通的超聲波方案。

而光學指紋方案,因為天生光天生穿透性強的優勢,更適合用來做螢幕指紋。不僅如此,光學方案從技術實現上更加成熟。因為在專業領域,例如支配我們上班的指紋打卡器、辦簽證時的指紋收集器等已近規模商用了多年,將這一套方案適配到手機上,比完全從零做起的超聲波要簡單不少。

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螢幕指紋的三代進化

市場似乎也已經證明了光學方案的優勢。目前中國的一線品牌、包含華為、OPPO、小米、vivo都推出了基於光學指紋方案的產品,比如華為Mate 20系列,OPPO R17系列、小米8螢幕指紋版,vivo NEX等。

光學屏下指紋辨識的方法,都是利用螢幕照亮手指,隨後手指的成像透過OLED螢幕的小孔,被螢幕下方的光學感測器所感知,進而比對辨識。

從已經商用的方案來看主要有兩代。第一代是基於CMOS感測器的小孔陣列準直方案。這種結構下,來自指紋的光線通過蓋板玻璃、OLED層以後,進入準直層,進而過濾掉折射和散射光線,到達感光元件的光線便是準直光,得到相對清晰的指紋影像,最終辨識指紋。

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第二代則是目前應用更普遍的鏡頭式方案。這一方案的本質是在螢幕下面裝一個攝影鏡頭,透過為手指拍照的方式來記錄和比對指紋資訊。這也是為什麼在點擊螢幕指紋區域的時候,辨識區域的亮度會增加的非常高,因為需要給手指拍照打個閃光燈。

但第一代和第二代螢幕指紋方案的問題就在於貴。手機的指紋辨識區域想要多大,就得採用多大的指紋感測器,同時因為兩代方案都採用了CMOS的感測器,也就是和相機、手機拍照攝影鏡頭一樣的感測器,如果要做成一塊區域,甚至全螢幕辨識的話,那這手機的售價估計會讓8848沉默,讓Vertue流淚。假設要做一個全螢幕的指紋,尺寸大概在100mm×75mm的話,那面積相約等於3個全畫幅(36×24)。以一片晶圓(4000美元)切出36片全畫幅感測器的標準來看,只能做12個全螢幕指紋感測器,而每一個感測器的成本,如果算上設計、製造等,估計在300~400美元。那這手機,僅僅做個指紋就要人民幣2,500元左右。

因此第三代方案應用而生,目的就是解決在增大辨識面積的同時,有效地控制成本。這一代方案在結構上與第一代類似,但是將感測器由CMOS換成了薄膜電晶體(TFT,薄膜光學指紋感測器技術)。因為不需要晶圓這一昂貴的原材料,所以極大地降低了成本。

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在1月16日活動上,OPPO的發言人在也明確提到了光域螢幕指紋是採用了TFT的方案。目前使用TFT方案的指紋供應商主要是上海的籮箕和日本的JDI。

螢幕指紋是一門平衡的學問

到這裡,實際上已經解決了開始提出的問題。新一代的螢幕指紋方案,依然是基於光學感應的方案,創新之處是將昂貴的CMOS替換為TFT感測器來擴大感應面積的同時控制成本。

但這又引出了另一個問題,都是採用一樣的技術原理,OPPO和小米的區域螢幕指紋還有區別嗎?答案當然是肯定的。不同品牌在基於原始技術設計功能的時候都會有不同的考慮,以及不同的能力。就像廚師做菜一樣,即使用一樣的原材料,炒出的兩盤菜口味也可能差別很大。

從公開訊息更多的OPPO來看,他們提出的光域螢幕指紋的更大的價值在於「黃金辨識區域」這個理念,從商用化能力和用戶體驗價值方面也略勝一籌。OPPO表示,他們在思考如何發掘出更進階、更實用、更懂使用者的螢幕指紋解鎖方案時,是透過對使用者實際使用螢幕指紋的場景來理解的。也正因如此,OPPO發現多數用戶在拿起手機進行指紋解鎖的時候,都是利用單手,用虎口和小拇指分別托住手機的下方,伸出大拇指按壓,然後解鎖,所以他們將一個位於手機中下部的區域位置定義為黃金辨識區域。

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手機螢幕尺寸從最初3.5吋,到4吋、4.7吋,再到後來5吋、5.5吋,乃至6吋,早已超出了單手操作的極限範圍。而OPPO透過對找到並定義一個舒適的單手操作區域位置,實際上能很好地適應用戶本能的握持和操作習慣。特別是對於新一代全螢幕手機來說,正面沒有明顯視覺引導的輔助,機器如何適應用戶的習慣就更重要了。上一代單點螢幕指紋多是利用使用者介面(UI)提示指紋位置來實現引導,本質上和home鍵的作用是一樣的,但是依然是機器在教用戶如何使用,而不是天生就符合用戶的習慣。

20190118NT61P14 光域螢幕指紋演示——黃金辨識區域。

此外,OPPO提出的雙指解鎖也具備比較大的潛力。從現場體驗的視訊看到,使用者在雙指錄入之後,只用一根手指是無法解鎖的,必須要兩個手指同時認證才能通過。

這種組合解鎖的方式可以極大的提升安全性,OPPO表示這種提升將是「指數級」的。實際上,這就是所謂的「雙重保險」,安全性得到提升是自然的結果。Synaptics曾在2017年推出過類似理念的產品,稱之為「多重生物特徵辨識融合引擎」,透過組合指紋+臉部的兩個生物特徵來實現雙重保險。但相比於指紋,利用前置攝影鏡頭完成的2D人臉辨識天生安全性比較低,這也是為什麼經常可以看到用列印照片就能破解手機人臉辨識的新聞。因此,指紋+指紋的組合安全性是會明顯優於其他形式的雙重保險。當然,如果能夠使用3D結構光+3D結構光的組合,安全性會比指紋更高,但是相信也沒有用戶會同意把現在iPhone XS Max上的劉海區域再擴大一倍了。

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更高安全性的意義絕對不在於日常的解鎖手機。正如上文提到的,讓指紋普及的一個重要原因是行動支付。而隨著更多支付或者其他財務相關,甚至包括企業級業務的數位化進程,比如銀行業務的全面數位化,再例如政務管理系統的數位化,如個稅抵扣申報,將會有很多情況需要高度精確和環境極度安全的身份驗證,而這個時候就是多重生物辨識,如雙指解鎖,能發揮優勢的地方。例如我們可以和家人為了存錢設立一個共有的銀行帳戶,而想要花錢的時候則必須通過兩個人同時的驗證,不會出現老公偷偷打賞女主播,或者老婆偷偷買了新包包的情況;此外,在公司中也可以將加密檔設置成這一解鎖條件,確保機密檔的安全性。

目前OPPO的演示中,雙指錄入和解鎖的速度還不是很快,推測原因是需要處理兩個指紋的影像資料,所以需要花費更多的時間。而單指解鎖速度則快很多,與目前的R17 Pro之類的光感螢幕指紋相近,也希望OPPO能在今年的產品中完善雙指速度這一部分。

20190118NT61P16 雙指解鎖可以大大增加安全性,單指就無法解鎖。

不過以目前指紋技術和市場接受的成熟度來說,提升解鎖速度並不是特別大的挑戰,因為目前指紋感測器都可以支援自學習的進化功能,甚至很多指紋鎖都在主打這個宣傳點。這也就是說用戶在每次使用指紋解鎖的同時,感測器也會不斷地學習用戶的使用習慣,並不斷最佳化匹配的演算法來提升辨識速度。手機廠商大可以降低用戶錄入指紋精準度的門檻來加速辨識,並在後期不斷通過自學習的方式進行完善,但這樣則會極大地犧牲使用初期的安全性。

而看到小米這邊,從視訊上可以看到小米與OPPO在黑屏盲操作上功能類似,但比較突出的特性是則一鍵錄入。與傳統指紋錄入需要十次左右的情況不同,小米的原型機只需要按一下就可以完成錄入,因為目前還缺乏更詳細的資料,所以尚不清楚小米是如何實現一個功能。但錄入指紋這一個場景,用戶在用一款手機的時候基本只會操作一次,以現在2年左右的換機週期來說,用戶也很可能2年內只會錄入一次指紋。因此這個功能在可拓展性上還有待挖掘,也期待小米能夠量產出有更多場景的功能。

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而參與這場指紋話題中的vivo,似乎拋出了一個更具高調的概念,也就是全螢幕指紋。全螢幕指紋在目前區域指紋的基礎上進一步擴大辨識面積,實際上賦予了用戶更大的靈活度和便捷性,用戶在完全盲操作的情況下也能實現解鎖,比如從口袋掏出手機的同時,只要手指接觸螢幕就能解鎖。與光域指紋類似,如果是全螢幕指紋的話,應該也可以支援雙指、甚至三指或四指錄入與辨識,將安全性推向極致。

從成本角度考量,vivo這次應該也是採用了TFT的方案,在本質上與以上兩家沒有實質性的差別。所以理論上來講,如果小米和OPPO採用更大面積的感測器,或者直接用兩個區域指紋感測器拼放起來,也能夠實現全螢幕指紋。但vivo在功能考量,以及是具體設計方面還有哪些獨特的優勢目前還不得而知。此外這一代APEX到底在指紋方面有哪些奇招,以及這一代APEX是否會在2019年上市開售也引人關注,而2018年初亮相的vivo APEX在一年時間裡沒有實現量產,也是一個遺憾。

全螢幕指紋在用戶體驗上來看應該是未來的發展方向。但在2019年這個時間點是否成熟還存在疑問。首先是成本原因,即使與CMOS相比TFT感測器極大地減低了成本,但是增加感測器面積依然會帶來成本的提高。TFT感測器在手機產業中仍然屬於未規模化的新技術,在發展初期成本的控制依然是個挑戰,隨著技術的規模化普及,成本必然會降低,畢竟所有技術都有著相似的歷史發展軌跡。例如單點螢幕指紋,雖然目前仍是高端旗艦的專屬(OPPO K系列和vivo Z系列除外)功能,但從TrendForce旗下拓墣產業研究院報告可以看到指紋模組的價格已經有明顯的下降。報告指出,2017年Synaptics的光學屏下指紋辨識成本尚需要12~15美元,但隨著匯頂、思立微等廠商的加入,預計2019年成本將有機會下降至8美元以下。

此外,手機內部空間的平衡則是讓人更感興趣的挑戰。手機內部寸土寸金已經是眾所周知的了,特別是在2019年這個5G元年,手機內部還要在已有的4G通訊模組基礎上增加5G的元件,這讓比北京環線還要擁擠的手機內部更難擠出空間給到擴大地盤的指紋模組。手機廠商可能會選擇增加機身厚度或者減小電池容量的形式來找補空間,但實際這已經是為了指紋而犧牲更重要的厚度和續航。蘋果的做法則是在厚度上做出一定妥協,從iPhone X開始將主機板做成了雙層,也將電池設計成L型排放,為的就是在保證全面功能的情況下依然為all day battery,但這也是iPhone越來越厚這一神秘現象背後的原因。

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總結來說,OPPO、小米、vivo的方案各有優勢與不足,而其根本原因在於每一家品牌是如何權重那些實際的影響因素。追求技術性能表現是科技公司的天性,但回到現實還得出商用化和用戶體驗維度出發,考慮快V.S安全、拓展性V.S.穩定性、面積V.S.續航/成本/厚度等等組合,而這個實際上是最影響使用者體驗的部分,當然也會影響成本。雖然羅永浩說過「都是供應商的技術,裝什麼孫子」這樣的名言、雖然中國的手機廠商確實在核心技術方面仍然主要透過採購來完成,但也並不能低估任何每一家在方案設計中的能力和價值。如果真的只是將供應商的提供的原材料直接提供給消費者,消費者也應該是吃不下去這道菜的,畢竟,現在的消費者已經吃的太好了。