屏幕指紋解鎖技術

2013年9月，第一款指紋解鎖的手機因運而生，從此我們就告別了輸入密碼解鎖手機的時代。指紋識別可以讓我們更加靈活的“使用”自己的指紋，只要將手指放到指紋識別傳感器上就可以輕松的完成識別過程。這種方法讓我們在日常使用中帶來了更多的方便與互動性，避免了額外繁瑣的識別過程。

指紋識別技術是目前最主流的生物識別方式，其應用普及程度遠超其他識別手段，比如虹膜識別、靜脈識別、人臉識別。但隨著工業設計的進一步發展，對技術的要求也越來越高，傳統的指紋解鎖技術不能滿足更苛刻的工藝水平要求。

在2017年7月的MWC展會上，vivo就率先發布了搭載超聲波指紋的Xplay6驗證機，隨后到X21、NEX以及X23等手機均搭載了屏幕指紋技術。時至今日，vivo在屏幕指紋技術的研究上也取得了更多的成果，最新的X23就搭載了第四代光電屏幕指紋解鎖技術。

為什么要用屏幕指紋技術？

傳統物理傳感器指紋解鎖方式

經過5年的發展，手機指紋解鎖已經變成了習以為常的事情，每次用手指去觸碰傳感器的操作方式也沒有什么不方便，那為什么還要出現屏幕指紋呢？

其實屏幕指紋的推進和演變，根本原因是伴隨著手機屏將向無邊框、全面屏的趨勢。由于全面屏概念的流行，傳統指紋解鎖無論采用正面刮擦或按壓方式解鎖，還是采用背面解鎖，都會影響手機等智能設備的外觀。

為了讓手機達到更高的屏占比，很多手機廠商將前置指紋解鎖均挪到機身背面成為后置指紋解鎖，也有不少廠商采用虹膜解鎖或面部識別等解決方案去替代指紋識別。

背部指紋解鎖

即為了追求更高屏占比，又考慮到成本和技術問題，大部分手機廠商對指紋解鎖的解決方式是把指紋實體按鍵放在機身背后。這種操作方式做的最好的手機是錘子，把后面的logo和指紋識別合二為一。但更多的是發生了設計上的尷尬，比如三星的note8就出現解鎖時，手指頭按到了后置攝像頭上。

劉海屏

而虹膜解鎖或面部識別的解鎖方式，必然會使用到前置的攝像頭和紅外傳感器等器件，正因為這個原因，所以才出現了尷尬的劉海屏。到目前為止，虹膜解鎖或面部識別等解鎖方式最理想的狀態，就是將屏幕正面的元器件放在屏幕下方，減少“劉?！钡某霈F，但該技術目前還并未真正出現。又或者將其盡可能縮小，只保留攝像頭。

還有一個比較極端的處理方式，就是OPPO Find X上運用的升降結構，但它的不足很明顯，就是每次識別解鎖都要升降一次，壽命和等待時間都是新的問題。

vivo NEX屏幕指紋

對于全面屏手機來說，傳統的正面指紋鍵已經成為一種限制，只得妥協采用面部識別+背部指紋的方案。因而無論是用戶還是終端商如今對并不算新鮮的屏幕指紋的渴望，都在同一時間達到頂峰。對于全面屏來說，屏幕指紋方案不僅能夠保證指紋識別使用的同時不占據任何區域，將屏幕的使用率提升至最高，同時在體驗上也絲毫不輸于早前的實體式前置指紋。對于大部分全面屏機型而言，屏幕指紋或許才是顏值/體驗兼顧的最佳解決方案。

物理按鍵消失的背后，屏幕指紋如何變為現實？

在手指解鎖的短暫的一秒內，你的手機需要完成以下四個步驟：獲取一張指紋的圖像；從圖像中獲取指紋信息；與備份的標準指紋信息進行比較；決定是否解鎖手機。

聽起來屏幕指紋的識別解鎖過程并不復雜，但實際應用到手機產品中卻不那么容易。縱觀當下手機市場，在屏幕指紋識別領域做得最好的當屬vivo了。

vivo指紋識別技術迭代時間軸

從2017年7月在上海MWC大會上推出超聲波指紋的Xplay6驗證機（屏幕指紋首次應用的成品機，并未上市銷售），到第四代光電屏幕指紋技術的X23，vivo在屏幕指紋技術上已經進行了較長時間的研究與優化。接下來我們就來看看vivo最新對屏幕指紋技術的理解與升級，如何將其變為打敗物理按鍵的新殺手锏。

在最新的vivo X23手機上，其搭載了第四代光電屏幕指紋技術。其硬件方面采用了F/1.5超大光圈和720dpi超高分辨率的指紋傳感器，大進光量成像更清晰的特點使識別率和解鎖速度得到提升。同時，在軟件方面X23的內部也擁有首幀優化技術，優化了原有的兩幀識別流程，建立了快速通道，使絕大多數情況下的解鎖速度顯著提升了40%。

結合軟硬件的兩方特點，第四代光電屏幕指紋技術就可以通過OLED屏幕的像素自發光作為指紋的光源，OLED發出的光經過屏幕上方的手指反射，穿過屏幕、 Lens等光學層返回到指紋傳感器，指紋傳感器通過感應指紋脊、谷反射光源能量的差異，形成不同灰度的圖像，再經過一系列圖像處理和比對完成識別。

屏幕指紋DSP技術

了解屏幕指紋的朋友應該知道，在低溫或者強光環境下，其實通過屏幕識別指紋會比較困難，在數據運算上相對復雜，對硬件性能的需求也更高，傳統單核CPU很難提供更順暢的體驗，無法做到與傳統物理傳感器一樣的效果。

其實這類問題的核心就在于TrustZone技術模塊的運作原理，TrustZone作為基于SoC平臺的安全框架，自指紋識別功能普及之初就肩負著相關數據的處理及運算。在傳統處理的方式中，TrustZone的安全和非安全世界數據的轉換和處理，全部依賴于CPU的一個獨立核來完成。

DSP工作原理

為了克服這樣的問題，vivo最新也公布了一項名為“屏幕指紋DSP加速技術”，它是vivo與高通合作開發的一款Hexagon DSP加速芯片。這塊Hexagon DSP加速芯片通過智能提升單項功能的能力并減弱CPU的運行壓力，從而實現解鎖速度的再次優化——解鎖速度從原有的600毫秒提升至300毫秒，結合SoC底層平臺的深度優化。

據官方數據顯示，DSP可以具備3倍于單核CPU的神經網絡運算能力，從而提升屏幕指紋解鎖的速度。應用于X23手機下，在刁鉆場景下的解鎖速度又實現了30%的顯著提升，該技術將會于10月份進行推送升級。

按鍵式 VS 屏幕指紋解鎖

屏幕指紋結構圖

屏幕指紋解鎖，和傳統指紋鍵解鎖不一樣的地方，主要在于獲取指紋圖像的方式。按鍵式解鎖使用的電容傳感器來解鎖手機，感受的是指紋的凹凸。電容傳感器通過將凹凸變成電壓大小，來錄入指紋信息。

類似的，手機觸屏使用的傳感器也是電容傳感器，但區別在于按鍵指紋解鎖對于精確度是指紋級別，而觸屏是指尖級別，比指紋大很多。需要達到指紋級別的清晰度，對于上層玻璃材料，傳感器密集度，以及和顯示屏合并為一體的技術都有難度。

屏幕指紋技術用的則不是電容傳感器，而是圖像傳感器。這類傳感器和相機上的傳感器類似，將光信號轉換成電信號，然后再復原電信號成為圖像。屏幕指紋的光學傳感器安放在OLED顯示屏的下面，透過半透明的OLED顯示屏來給屏幕上的指紋照一張相片。

vivo X23屏幕指紋識別

由于屏幕指紋技術依賴的是屏幕下的光學傳感器，所以對顯示屏的要求是：薄，半透明。由于傳統的液晶顯示屏存在需要打背光，需要多層偏光片的需求，顯示屏組成不透明也不薄，所以屏幕指紋技術只能配套OLED顯示屏

除了傳感器的不同，屏幕指紋技術和按鍵指紋技術在信息識別上非常類似。在獲取了指紋的圖像之后，會提取指紋中有特點的紋路，比如分叉和回路，然后比較和之前錄入指紋中相應特殊紋路的相對位置，來決定是否解鎖手機。

物理按鍵消失成必然，屏幕指紋將走的更遠

更大范圍的屏幕指紋解決方案

屏幕指紋技術還是給手機的發展帶了了質變：不需要指紋鍵，離手機能夠實現真正全屏更靠近了一步，從產品設計的角度來說打開了很多新的空間。

雖然目前屏幕指紋解鎖只局限于屏幕上的一小塊區域，理論上指紋解鎖可以覆蓋整個屏幕，只需要加大屏幕下方的光學傳感器大小。也許在不久的將來，簡單地把手放在手機上的動作就能解鎖手機。

vivo APEX概念手機

據vivo最新的技術展示，其概念手機APEX已經搭載了更大范圍的屏幕指紋解鎖技術。相比于已發售的屏幕指紋機型不同，APEX向我們展示的概念是通過多范圍的指紋捕捉空間，讓解鎖識別并不局限于某一小范圍內。

這樣的改變可以讓用戶拿起手機無需尋找直接在屏幕更大范圍內完成指紋解鎖動作，對于一些盲操作來說更加方便。最后，再配上屏幕指紋DSP加速技術支持，相信解鎖的速度和準確度也會有更大提升。

屏幕指紋技術是屏下各種技術的開始。屏下技術給產品設計帶來的變革，給用戶帶來的方便與快捷，都會讓這項技術有不少生機。