活体3D人脸识别，可能成为手机生物识别的终极解决方案

在创新性技术的竞争中，苹果往往凭借其庞大的研发预算以及对供应链的强大掌控力处于领先地位，并让Android阵营跟随自己的创新脚步。

2013年，苹果收购AuthenTIc，首次将指纹识别技术导入iPhone/iPad中。以三星、华为为代表的Android手机阵营随后跟进，让指纹识别技术成为智能手机标配。

2017年，苹果在iPhone X中推出了采用3D传感技术的Face ID，这使得Android阵营中以指纹识别为主的生物识别技术路线发生重大变化。一部分Android手机厂商仍沿用指纹路线，将前置、后置指纹识别升级为屏下指纹识别传感器，以满足指纹解锁和全面屏设计的双重需求。另一部分则转向与iPhone类似的3D传感人脸识别技术，不过由于关键器件被苹果垄断，这意味着Android阵营的大规模采用可能要到2019年。
 

站在生物识别的岔路口上，未来Android阵营的发展重点究竟是屏下指纹识别还是3D传感？影响相关技术普及的瓶颈在哪里？为何ams这家公司会在短时间内异军突起？3D传感领域会否诞生新的FPC或汇顶？为何高通、联发科技、Intel等主芯片纷纷布局3D领域？本期封面故事将为您带来生物识别技术在手机领域的供应链现状及最新趋势。

入门级指纹已是红海，屏下指纹玩家都有谁？

自苹果在2013年首度在iPhone上导入Touch ID后，指纹传感技术在Android阵营迅速成长，到2017年具有指纹识别的智能手机已占总出货量的60%以上。

然而，随着2017年智能手机增速放缓，指纹芯片在手机中的应用逐渐饱和。传统的电容指纹技术趋于成熟，而技术成熟则带来了价格战。众多国产厂商如思立微、芯启航、费恩格尔、信炜、迈瑞微等“土狼”的猛烈进攻，让汇顶、FPC等领先厂商不得不加入到降价潮中。

据了解，目前普通的电容式指纹模组平均价格一路下行，2015年一颗芯片价格约4美元，到了2017年平均价格下降到2美元，部分厂商甚至报价1美元。“为了抢占市场，不到一成甚至赔钱出货的厂商大有人在。”迈瑞微董事长李扬渊表示，价格战是死路，即使赢家也支撑不起指纹技术团队的成本，更何况被占据利润高地的FPC等大厂商“降维”打击。有业内人士预测，指纹芯片将会类似于触控产业，最终只会有三家左右厂商存活下来，“其它家就很惨了，基本出货量会降到100K以内。”

由于屏下指纹识别感测技术的销售净利远高于传统指纹识别解决方案，汇顶、信炜、迈瑞微等国产指纹厂商为了摆脱低价竞争，正在大力投入到屏下指纹技术的研发中。

根据IHS Markit最新的《2018年显示屏指纹技术与市场报告》，预计2018年使用屏下指纹传感器的智能手机出货量至少将达到900万台，到2019年将会超过1亿台。最激进采用屏下指纹的厂商是vivo，早在vivo Xplay6时就抢先采用了柔性屏超声波方案，搭载SynapTIcs Clear ID的vivo X20 Plus UD已全面投产，该量产机型也可以实现在屏幕特定区域的指纹识别。而vivo X21也成为全球真正量产级的屏下指纹版手机。第二个加入屏下指纹阵营的是华为的Mate RS。据说OPPO的屏下指纹识别专利技术已经获得批准，OPPO也有可能成为第三家采用屏下指纹解锁的手机品牌，将有希望在OPPO R15s中采用屏下指纹。vivo产品经理韩伯啸表示，之所以如此激进，是因为业界都在等三星的一揽子方案（屏幕和屏下指纹识别模组贴合），“但三星还做不了贴合，我们不能等。”

据了解，目前领先的屏下指纹提供商包括SynapTIcs、汇顶、高通和Egis，其次是三星LSI、FPC、VkanSee、CrucialTec、BeyondEyes和FocalTech。除了最早在2016年就率先发布UnderGlass 光学式方案的SynapTIcs。国内指纹识别芯片厂商汇顶科技也积极研究屏下指纹技术，在Computex 2017台北电脑展上通过改装的三星Galaxy S7 edge展示其屏下指纹进展，不过只能在AMOLED屏幕上使用，解锁的速度也还未达到传统触摸式指纹的程度。MWC 2018上，汇顶科技发布其第二代屏下光学指纹技术，特点是性能更优异、用户体验更佳，预计2018年内实现大规模量产。

根据vivo展示的封装层次来看，依次是屏幕保护玻璃、AMOLED堆叠层+指纹识别传感器、指纹识别模组的PCB。由于将指纹识别传感器和AMOLED堆叠层做到了一起，利用OLED像素之间的空隙进行指纹的扫描，采集到指纹信息的关键点进行解锁，因此目前光学指纹只能用于OLED材质。

超声波屏下指纹才是未来趋势？

屏下指纹目前也分为两个技术路线，包括光学式屏下指纹和超声波屏下指纹。超声波屏下指纹在识别指纹时不用屏幕开启最高亮度，超声波传感器发出的脉冲可以感应指纹特有的孔和脊，形成3D的深度数据。与光学屏下指纹技术相比，具有更高的准确性。从安全性上来看，光电方案是平面的，超声波方案是立体的，安全性后者更高。此外，超声波信号具有较好的穿透性，可在实现对于指纹识别的同时，能降低手指污垢、油脂以及汗水的干扰，在水下也不会对解锁产生影响，适用范围更广。据了解，虽然基于超声波的屏下指纹技术产量较低且部件较贵，但超声波比光学屏下指纹要准确得多。

目前来看，超声波方案似乎还未成熟。小米5s上曾经用过高通超声识别方案，当时效果并不理想。2017年6月，高通发布的第三代超声波指纹识别方案，现场演示智能将手指放在屏幕的固定区域进行识别才能解锁，与目前的光学式指纹方式类似。此前华为荣耀10就采用了高通的超声波指纹识别方案。今年下半年华为的旗舰Mate系列，或者命名为Mate20，将会再次使用超声指纹识别。这套方案采用的是高通新的超声波指纹传感解决方案，能够把传感器直接嵌入在玻璃或金属底下，并在显示面板上的任何位置捕捉指纹。

2017年FPC发布的超声波指纹同样支持在手机显示面板任意位置捕获与识别使用者的指纹，支持OLED和LCD显示屏。三星的合作伙伴CrucialTec也在2017年12月获得了与DFS（显示屏指纹解决方案）相关的美国专利，并宣布2018年正式商用。据说三星和苹果都计划在2019年的Galaxy S10和下一代iPhone上采用超声波屏下指纹。而苹果也将采用自己研发的基于超声波的屏下指纹技术。

不过，目前屏下指纹识别技术的整体反应速度还不如传统电容指纹识别技术，加上成本太高，AMOLED资源掌握在三星手中，这进一步限制了Android阵营在旗舰机种搭载显示区内指纹辨识技术的规模，因此大量的中低阶手机仍将采用成本较低的传统电容式指纹辨识技术。未来如果要将屏下光学指纹的成本控制在8美元以内，需要国产OLED屏如京东方等的全力配合。

3D传感成下一风口，安卓阵营谁将追上苹果？

尽管各大厂商都在积极布局屏下指纹技术，但苹果在iPhone X中去掉Touch ID转而采用3D 传感技术的Face ID还是对整个手机行业产生了重大影响。部分Android阵营也开始转而采用苹果类似的3D传感技术，不过由于关键器件被苹果垄断，3D传感技术在Android阵营的大规模普及可能要到2019年。在此之前，有不少厂商采用2D摄像头+指纹识别的方式来实现部分的人脸识别功能，但这种方式并不安全，很容易被破解。

图1：3D传感技术市场预测。 （来源：Yole Developpement）

自2015年的Surface pro4开始，包含联想、华硕、Google等品牌也尝试推出3D感测功能的手机。目前3D传感只在手机正面，和摄像头一样，未来一定在背部也会有3D传感的模块。据产业链了解，预计2019年Apple会大概率上马后置3D传感。并且背部由于对于感应距离的要求更高，后置3D传感模块的各个环节ISP也会高于前置。

咨询机构Yoledevelopment预测，受益于消费电子市场可以预见的爆发式增长，3D成像与传感市场将从2016年的13亿美元增长至2022年的90亿美元。用于消费电子的3D成像与传感市场将从2016年的2000万美元增长至2022年的60.58亿美元，CAGR达到158%。Gartner则预测，到2021年，40％的智能手机将配备3D传感模块。

图2：3D传感摄像头市场渗透预估。

展望2018年，TrendForce旗下拓墣产业研究院预估，全球智能手机3D传感器渗透率将从2017年的2.1%成长至2018年的13.1%，苹果仍将是主要的采用者。

一些具有3D传感功能的Android手机已经少量投放市场，比如去年发布的AsusZenFoneAR，但是这些型号并没有像iPhoneX那样使用传感器进行面部识别。先前联想与华硕曾推出搭载GoogleTango模组的手机产品，但市场反应有限，直到2017年iPhoneX导入TrueDepth相机模组，才使3D传感重新受到市场关注。

虽然华为荣耀在2017年发布的V10号称全球首款“散斑结构光”手机，但只是在手机上增加了一个摄像头配件，谈不上真正商用的3D 结构光Android手机。除了苹果，三星和华硕外，中国的小米、联想、华为，OPPO等智能手机品牌都计划推出具备3D传感功能的新手机。

三大3D传感技术及供应链对比

图3：三大3D传感技术比较 （来源：Yole Developpement）

目前3D传感技术主要分为三大主要方向：立体相机、结构光，以及飞行时间（ToF）。包括ams、PrimeSense、MantisVision、高通/Himax、Intel、奥比中光、华捷艾米在内都是走结构光路线，而意法半导体（ST）、Google/Infineon/pmd、MicroVision、Orbbec等都使用ToF技术。在立体相机路线，包括Omnivision、ST、Osram、Lumentum、Finisar以及Iniutive、Intel/Movidius。

由于目前针对手机领域主要采用结构光和ToF技术，因此以下不再讨论立体相机路线。首先是iPhoneX才用的结构光路线。除了ams之外，Omnivision或ST同样提供结构光需要的全局快门NIR摄像头；ams、HiMax、Namuga以及歌尔则提供结构NIR照明组件；此外相关的3D重建软件的供应商则包括Apple Primesense、Mantis、Namuga与奥比中光（Orbbec）。

至于ToF方案，事实上包括ams和ST都提供ToF接近探测器，但只支持几个像素，两家公司都还未开发ToF摄像头。至于pmd、Sony/Softkinetic则提供ToF镜头，而Osram、Lumentum、Finisar与ams则提供NIR照明组件。其中pmd是全球唯一将深度传感器成功植入手机的ToF技术提供商。在今年的CES2018展会上，首次展示了其最新的3D图像传感器IRS238XC，同时展示了基于此传感器的全球最小3D摄像头模组，尺寸仅为12mm×8mm，它将使ToF深度传感3D摄像头变得更加易于集成。

3D结构光模组当中的结构光发射器（即iPhone X上的Dot projector）是整个模组当中最为核心的关键器件。而结构光发射器当中又包含了光学衍射组件（DOE）、准直镜头（WLO）和VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直共振腔表面放射激光）等关键元器件。结构光发射器原理就是VCSEL发出940nm点激光之后，通过WLO准直镜头校准为线性激光，然后线性激光照射在DOE上发生衍射，形成近千个具备调制信息的光斑。这其中VCSEL可以说是最为核心的关键器件。iPhoneX中就使用了三颗VCSEL芯片。

为何说ams是3D传感技术最佳卡位者？

在结构光的3D传感路线中，价值最高的两个环节是：VCSEL激光器，价值3美元，大约占总价值的32%；WLO，价值3.5美元，大约占总价值的38%。LED inside预测，到2020年，由VCSEL和EEL组成的红外激光模块市场将达到19.53亿美元。按照当前VCSEL成本1.5~3美元计算，移动端VCSEL市场空间将达到6.5~13.5亿美元，给当前VCSEL市场带来20%~30%的增长。

苹果自2016年下半年已开始在其AirPod中使用VCSEL。具有VCSEL芯片设计能力的公司，全球只有少数几家，例如Lumentum、Finisar、Princeton Optronics（已被ams收购）、Heptagon、ⅡⅥ等公司，并且大都是从光通信芯片领域，转型到消费电子市场的。根据资料显示，目前Lumentum是iPhone X的VCSEL芯片的主要供应商，而Finisar是第二大供应商，ams则是第三家供应商。

此外，ams通过收购Heptagon，补全了光学感应的产业链，向苹果提供3D传感中的WLO（3.5美元），目前除了ams外别无替代的WLO供应商，其技术壁垒很高。收购的Princeton Optronics则生产VCSEL，有望在2019年杀入苹果供应链。

据了解，目前ams具备从WLO介入VCSEL和CIS芯片（集成Filter）能力。ams约有35%的营收来自苹果业务。展望未来，巴克莱分析师预测，2019年更多Android手机采用3D传感器将推动ams的收入增加到22亿欧元。虽然目前ams没有公布任何Android新客户，但分析师认为，包括中国的华为、小米以及韩国三星都将成为ams的潜在客户。而根据ams投资者关系部门负责人MoritzGmeiner的透露，目前ams正在新加坡建立内部VCSEL生产能力。

国内厂商在VCSEL这块起步相对较晚，但据说光通信芯片企业光讯科技和华芯半导体都已具备了VCSEL芯片量产能力，另外，三安光电在2016年也切入了VCSEL产业。国内初创企业纵慧光电也正在开发并批量试产VCSEL。不过目前这些企业大多针对光通信领域，暂时还没有有能力针对手机3D传感市场量产VCSEL芯片的企业。

主芯片商纷纷绑定国产3D厂商，谁将抢先量产？

在苹果的带动下，国内一大批2D摄像头企业均在大力布局3D摄像头模组，如瑞声科技、大立光、舜宇、信利、欧菲光等，各家方案各有利弊。其中瑞声科技重点布局混合镜头，玻璃晶圆级镜片极具优势；大立光优势在塑料镜头端，但也有玻璃产能；舜宇光学ToF、散斑结构光、编码结构光三大主流方案均有量产。值得一提的是，去年舜宇和ams签署了合作协议，两者产品线互补，预计将加快推出3D传感机型的速度，预计中国OEM厂商首批大众市场3D传感机型将在2018年下半年推出。

目前结构光产业链一流供应商皆已被苹果锁定，国内厂商在Fliter（水晶光电）、模组（欧菲光）方面具备较强实力，但在VCSEL、DOE、WLO、IRCIS、3D图像处理芯片方面能力较为欠缺。拓墣产业研究院分析师黄敬哲表示，目前生产3D传感模组的技术门槛主要有三：第一，高效率VCSEL组件生产不易，目前平均光电转换效率仅约30%；第二，结构光技术的必要组件DOE以及红外光镜头的CIS，都需要极高的技术底蕴；第三，3D传感模组生产过程需考虑热涨冷缩的问题，提高模组组装的困难度。这些因素导致现阶段国内3D传感供应商的生产良率仍低。

iPhone X的3D传感模组主要是由LG旗下的电子零部件制造商LG Innotek供应的。要在手机中采用3D传感实现人脸识别等应用，还必须搭配主芯片中的“神经引擎”（neural engine）算法。所以高通目前正在联合Himax提供3D解决方案，去年高通宣布下一代骁龙处理器将支持红外3D感知技术，并且联合Himax（奇景光电）推出了三款基于Qualcomm Spectra ISP技术的摄像头模块项目，其中就一款是就是基于结构光3D传感技术的摄像头模组。由高通提供算法技术，奇景提供模组。高通似乎还与信利也进行了合作。而传闻中的小米7或将首发搭载。但是有消息称，因高通的软件调适进度落后，脸部识别成功率偏低，小米搭载3D脸部识别功能的机型可能将延至第三季推出。

虽然高通+奇景的3D传感方案是目前安卓阵营当中相对更为成熟的方案（其内部的DOE/WLO等多个核心器件都是基于奇景的自有技术），但是受限于需要采用高通的骁龙845芯片或者更新一代的芯片，所以三星、华为等厂商的旗舰手机可能不会直接采用，而是更为倾向于开发自己的3D算法。

据称华为已经完成3D摄像头相关设计，目前接收端已经完成挑选。预计在4月份发射端供应链可形成，预期今年下半年旗舰机中华为Mate11将会首次搭载3D摄像头相关功能。有传言称，华为的3D算法将由自己提供，光学部分由舜宇提供。不过也有消息称玉晶光已打入华为，跻身为华为3D传感接收端镜头供应商。

而台湾联发科技（Mediatek）也打算以APU供应商的角色加入3D传感战场，打算以卷积神经网路（CNN），通过类似于苹果的神经引擎来支持生物辨识。目前联发科技已经投资了奥比中光，奥比中光创始人兼董事长黄源浩此前接受媒体采访时表示，奥比中光Astra P研发成功后，已与国内Top3的手机厂商展开合作，目前已经取得实质性进展。虽然没有公开宣布，但几天前OPPO发布的3D结构光技术就是采用的奥比中光的Astra P模组。目前联发科技全新的P系列芯片平台将支持奥比中光3D传感摄像头，

奥比中光的核心技术优势在于，芯片、光学、算法、SDK整体一套都是自己团队研发。从奥比中光近期公布的与苹果iPhone X的3D传感对比结果来看，奥比中光的3D传感模组已经达到了接近iPhone X的水平。

在中国市场，类似于微信支付、支付宝等移动支付方案已经成为手机用户刚需，也就是说“只要支付宝认定哪种3D传感技术够好，就会被中国市场认可。”巧合的是，阿里旗下的蚂蚁金服成为了奥比中光投资方，这有可能进一步左右手机厂商对3D传感供应商的选择。

国内另一家较早布局3D结构光技术的公司是华捷艾米。据悉华捷艾米针对手机的3D传感器将在今年Q4量产。而立普思双目3D摄像头模组正在与欧美系、台系智能手机厂商进行研发试样阶段，预计今年底至2019年初将正式量产。据了解，英特尔Real Sense双目深度摄像头技术也在设计小型化方案，有望载入智能手机。立普思也是英特尔双目方案的软件算法供应商之一。

除此之外，指纹厂商也在紧密关注3D传感行业的发展，并且有一些厂商已经提前布局。在今年4月举行的汇顶科技投资者交流会上，汇顶宣布其3D人脸识别解决方案将在今年底明年初完成第一代商用产品开发。

据介绍，汇顶的3D方案将围绕以下几个方面的问题有所突破：1.功耗问题。引入3D人脸识别的同时并不希望导致手机使用时间缩短；2.成本问题。对安卓和苹果手机来说，它的适用人群和手机销售价格都差异非常大；3.交付能力。除了汇顶以外，预计到7月份还会有一些新玩家加入到3D传感的竞争热潮中。

成本与安全，生物识别的终极解决方案是？

无论是ToF或结构光技术，都是满足人脸识别应用的一种手段，且各有优劣利弊，除了技术上的差异之外，其中当然也包含成本、技术门槛与产品效益等问题。拓墣产业研究院分析师蔡卓邵表示，结构光模组大约须要20~30美元上下的零组件成本，而这些成本是否可以给厂商带来同等值的效益回馈，这是厂商须要思考的一部分。

图4：iPhoneX的光学中枢系统成本 （来源：Yole Developpement与System Plus Consulting）

据了解，目前双摄模组成本目前约在12~25美元，是单摄像头的1.5~3倍;iPhone所使用的双摄规模更为高端，成本预估超过30美元。此外，双摄象模组的组装良率比一般模组要低5%~15%。对于Android阵营来说，其结构光模组至少要做到15美元左右，才有可能挑战iPhone X的系统成本。

实际上，即使是iPhone X的3D方案也不是没有安全隐患，在实际测试中，双胞胎或多胞胎都可以直接解锁Face ID，相对于独一无二的指纹和虹膜，3D解锁的安全性其实不如Touch ID。因此笔者认为，未来Android阵营应该仍然是以指纹识别为主。考虑到Android阵营的3D方案可能在技术上跟iPhoneX有一定差距，因此不少厂商可能会在背面增加一个两美元左右的普通指纹模组。至于3D方案和屏下指纹同时存在的可能性不大，因为成本过高，而且在设计上没有必要。

不过，根据近日苹果的一项专利——用脉冲辐射检测静脉成像。苹果表示可以用红外线检测的原理来得到皮肤下方静脉血管的图像，然后将其用作生物识别，这样一来识别的安全性和准确性将会变得无与伦比。由于静脉也是独一无二的，所以这种静脉检测技术其实已经应用到指纹识别中，并被称为“活体指纹”。未来有可能通过TrueDepth 相机阵列实现3D结构光+静脉检测功能，到时候“活体3D人脸识别”有可能成为手机生物识别的终极解决方案。