指纹识别的前世今生

指纹识别的前世今生

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「 挺好的手机,指纹怎么还放到背面? 」

「 旗舰机怎么指纹识别这么难用? 」

2016 年,指纹识别手机全面普及,功能、体验大幅提升。但面对大规模的量产和技术相对不成熟,即便是旗舰机也很难把控指纹识别这一关。那指导致体验不佳的原因是什么?为什么如此多厂商选择把指纹识别做到背面?指纹识别技术的发展都经历了什么?

一、指纹识别手机的前世今生

1998 年,西门子研发出世界上第一款具有指纹识别功能的手机,原型机,未量产。指纹识别刚兴起不久,西门子做了第一个吃螃蟹的人,向世界证明了手机搭载指纹识别的可能性。技术来自 Bromba 公司。

2000 年,法国 SAGEM 发布 SAGEM MC 959 手机,第一次实现指纹识别手机的量产。技术来自 ST Micro(意法半导体,已退出中国市场)。

2001 年,美国的 Handspring 公司发布 Handspring Visor 。指纹识别第一次被应用到 PDA 产品上。技术来自 FPC(FingerPrint Card)。

2003 年,日本富士通发布 F505i 。从 2003 年开始到之后将近十年时间里,富士通的指纹识别手机占据了整个指纹识别手机 70% 的市场份额。技术来自 Authentec 。

2011 年,摩托罗拉发布 MB860 ,世界上第一款搭载指纹识别功能的智能手机诞生。技术来自 Authentec 。

2011 年之前,从功能性和美观度来看,具有指纹识别功能的手机都华而不实。大多采用划擦式指纹识别。技术的落后,导致功能、美观、体验落后。坚持十年的富士通几乎颗粒无收。

2013 年,苹果发布 iPhone 5s ,世界上第一款正面按压式指纹识别手机。并将 home 键、支付等功能融合进指纹识别。技术来自 Authentec 。

同年,康佳 K5 发布,技术来自 FPC 。康佳是第一款做出正面滑动式指纹识别手机的合资企业。

2014 年 12 月,魅族发布 MX4 Pro,国产手机中首款安卓正面按压式指纹识别手机。成为除 Authentec 之外第一家做出正面按压式指纹识别的厂商, 技术来自汇顶科技,且 designed by 汇顶 in China 。

二、正反之争

由于技术的不成熟,指纹识别模组体积较大,为了减少对手机内部结构的影响,早期大多采用背面滑动式指纹识别。需要手指从上到下划过指纹识别器,然后芯片对指纹进行“快照”,把指纹图像拼接到一起,通过算法,判定指纹是否正确。滑动式指纹识别缺点是用户的学习成本较高,识别时间较长,优点是成本低。所以在一段时间内被众多厂商采用。摩托罗拉、三星、 HTC 都采用过滑动指纹识别技术。

随着技术发展,按压式指纹识别走上舞台。只需要将手指放在指纹识别器上,芯片会在短时间内对指纹进行多次采集,效率更高,易操作,识别时间更短,整个指纹识别模组的体积也逐渐得到较好的控制。

与此同时出现的问题是,按压式指纹识别在识别准确率、效率、易用性上都有了明显改善,但一直到现在也有很多厂商将指纹识别模组做在手机背面。这是因为什么?

1、Android 设计规范。Android 系统经历了漫长且繁荣的按键时代。从最初四个实体按键,到三个实体按键,再到三个虚拟按键,整个系统和第三方应用的设计规范、生态已经相当完善,如果这个时候在正面加上一个指纹识别,不单单影响美观和屏占比,还影响 Android 的设计规范,厂商需要对自家的 ROM 进行修改,从而使指纹识别按键与 Android 按键的功能相结合。并且 Google 也并不喜欢大家把指纹做到正面。就如前不久刚刚发布的 Google Pixel,指纹识别模组也在手机的背面。这也足以说明问题。

2、专利,商业竞争的核武器。2012 年初,Authentec 率先研发出正面按压指纹识别技术,向三星、苹果、诺基亚、LG 、富士等大客户展示,然而只有苹果对其感兴趣,将 Authentec 收购,并且不对外销售传感器,成了苹果的「御用」。三星 S5 由于受到专利的影响,不得不使用 Synaptics 的正面滑动式指纹识别。

3、微米级的取舍。经历了厚度大战,手机产品的厚度目前已无太大差距。同时技术和硬件的革新让普通 USB 接口走下历史舞台,越来越多的厂商采用数据传输、充电速度更快的 Type-C 接口。但 Type-C 接口的体积比 USB 接口要大,这就为做正面指纹增加了难度。很多手机厂商考虑到成本、内部构造设计和产品沿袭的设计语言,退而求其次选择了背面指纹。而采用正面指纹的厂商,则不得不把 Type-C 接口做的更贴近手机后盖,为指纹模组腾出空间。

把指纹做到背面的确能节省正面的手机空间,但能节省背面的空间吗?显然不能。如果把指纹识别做到背面,那指纹模组一定不能做在电池上面,也就是不能与电池重叠。只有把电池往下移(压缩),或者改变电池形状腾出空间采用高密度电池,把指纹做到背部偏上的位置。指纹识别的位置偏上,恰巧有利于单手用食指进行指纹解锁。

但背面指纹识别终究不是长久之计。当下手机的主板集成度越来越高,未来集成到主板的芯片只会更多,而更多的芯片、更多的功能带来更高的耗电量,电池也只能不断变大。其实未来想把指纹做到背面并非易事。

魅族作为先行者迈出了第一步,虽然 MX4 Pro 在当时的销量并不喜人,但的确也是一次很好的品牌营销,让魅族追求设计上极致的态度得到了大众认可。随后陆续有厂商跟进,也把指纹做在正面。

三、隐形潮流

2016 年 9 月,小米 5s 发布,雷军花了大篇幅来讲高通的超声波指纹识别技术,一时间也颇为轰动。但指纹识别的地方有一个凹陷,经查阅多方资料,个人判定:超声波虽然具有穿透性,但在超声发生器大小、频率和屏幕盖板的材质、厚度的影响下,其穿透能力也非常有限。所以小米在屏幕放置指纹识别模组的位置向下挖了一个凹槽。以此来控制玻璃面板的厚度,保证指纹识别的识别率和准确率。虽然不完美,但却使无孔指纹识别第一次受到如此高的关注。

2016 年 12 月,ZUK Edge 发布,指纹识别第一次被做到屏幕下面,实现了屏幕不开孔。采用汇顶科技的 IFS(Invisible Fingerprint Sensor 指纹识别与触控一体化技术)。但新的问题出现了,我们手机屏幕的玻璃盖板,普通2D玻璃盖板的厚度薄一点可以做到 0.4mm,比较流行的 2.5D 玻璃盖板厚度达到 0.7mm-0.8mm 。但指纹识别模组的识别信号不能穿透这么厚的 2.5D 玻璃盖板,其实当厚度在 0.3mm 的时候如果没有更加出色的算法进行补救,识别上就已经相当吃力了。

为解决厚度问题,FPC 和 LG 尝试在玻璃盖板放置指纹识别模组的位置的反面,挖一个凹槽,把指纹识别模组放在凹槽里面,从而解决盖板厚度问题。

ZUK 的解决方案就是挖凹槽。ZUK Edge 的屏幕玻璃盖板厚度为 0.75mm,ZUK 挖了一个 0.45mm 深的凹槽,成功的将指纹识别模组放在凹槽中,做到与屏幕平行,无突起,这得益于汇顶科技 IFS 指纹识别模组本身体积就很小。

三个方面看隐形指纹识别:

(一)隐形指纹识别对屏幕盖板有什么影响?

1、玻璃品质要求高

屏幕反面要挖凹槽,只有玻璃的品质更好,才能保证生产良品率和玻璃盖板强度。并且挖凹槽需要的工艺,加工方的流程会直接影响成本提升。所以很多人觉得 ZUK Edge 2299 元的售价微微偏高,根本原因就在于屏幕更贵了。一个外观型的创新和完善,ZUK 率先做出抉择,对这个小品牌来说着实令人钦佩,但对于外观型创新付出的技术成本而不得不提升售价,用户能否为其买单?

2、玻璃可靠性打问号

一块好好的玻璃被挖了个槽,就好像一面承重墙被挖了个洞。局部厚度只有 0.3mm 。虽然 ZUK 官方向外界公布 ZUK Edge 经过了严格的压力、弯折和跌落实验,但还是要对整块玻璃的强度打上一个问号。其实就算直接在玻璃盖板上开孔,其强度也肯定会受影响。

3、从此贴膜是路人

目前虽然实现了隐形指纹,让屏幕一体化,但贴膜这件事该怎样解决?目前康宁大猩猩玻璃的耐受能力还不足以完全应对生活中的所有场景。厂商费大功夫花大价钱实现的隐形指纹,让用户买了根剥了皮的香蕉?技术的创新带来体验的提升,而体验的提升也需要推动技术的提升。现在只是实现了隐形指纹识别,但伴随的问题是玻璃面板的耐磨耐刮程度都不尽如人意。只能希望隐形指纹的普及过程中也能让玻璃面板的耐受程度不断提升。否则,用户多花钱只能买到根娇气的剥了皮的软香蕉。

(二)IFS 对 ZUK 及智能手机有什么意义?

ZUK Edge 其实对 ZUK 来说似乎也是一款「概念机」,极致的大屏占比、高性能、隐形指纹识别......都不难看出这似乎就是未来 ZUK 手机产品设计的大方向。

联想手机业务近年来历经波折,业绩萎靡的同时,又在不断发力,摸索市场和用户,寻找新的切入点。在手机产品硬件差异化日趋减小的同时,有资本的厂商都希望开辟新的疆土。

新产品的认同感,产品的锐度,话题的密度正是当下 ZUK 最急需的三方面。IFS 技术无疑都或多或少的满足这三个条件。ZUK 一直主打中高端,但自身并没有太多硬件上的亮点,通过尝试新鲜技术,抓住硬件、技术控的心,同时还能制造大量话题进行营销,让普通消费者认识 ZUK 品牌。

当然,ZUK 在营销方面一直欠缺,这次还是没能例外。

对整个智能手机行业来说,每一次技术的革新都需要小白鼠为后人铺路。无论 ZUK 用 IFS 技术是出于什么理由,商业因素也好、营销因素也罢,ZUK Edge 无疑对隐形指纹技术进行了颇具价值的试探。同时,隐形指纹识别的诞生,意味着未来手机可实现正面不开孔、超大屏占比、无实体按键的设计。如果再采用骨传导等技术,就成了真正的「全面屏」。

(三)IFS 对汇顶科技有什么意义?

汇顶科技从最初奄奄一息的无名小厂,到如今盈利几亿且成功上市,技术的发展是根本因素。与魅族合作后一路走红,不断地增加研发支出,诞生了今天的 IFS 技术。诺基亚、中华酷联、东芝、西门子、NEC 等厂商都与汇顶科技展开合作,也使得中国厂商有了与国际厂商抗衡的资本。

此外,ZUK 此次采用汇顶科技的 IFS 技术,能够帮助汇顶验证 IFS 技术量产的可能性,并且可以收获大量的市场反馈和信息,从而不断对技术进行改进。毕竟 IFS 技术在 2014 年 9 月就已经面世,时隔两年多,经过层层技术迭代才完成量产。

除了已全面普及的正、反面指纹识别,还有厂商尝试在手机的侧边框和电源键上。这无疑也是一种“隐形”的好方法。但在边框上开孔会不会对材料有要求?会不会对整机的强度产生影响?机身厚度会不会有所增加?如果做在电源键上,电源键面积增大美观性能否兼顾?识别准确率怎样保证?做在电源键上真的更加实用了吗?

四、畅想未来

2016 年 12 月,Synaptics 发布首款移动设备的光学指纹传感器,不开孔的同时,支持最大 1mm 的玻璃盖板。

目前已有两家厂商实现不开孔的指纹识别,苹果在 iPhone7 上也取消了 home 键的按动功能,under glass 的大潮预计最早在今年 4 到 6 月份大范围普及。

如今已有消息传出,已实现指纹识别与屏幕一体化技术,意味着真正的「全面屏」或许就在不远的将来。IFS 技术也会成为手机形态进化过程中的一大转折点。

但每一次技术的革新都诞生也牺牲了无数悲情英雄,如第一个向世界证明指纹识别手机可能性的西门子;第一次量产指纹识别手机的 SAGEM ;坚持十年研发指纹识别手机却颗粒无收的富士通......这些品牌、这些产品,逐渐走出大众的视野。

可喜的是,这一切都在进步着。在智能手机发展的时间线上,我们又向前迈出了一步。

参考文献及资料:

1、touch-display-integration-smartphones-tabletsgCSf9H-Synaptics

2、基于ARM的指纹识别模块的研究与开发_黄林波

3、基于嵌入式应用的指纹识别技术研究_赵应丁

4、指纹识别系统研究_杨雪

5、自动指纹识别系统关键技术研究_王玮

6、自动指纹识别系统中若干关键问题研究_梅园

7、电容感应式指纹传感器工作原理和性能分析

8、国内外主要指纹识别芯片厂商分析-电子工程网

9、生物识别:按压和滑动式指纹识别解析-全球安防网

10、隐藏式指纹识别离我们到底有多远-笔戈科技

11、细聊指纹识别发展史:原来1998年的手机上就有了-笔戈科技

12、汇顶科技全系列指纹产品及战略规划全面解析-电子工程网

13、指纹仪的基本原理-长春方圆光电技术有限责任公司研发部

14、群雄割据 一图看懂手机指纹识别行业大事记-电子工程网

声明:

1、文中第二小节凹槽部分「 Cover Glass Cutout 」图片来自于笔戈科技邓邓大人《隐藏式指纹识别离我们到底有多远?》

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