活體3D人臉識別，可能成為手機生物識別的終極解決方案

在創新性技術的競爭中，蘋果往往憑借其龐大的研發預算以及對供應鏈的強大掌控力處于領先地位，并讓Android陣營跟隨自己的創新腳步。

2013年，蘋果收購Authentic，首次將指紋識別技術導入iPhone/iPad中。以三星、華為為代表的Android手機陣營隨后跟進，讓指紋識別技術成為智能手機標配。

2017年，蘋果在iPhone X中推出了采用3D傳感技術的Face ID，這使得Android陣營中以指紋識別為主的生物識別技術路線發生重大變化。一部分Android手機廠商仍沿用指紋路線，將前置、后置指紋識別升級為屏下指紋識別傳感器，以滿足指紋解鎖和全面屏設計的雙重需求。另一部分則轉向與iPhone類似的3D傳感人臉識別技術，不過由于關鍵器件被蘋果壟斷，這意味著Android陣營的大規模采用可能要到2019年。
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站在生物識別的岔路口上，未來Android陣營的發展重點究竟是屏下指紋識別還是3D傳感？影響相關技術普及的瓶頸在哪里？為何ams這家公司會在短時間內異軍突起？3D傳感領域會否誕生新的FPC或匯頂？為何高通、聯發科技、Intel等主芯片紛紛布局3D領域？本期封面故事將為您帶來生物識別技術在手機領域的供應鏈現狀及最新趨勢。

入門級指紋已是紅海，屏下指紋玩家都有誰？

自蘋果在2013年首度在iPhone上導入Touch ID后，指紋傳感技術在Android陣營迅速成長，到2017年具有指紋識別的智能手機已占總出貨量的60%以上。

然而，隨著2017年智能手機增速放緩，指紋芯片在手機中的應用逐漸飽和。傳統的電容指紋技術趨于成熟，而技術成熟則帶來了價格戰。眾多國產廠商如思立微、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到降價潮中。

據了解，目前普通的電容式指紋模組平均價格一路下行，2015年一顆芯片價格約4美元，到了2017年平均價格下降到2美元，部分廠商甚至報價1美元?！盀榱藫屨际袌?，不到一成甚至賠錢出貨的廠商大有人在?！边~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，更何況被占據利潤高地的FPC等大廠商“降維”打擊。有業內人士預測，指紋芯片將會類似于觸控產業，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?！?/p>

由于屏下指紋識別感測技術的銷售凈利遠高于傳統指紋識別解決方案，匯頂、信煒、邁瑞微等國產指紋廠商為了擺脫低價競爭，正在大力投入到屏下指紋技術的研發中。

根據IHS Markit最新的《2018年顯示屏指紋技術與市場報告》，預計2018年使用屏下指紋傳感器的智能手機出貨量至少將達到900萬臺，到2019年將會超過1億臺。最激進采用屏下指紋的廠商是vivo，早在vivo Xplay6時就搶先采用了柔性屏超聲波方案，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屏幕特定區域的指紋識別。而vivo X21也成為全球真正量產級的屏下指紋版手機。第二個加入屏下指紋陣營的是華為的Mate RS。據說OPPO的屏下指紋識別專利技術已經獲得批準，OPPO也有可能成為第三家采用屏下指紋解鎖的手機品牌，將有希望在OPPO R15s中采用屏下指紋。vivo產品經理韓伯嘯表示，之所以如此激進，是因為業界都在等三星的一攬子方案（屏幕和屏下指紋識別模組貼合），“但三星還做不了貼合，我們不能等?！?/p>

據了解，目前領先的屏下指紋提供商包括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年就率先發布UnderGlass 光學式方案的Synaptics。國內指紋識別芯片廠商匯頂科技也積極研究屏下指紋技術，在Computex 2017臺北電腦展上通過改裝的三星Galaxy S7 edge展示其屏下指紋進展，不過只能在AMOLED屏幕上使用，解鎖的速度也還未達到傳統觸摸式指紋的程度。MWC 2018上，匯頂科技發布其第二代屏下光學指紋技術，特點是性能更優異、用戶體驗更佳，預計2018年內實現大規模量產。

根據vivo展示的封裝層次來看，依次是屏幕保護玻璃、AMOLED堆疊層+指紋識別傳感器、指紋識別模組的PCB。由于將指紋識別傳感器和AMOLED堆疊層做到了一起，利用OLED像素之間的空隙進行指紋的掃描，采集到指紋信息的關鍵點進行解鎖，因此目前光學指紋只能用于OLED材質。

超聲波屏下指紋才是未來趨勢？

屏下指紋目前也分為兩個技術路線，包括光學式屏下指紋和超聲波屏下指紋。超聲波屏下指紋在識別指紋時不用屏幕開啟最高亮度，超聲波傳感器發出的脈沖可以感應指紋特有的孔和脊，形成3D的深度數據。與光學屏下指紋技術相比，具有更高的準確性。從安全性上來看，光電方案是平面的，超聲波方案是立體的，安全性后者更高。此外，超聲波信號具有較好的穿透性，可在實現對于指紋識別的同時，能降低手指污垢、油脂以及汗水的干擾，在水下也不會對解鎖產生影響，適用范圍更廣。據了解，雖然基于超聲波的屏下指紋技術產量較低且部件較貴，但超聲波比光學屏下指紋要準確得多。

目前來看，超聲波方案似乎還未成熟。小米5s上曾經用過高通超聲識別方案，當時效果并不理想。2017年6月，高通發布的第三代超聲波指紋識別方案，現場演示智能將手指放在屏幕的固定區域進行識別才能解鎖，與目前的光學式指紋方式類似。此前華為榮耀10就采用了高通的超聲波指紋識別方案。今年下半年華為的旗艦Mate系列，或者命名為Mate20，將會再次使用超聲指紋識別。這套方案采用的是高通新的超聲波指紋傳感解決方案，能夠把傳感器直接嵌入在玻璃或金屬底下，并在顯示面板上的任何位置捕捉指紋。

2017年FPC發布的超聲波指紋同樣支持在手機顯示面板任意位置捕獲與識別使用者的指紋，支持OLED和LCD顯示屏。三星的合作伙伴CrucialTec也在2017年12月獲得了與DFS（顯示屏指紋解決方案）相關的美國專利，并宣布2018年正式商用。據說三星和蘋果都計劃在2019年的Galaxy S10和下一代iPhone上采用超聲波屏下指紋。而蘋果也將采用自己研發的基于超聲波的屏下指紋技術。

不過，目前屏下指紋識別技術的整體反應速度還不如傳統電容指紋識別技術，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采用成本較低的傳統電容式指紋辨識技術。未來如果要將屏下光學指紋的成本控制在8美元以內，需要國產OLED屏如京東方等的全力配合。

3D傳感成下一風口，安卓陣營誰將追上蘋果？

盡管各大廠商都在積極布局屏下指紋技術，但蘋果在iPhone X中去掉Touch ID轉而采用3D 傳感技術的Face ID還是對整個手機行業產生了重大影響。部分Android陣營也開始轉而采用蘋果類似的3D傳感技術，不過由于關鍵器件被蘋果壟斷，3D傳感技術在Android陣營的大規模普及可能要到2019年。在此之前，有不少廠商采用2D攝像頭+指紋識別的方式來實現部分的人臉識別功能，但這種方式并不安全，很容易被破解。

圖1：3D傳感技術市場預測。 （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傳感只在手機正面，和攝像頭一樣，未來一定在背部也會有3D傳感的模塊。據產業鏈了解，預計2019年Apple會大概率上馬后置3D傳感。并且背部由于對于感應距離的要求更高，后置3D傳感模塊的各個環節ISP也會高于前置。

咨詢機構Yoledevelopment預測，受益于消費電子市場可以預見的爆發式增長，3D成像與傳感市場將從2016年的13億美元增長至2022年的90億美元。用于消費電子的3D成像與傳感市場將從2016年的2000萬美元增長至2022年的60.58億美元，CAGR達到158%。Gartner則預測，到2021年，40％的智能手機將配備3D傳感模塊。

圖2：3D傳感攝像頭市場滲透預估。

展望2018年，TrendForce旗下拓墣產業研究院預估，全球智能手機3D傳感器滲透率將從2017年的2.1%成長至2018年的13.1%，蘋果仍將是主要的采用者。

一些具有3D傳感功能的Android手機已經少量投放市場，比如去年發布的AsusZenFoneAR，但是這些型號并沒有像iPhoneX那樣使用傳感器進行面部識別。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傳感重新受到市場關注。

雖然華為榮耀在2017年發布的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像頭配件，談不上真正商用的3D 結構光Android手機。除了蘋果，三星和華碩外，中國的小米、聯想、華為，OPPO等智能手機品牌都計劃推出具備3D傳感功能的新手機。

三大3D傳感技術及供應鏈對比

圖3：三大3D傳感技術比較 （來源：Yole Developpement）

目前3D傳感技術主要分為三大主要方向：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、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。

由于目前針對手機領域主要采用結構光和ToF技術，因此以下不再討論立體相機路線。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局快門NIR攝像頭；ams、HiMax、Namuga以及歌爾則提供結構NIR照明組件；此外相關的3D重建軟件的供應商則包括Apple Primesense、Mantis、Namuga與奧比中光（Orbbec）。

至于ToF方案，事實上包括ams和ST都提供ToF接近探測器，但只支持幾個像素，兩家公司都還未開發ToF攝像頭。至于pmd、Sony/Softkinetic則提供ToF鏡頭，而Osram、Lumentum、Finisar與ams則提供NIR照明組件。其中pmd是全球唯一將深度傳感器成功植入手機的ToF技術提供商。在今年的CES2018展會上，首次展示了其最新的3D圖像傳感器IRS238XC，同時展示了基于此傳感器的全球最小3D攝像頭模組，尺寸僅為12mm×8mm，它將使ToF深度傳感3D攝像頭變得更加易于集成。

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器件。而結構光發射器當中又包含了光學衍射組件（DOE）、準直鏡頭（WLO）和VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直共振腔表面放射激光）等關鍵元器件。結構光發射器原理就是VCSEL發出940nm點激光之后，通過WLO準直鏡頭校準為線性激光，然后線性激光照射在DOE上發生衍射，形成近千個具備調制信息的光斑。這其中VCSEL可以說是最為核心的關鍵器件。iPhoneX中就使用了三顆VCSEL芯片。

為何說ams是3D傳感技術最佳卡位者？

在結構光的3D傳感路線中，價值最高的兩個環節是：VCSEL激光器，價值3美元，大約占總價值的32%；WLO，價值3.5美元，大約占總價值的38%。LED inside預測，到2020年，由VCSEL和EEL組成的紅外激光模塊市場將達到19.53億美元。按照當前VCSEL成本1.5~3美元計算，移動端VCSEL市場空間將達到6.5~13.5億美元，給當前VCSEL市場帶來20%~30%的增長。

蘋果自2016年下半年已開始在其AirPod中使用VCSEL。具有VCSEL芯片設計能力的公司，全球只有少數幾家，例如Lumentum、Finisar、Princeton Optronics（已被ams收購）、Heptagon、ⅡⅥ等公司，并且大都是從光通信芯片領域，轉型到消費電子市場的。根據資料顯示，目前Lumentum是iPhone X的VCSEL芯片的主要供應商，而Finisar是第二大供應商，ams則是第三家供應商。

此外，ams通過收購Heptagon，補全了光學感應的產業鏈，向蘋果提供3D傳感中的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年殺入蘋果供應鏈。

據了解，目前ams具備從WLO介入VCSEL和CIS芯片（集成Filter）能力。ams約有35%的營收來自蘋果業務。展望未來，巴克萊分析師預測，2019年更多Android手機采用3D傳感器將推動ams的收入增加到22億歐元。雖然目前ams沒有公布任何Android新客戶，但分析師認為，包括中國的華為、小米以及韓國三星都將成為ams的潛在客戶。而根據ams投資者關系部門負責人MoritzGmeiner的透露，目前ams正在新加坡建立內部VCSEL生產能力。

國內廠商在VCSEL這塊起步相對較晚，但據說光通信芯片企業光訊科技和華芯半導體都已具備了VCSEL芯片量產能力，另外，三安光電在2016年也切入了VCSEL產業。國內初創企業縱慧光電也正在開發并批量試產VCSEL。不過目前這些企業大多針對光通信領域，暫時還沒有有能力針對手機3D傳感市場量產VCSEL芯片的企業。

主芯片商紛紛綁定國產3D廠商，誰將搶先量產？

在蘋果的帶動下，國內一大批2D攝像頭企業均在大力布局3D攝像頭模組，如瑞聲科技、大立光、舜宇、信利、歐菲光等，各家方案各有利弊。其中瑞聲科技重點布局混合鏡頭，玻璃晶圓級鏡片極具優勢；大立光優勢在塑料鏡頭端，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簽署了合作協議，兩者產品線互補，預計將加快推出3D傳感機型的速度，預計中國OEM廠商首批大眾市場3D傳感機型將在2018年下半年推出。

目前結構光產業鏈一流供應商皆已被蘋果鎖定，國內廠商在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圖像處理芯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傳感模組的技術門檻主要有三：第一，高效率VCSEL組件生產不易，目前平均光電轉換效率僅約30%；第二，結構光技術的必要組件DOE以及紅外光鏡頭的CIS，都需要極高的技術底蘊；第三，3D傳感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國內3D傳感供應商的生產良率仍低。

iPhone X的3D傳感模組主要是由LG旗下的電子零部件制造商LG Innotek供應的。要在手機中采用3D傳感實現人臉識別等應用，還必須搭配主芯片中的“神經引擎”（neural engine）算法。所以高通目前正在聯合Himax提供3D解決方案，去年高通宣布下一代驍龍處理器將支持紅外3D感知技術，并且聯合Himax（奇景光電）推出了三款基于Qualcomm Spectra ISP技術的攝像頭模塊項目，其中就一款是就是基于結構光3D傳感技術的攝像頭模組。由高通提供算法技術，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，因高通的軟件調適進度落后，臉部識別成功率偏低，小米搭載3D臉部識別功能的機型可能將延至第三季推出。

雖然高通+奇景的3D傳感方案是目前安卓陣營當中相對更為成熟的方案（其內部的DOE/WLO等多個核心器件都是基于奇景的自有技術），但是受限于需要采用高通的驍龍845芯片或者更新一代的芯片，所以三星、華為等廠商的旗艦手機可能不會直接采用，而是更為傾向于開發自己的3D算法。

據稱華為已經完成3D攝像頭相關設計，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攝像頭相關功能。有傳言稱，華為的3D算法將由自己提供，光學部分由舜宇提供。不過也有消息稱玉晶光已打入華為，躋身為華為3D傳感接收端鏡頭供應商。

而***聯發科技（Mediatek）也打算以APU供應商的角色加入3D傳感戰場，打算以卷積神經網路（CNN），通過類似于蘋果的神經引擎來支持生物辨識。目前聯發科技已經投資了奧比中光，奧比中光創始人兼董事長黃源浩此前接受媒體采訪時表示，奧比中光Astra P研發成功后，已與國內Top3的手機廠商展開合作，目前已經取得實質性進展。雖然沒有公開宣布，但幾天前OPPO發布的3D結構光技術就是采用的奧比中光的Astra P模組。目前聯發科技全新的P系列芯片平臺將支持奧比中光3D傳感攝像頭，

奧比中光的核心技術優勢在于，芯片、光學、算法、SDK整體一套都是自己團隊研發。從奧比中光近期公布的與蘋果iPhone X的3D傳感對比結果來看，奧比中光的3D傳感模組已經達到了接近iPhone X的水平。

在中國市場，類似于微信支付、支付寶等移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傳感技術夠好，就會被中國市場認可?！鼻珊系氖?，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傳感供應商的選擇。

國內另一家較早布局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傳感器將在今年Q4量產。而立普思雙目3D攝像頭模組正在與歐美系、臺系智能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。據了解，英特爾Real Sense雙目深度攝像頭技術也在設計小型化方案，有望載入智能手機。立普思也是英特爾雙目方案的軟件算法供應商之一。

除此之外，指紋廠商也在緊密關注3D傳感行業的發展，并且有一些廠商已經提前布局。在今年4月舉行的匯頂科技投資者交流會上，匯頂宣布其3D人臉識別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。引入3D人臉識別的同時并不希望導致手機使用時間縮短；2.成本問題。對安卓和蘋果手機來說，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到3D傳感的競爭熱潮中。

成本與安全，生物識別的終極解決方案是？

無論是ToF或結構光技術，都是滿足人臉識別應用的一種手段，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。拓墣產業研究院分析師蔡卓邵表示，結構光模組大約須要20~30美元上下的零組件成本，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分。

圖4：iPhoneX的光學中樞系統成本 （來源：Yole Developpement與System Plus Consulting）

據了解，目前雙攝模組成本目前約在12~25美元，是單攝像頭的1.5~3倍;iPhone所使用的雙攝規模更為高端，成本預估超過30美元。此外，雙攝象模組的組裝良率比一般模組要低5%~15%。對于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，相對于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識別為主?？紤]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。至于3D方案和屏下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，根據近日蘋果的一項專利——用脈沖輻射檢測靜脈成像。蘋果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圖像，然后將其用作生物識別，這樣一來識別的安全性和準確性將會變得無與倫比。由于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識別中，并被稱為“活體指紋”。未來有可能通過TrueDepth 相機陣列實現3D結構光+靜脈檢測功能，到時候“活體3D人臉識別”有可能成為手機生物識別的終極解決方案。