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全面屏时代的生物认证之争:人脸识别还是屏下指纹?

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加密和用户认证,是伴随着账号系统产生的需求。为了保证数据安全就需要加密,加密也就意味着需要认证解锁。QQ/微信/支付宝/微博/邮箱等网络工具越来越多,加密和用户认证的频次和安全要求也跟着提升。对用户认证的方便和安全性要求,催生出了复杂的密码和用户认证学科。

认证方式分为“知识因素(用户知道的)、所有权因素(用户拥有的)和用户自有特征”3种,这也是用户认证历史的发展路径:PC的交互方式主要是键盘和鼠标,最核心和基础的用户认证方式依旧是数字和字母密码。

在输入不便但带有大量隐私信息的移动端,最简单的数字PIN码到图形解锁,对应的是“用户所知道的知识因素”;
后来的NFC和蓝牙标签,对应用户的所有权因素;再后来的人脸和指纹等生物认证,对应的则是用户的自有特征。

百花齐放,脑洞大开的生物识别

用户认证最核心的是方便和安全性,用大白话讲就是需要别人难以破解,但用户却可以轻松完成认证。毫无疑问,生物认证才是用户认证的终极方式,这就是指纹识别可以在短短的4年间从高端功能变成了所有手机标配功能的核心原因。

生物认证远远不止指纹一种方式,其概念已经存在了数万年之久,最古老的例子莫过于人类自身通过人脸对其他个体的识别,不同个体之间的语音、步态、签名都是可用于生物认证的特征。

虽然人类漫长的进化史留下了多种多样的生物特征,但不同的生物特征及其认证机制的难易程度千差万别,最后能适用于移动平台的方案屈指可数。

目前应用最广泛,方案最成熟的生物认证方案主要包括指纹、眼睛、人脸/耳朵和语音识别有4种。当中的语音识别,是最早实现但却一直没有大规模使用的方案。录音和校对即可完成语音识别,但声音这个物理量本身的限制太多:负载信息极其有限、容易受环境音影响、甚至人类年龄和身体状况都会影响声音。

最致命的,是声音实在是太容易记录和复制了,即便是预设的语句校验,只要一定的运算量和时间,人工合成的声音就能欺骗认证系统,安全性有天然的缺陷。

眼睛识别的认证方案主要包括视网膜、虹膜和巩膜血管识别,它们分别对应眼球的底部以及大家俗称的眼珠和眼白。这些都是高度异像的生物特征,现在都只能通过光学的方式进行采集和认证。

当中的视网膜的位置太深入,难以采集图像,而虹膜、巩膜血管都可以通过普通的光学摄像头进行采样,且有一定的防伪造能力,应用场景更加广阔,早在1年前的Note7上,就已经大规模使用虹膜识别了。


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人脸和耳朵都是基于物理的深度信息进行认证,同样是光学识别方案,通过采集的图像和深度信息,对人脸和耳朵轮廓的特征点进行拟合。最著名的应用,肯定是苹果iPhone X的Face ID,当年的微软Kincet本质上也能有类似能力。

人脸认证可能会受到眼镜、帽子、毛发的影响,也会受到光学方案无法避免的环境光影响,用户年龄、疾病和体重都会导致面容的变化,苹果的方案为了减轻这方面的影响,主要通过人工智能深度学习和使用过程中的后台多重录入进行规避。虽然增加了工作量,但安全性已经非常高了。

生物识别中,最耳熟能详的肯定是指纹识别了。人类指尖皮肤上的脊会形成独特图案,几乎没有重复的随机特性是极佳的认证数据源。指纹和其他几种方案,最核心和本质的分别在于,指纹是接触式识别,可以留下压力、温度,甚至声学的信息,是现在识别方式最丰富的生物认证方式之一。

主流的指纹识别方案包括光学、电容、超声波、热感、压力等5种,当中的主动热感和压力指纹,分别受限于功耗和压感材料的热敏特性,暂时无法在移动设备中大规模应用。电容指纹识别,就是现在手机上应用最广泛的识别方案,瑞典FPC、中国汇顶、美国Synaptics都已经是业内耳熟能详的电容方案供应商了。

而最近兴起的主要有超声波识别和光学两种,而它们崛起的主因,却是大家都预料不到的全面屏。

大浪淘沙,全面屏时代“意外”到来

纵然生物识别多种多样,但决定它们未来的,是手机和移动领域的演进方向。虽然手机的终极形态还无人知晓,但大众对手机终极外观的幻想,早在十几年前的科幻片和概念图已经定型。正面只有屏幕的全面屏设计早就不是什么新鲜的概念,甚至夏普也早就有接近全面屏的产品线,但直到2016年,业界才正式开始向全面屏大步跃进。

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突如其来的全面屏浪潮,让听筒、光线/距离传感器、传统的正面指纹识这些部件统统都得让位。隐藏式听筒、超小的前置CMOS和屏下指纹技术逐一上马。但最难解决的,还是必须得面向用户,必须出现在屏幕旁边的生物认证部件和前置摄像头。

一下子,手机厂商可以选择的方案就剩下背面指纹、屏下指纹、虹膜和人脸识别了。

当中,因为屏下指纹技术还未大规模量产,三星在今年的旗舰Galaxy S8、Note8上一口气集中了背面指纹、人脸和虹膜识别几种方案进行互补,而小米、vivo、OPPO等国内厂商,也都对安卓几年前已经放弃掉的人脸识别进行了强化。

前置摄像头的无法规避,让安卓之父的Essential Phone、夏普AQUOS S2和苹果的iPhone X都毫无例外地保留了“额头刘海”,多少都会给人一种进化到一半的违和感。

值得一说的是,虽然苹果工程师澄清表示iPhone X最开始就没有考虑指纹识别方案,但极具讽刺意味的是,还有不少人认为,现在被炒得火热的Face ID其实只是屏下指纹的备选方案而已。无论是供应链消息、早期泄露的iPhone X原型机,还是公众的期待,指向的都是极具科幻气息的屏下指纹纹方案。

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Face ID主要由红外摄像头、泛光感应原件、点阵投影器3个部件构成。为了控制功耗,克服人脸上的障碍物和红外光点阵的安全性问题,最终Face ID的工作过程分为几个阶段。

第一阶是距离传感器检测到人脸或其他物体靠近后,触发第二阶的泛光感应元件发射非结构红外光。经过人脸的反射后的图像由红外摄像头接收,A11仿生芯片的双核神经网络引擎判断为人脸后,才触发点阵投影器。3万个红外光点投射到用户脸部后的反射光被红外相机捕捉,计算不同位置的深度信息并和安全隔离区里的模型进行匹配确认,这才完整走过整套识别流程。

虽然苹果为这套系统加入了前置虚化、安全等级更高的身份验证和颇有趣味性的动态人脸emoji功能,但元件多、功耗大、高度依赖深度学习处理器等问题,依旧是Face ID的命门。另外,苹果不可能向业界开放技术,即便其他厂商要造出类似的功能也得从零开始,暂时没有普及的可能性。

Face ID现阶段对硬件组装精度要求非常高,零部件偏差几微米都可能导致整个模块无法工作。在iPhone X量产之初,限制它产量的,居然不是标志性的全面屏,而是这个新鲜的面部识别模块。苹果面部识别方案背后依赖的神经网络处理器,也是另外一个限制其推广的大门槛,得有这个引擎才能提供足够低功耗和速度人脸识别,没有所谓的向下兼容可能性。

先不论苹果Face ID方案推广和普及的可能性,这种方案在功耗和使用场景上的优劣还有待商榷。而普通的人脸识别,虽然现在可以做到很高的识别速度,但却非常容易被欺骗,所以这些厂商都将其作为指纹或者虹膜识别的备用方案,用于提升解锁速度。

很遗憾地说,虽然Face ID一定程度上引开了大家对屏下指纹方案的关注度,但现有的生物识别方案中,有且仅有正面隐藏式指纹识别方案才是最适合全面屏的方案。

高通的预判:最成熟的屏下指纹方案

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屏下指纹,顾名思义就是要穿透屏幕进行指纹识别,现在能做到的主要有光学和超声波指纹两种方案。光学方案是最古老的指纹识别方案,通过屏幕像素点之间的缝隙进行光路传输即可完成工作。光学屏下方案,在机理上听起来很简单,而且也有很多厂家投入研发。

苹果在2014年收购的LuxVue,其方案是在屏幕红绿蓝子像素中混入红外发射器和接收器,做成交互像素。而国内的汇顶,就是在AMOLED屏幕加入接收器,通过子像素缝隙透光识别的方案。Synaptics、费恩格尔(中低端手机的指纹识别供应商,用的也是红外光)和迈瑞微,都声称已经在研发光学屏下指纹方案。

光学方案的主要问题是在屏幕透过率和识别率,屏幕本身的趋势是开口率越来越大,留给指纹识别的缝隙就很小,会直接影响识别速度和精度。此外,红外和屏幕本身光源都会遇到环境光线的影响,以及与屏幕面板集成的成本,都是光学方案急需解决的问题。

超声波指纹,其被认为是电容方案之后的第三代指纹识别技术,主要玩家和推广者都是高通。说起高通,大家第一印象估计都是骁龙移动计算平台和调制解调器,但实际上高通也是超声波指纹识别方案最主要的推动者之一,高通的方案也是首个商用的屏下指纹方案。

早在2015年,高通发布了基于超声波的Sense ID 指纹技术并在同年量产。其最著名的应用是乐视系列手机和小米在2016年9月推出的小米5s,后者是首台没有开孔的正面指纹识别手机,同时解决了部件、寿命和一体性的问题。

当时的超声波芯片由10000个微震传感器组成,压电材料产生的超声波具有穿透力,通过检测遇到不同物质后的回波变化进行3D指纹识别。超声波方案最早的优势是不受汗水、油渍影响,而且收集的是3D指纹信息,有更高的安全性。

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高通的提前布局,最终反超所有业界对手,让超声波指纹方案成为最成熟的屏下指纹识别方案。2017年6月,高通在上海MWC宣布了下一代的超声波指纹识别解决方案——高通指纹传感器。高通在上一代骁龙Sense ID 指纹技术基础上进行了强化,应用介质覆盖了屏幕、玻璃和金属,除了屏下指纹,还额外提供了定向手势检测、心率检测和水下指纹识别等意想不到的特性。

业界最关心的物质穿透能力上,高通在6月公布的方案中,已经从前代的400微米玻璃/金属,提升到800微米的玻璃和525微米的铝合金。而最夸张的是,这个方案已经可以穿透1200微米OLED屏幕,并在vivo Xplay6改装的样机上实现了屏下指纹和背面不开孔指纹的真机演示。

高通超声波方案覆盖得异常广阔,从最穿透的背面指纹识别、正面指纹常规位置和最新的屏下指纹都被覆盖。对于前两者,主要提升在于无需额外开孔并对油水免疫,方便厂商提升设备防水等级和外观设计。

在指纹识别之外,超声波传感器还具备心跳和血流检测能力,可以用于活体检测。其也是现在唯一能把火腿肠和人类手指分开的主流指纹识别方案。高通继续扩大超声波的放射范围,让指纹识别区域上方的一定范围内具有手势检测能力,实现方式和投影键盘甚至Face ID有点相似,只是把光线换成了超声波。

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因为背后是骁龙移动计算平台,高通的超声波指纹方案得到了骁龙移动平台的安全模块、基于ARM的TrustZone构架的直接安全支持。高通的TrustZone包括了一整套安全方案,当中包括了高通信任执行环境、安全启动、访问控制、外围安全模块、存储加密、秘钥管理等部件。高通用性和低门槛之外,厂商可以直接使用指纹传感器的SPI接口并用于解锁、移动支付和文件加密等场合,这些都是其他方案所无法比拟的优势。

从业界的角度上说,高通作为上游芯片厂商,其提供的解决方案,和任意一家手机厂商发表新技术的分量完全不同。因为高通的受众是整个上游产业链,而不是某个品牌。甚至高通在最开始设计的时候,就已经是瞄准了整个移动市场。

骁龙Sense ID是骁龙移动计算平台集成的解决方案,支持最新发布的660/630平台,可以兼容包括骁龙800/600/400系列在内的骁龙移动计算平台,甚至也可独立面向其他平台使用,所有的OEM厂商都有可能搭载屏下指纹和不开孔的背面指纹识别方案。

总结

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我们无法确认未来的手机最重要的卖点会不会还是性能和拍照,未来的语音、人工智能、体感、手势操控会否有能力代替触屏。但可以肯定的是,以后的手机一体化程度和屏占比会越来越高,根本容不下Face ID众多的正面部件,这个是面部识别方案迟早会遇到的瓶颈。

除了用户的心里印象上的差异,指纹识别方案,本身的起点就和其他方案不一样。无论是面部,还是虹膜和巩膜识别,他们都是基于光学的非接触式方案,而指纹则是接触式的,声、光、电、力、热,这些最基本的物理量都可以成为指纹识别的备选方案。

而高通的超声波指纹识别方案,则是站在可选路径最丰富的生物认证方案上,绕开了电容、光学指纹等方案固有的缺点。即便不是全面屏的“意外”提前出现倒逼着方案商加速屏下指纹方案的商用,屏下指纹也注定会是未来手机标配的生物识别方案。


 
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