手机只要性能就够了?这些隐藏的传感器表示不服!

如何权衡一款智能手机的好坏?外观设计、用料、屏幕素质、处理器、内存和闪存规格、摄像头品质等都是核心要素,但在这些表层硬件之下,还有很多小芯片会影响手机的实际体验。

如何权衡一款智能手机的好坏?外观设计、用料、屏幕素质、处理器、内存和闪存规格、摄像头品质等都是核心要素,但在这些表层硬件之下,还有很多小芯片会影响手机的实际体验。它们,就是负责智能手机感知的各类传感器。

*****源于光的反映*****

智能手机顶部的开孔最为热闹,在这里存在两个至关重要的元件:光线传感器和距离传感器,虽然它们都是对光作出反应,但原理和用途却有着云泥之别。请注意,所谓的开孔不是指在表面玻璃上钻穿出一个洞,而是只要让满足条件的光能够从前面板玻璃对应的位置通过就行了。

光线传感器

抛开性能不谈,护眼和续航也是时下智能手机要重点考核的对象。而光线传感器,就是可为护眼和续航加分的存在。

光线传感器通常位于听筒附近,它的作用是用来检测周围环境的亮度,并将实时数据反馈给cpu,再结合系统的预设实现自动调节显示屏亮度:白天或户外调高亮度、室内或夜晚调低亮度。而传感器感光的灵敏度、系统层面对屏幕亮度的分级都会影响到自动亮度的体验。

比如,有些手机屏幕最暗可以降到1nit,用于匹配没有一点光线的纯黑环境。而有些手机屏幕最暗也有20nit,在纯黑环境下使用还是略有刺眼的感觉。此外,光线传感器也分不同档次,目前高端机型普遍采用可独立测量白、红、绿和蓝光亮度的传感器,所以可以实现更为精准的光线采集。

总之,如何将传感器反馈的亮度数据,匹配一个最合理、不刺眼又看着舒服的亮度参数,这就能体现不同手机厂商在软硬件层面的调校实力了。

距离传感器

很多人都以为光线和距离传感器是通用的,因为很多手机在屏幕顶部扬声器附近除了前置摄像头就留了一个孔。

实际上,它们是两个独立的传感器,只是以iphone 6为代表的手机们为了美观,将光线传感器开孔的表面涂了一层和顶盖颜色相同的油墨,将其隐藏了起来,所以我们只能看到距离传感器的开孔。

用强光照射可以让光线传感器开孔显露出来

问题来了,为什么智能手机总会选择隐藏光线传感器的开孔,而不是“干掉”距离传感器的开孔呢?

原因很简单,经过处理的表面涂层对光线的过滤不大,不会影响光线传感器对环境光线的识别和抓取。

但距离传感器的结构比较特殊,它是由1个红外led灯和1个红外辐射光线探测器构成,其工作原理是当红外led灯发出的红外光(不可见)由附近的物体反射后(比如打电话时手机贴近耳朵附近时),会被红外辐射光线探测器探测到,此时距离传感器会发给cpu一个信号,通知系统可以关闭屏幕,防止通话时屏幕接触耳朵或脸部而引发误操作。当通话结束手机离开脸部时,光线传感器则会通知cpu点亮屏幕,不影响用户后续的操作。

由于距离传感器是对红外光作出反应,所以它需要让更多的红外光通过,就需要在传感器开孔对应的玻璃下方涂抹一层黑色红外油墨。因此,如果是白色款手机,距离传感器将是一个非常明显且略微泛红的孔洞,而黑色款手机距离传感器则几乎不可见。

霍尔传感器

早期的智能手机还会借助距离传感器实现翻盖式保护套的解锁,只是这种全局性的距离感应开/关屏幕很难匹配带天窗的保护套。而霍尔传感器的出现,则恰好解决了天窗保护套的各种动作设置。这种磁性翻盖手机套在合上盖子和打开盖子时,会有信号接近和远离霍尔传感器,感应器再传递信号给cpu去控制手机亮屏和灭屏,或是在屏幕对应保护套天窗的位置内显示相关画面。需要注意的是,出于省电的考虑,激活霍尔开关可能还需要打开手机设置中的“皮套模式”选项。

*****为安全而生的存在*****

三星从galaxy note 7开始引入了虹膜识别的概念,通过扫描眼球就能实现安全验证,其安全指数甚至要在指纹识别之上。此外,苹果iphone x也提出了面部id的概念,安全性更是秒指纹识别几条街。

虹膜识别传感器模组

以三星最早的虹膜手机galaxy note 7为例,这款手机屏幕上方除了前置摄像头以外还有2个“窟窿”,里面分别嵌入了一枚红外ir led和虹膜摄像头。ir led就不用说了,它的用途是让“夜晚变成白天”(和摄像机的夜间模式类似),晚上不开灯也不影响识别效率。

而虹膜摄像头可就厉害了,它内置cmos图像传感器、微型光学镜头、红外滤光片等部件,其中图像传感器提高了对红外部分的感光能力,可以在25cm~60cm的距离内采集到清晰的虹膜图像。当手机启动虹膜识别功能后,ir led和虹膜摄像头就将同时启动,并经历虹膜图像获取、图像预处理、特征提取和特征匹配四个步骤。

面部id的传感器模组

iphone x面部id与其他智能手机所用的人脸解锁有着本质上的区别,它实现了对面部信息收集从2d到3d的进化。简单来说,iphone x在采集面部信息时,前置摄像头基本就是摆设,而是依靠红外镜头、泛光感应元件和点阵投影器的协同配合。

其中,点阵投影器会发射30000多个肉眼不可见的光点投影在你的脸部,绘制出三维建模的立体面谱,红外镜头则会读取这些点阵图案,并将信息发送到a11仿生芯片的安全隔离区进行匹配对照,而泛光感应则是确保识别面部不受环境光线的影响。

*****体感类健身教练*****

智能手机都能根据手机方向实现屏幕的旋转,在安装微信运动后还能统计每天的走路步数,玩游戏时还能通过倾斜手机进行操作。而这些功能的背后,少不了重力、加速度和陀螺仪传感器的帮忙。而这三颗传感器芯片,也经常客串手机里健身教练的角色。

重力传感器

重力传感器应该是智能手机领域历史最为悠久的传感器之一,它是一种内置重力摇杆的装置,利用压电效应来判断手机当前的水平方向。借助这个传感器,智能手机曾先后实现了自动旋转屏幕、摇晃手机切换界面、甩歌甩屏、翻转静音和水平仪等实用的小功能。

加速度传感器

加速度传感器的原理和重力传感器类似,都是通过压电效应在三个维度获取数据。如果说重力传感器只是用来测定手机x、y轴的水平方向,那加速度传感器则可在此基础上计算x、y、z轴的方向、线性加速度和路径。

有了它,系统就能辨别手机的状态是否是平放,当前屏幕方向到底是向上还是向下。如果说通过重力传感器可以(通过翻转手机)完美玩滚钢珠一类的2d游戏,那依靠加速度传感器就能控制3d游戏了。

陀螺仪传感器

陀螺仪是一种基于角动量守恒理论设计出来的,用来传感与维持方向的装置。如今智能手机普遍内置3轴陀螺仪,而它又通常和3轴的加速度传感器搭配使用,二者结合后也就是我们常念叨的“6轴陀螺仪”。像《神庙逃亡》一类的游戏就是成功发挥6轴陀螺仪的典范,加速度传感器用来感应三个方向的直线加速度,而陀螺仪则用来感知角速度。

奋斗在这些应用场景

随着产业链的成熟,原本属于高档货的加速度传感器和陀螺仪已经不存在成本压力,哪怕是千元手机也普遍将它们纳为了标配。缺少存在感的它们,其实仍在其他领域贡献着自己的力量。

比如现在很多地图软件都新增了室内导航,集合速度传感器、陀螺仪和后面会提到的电子罗盘和气压计等传感器汇总的数据可以作为室内导航(或途径复杂高架桥)的依据,在没有gps信号的商场内也能知道你拐了几道弯,上了几层楼,以便准确找到所需的商铺。

再比如,很多人都觉得中低端手机玩起vr来很晕,而旗舰级手机就会好很多。原因就是旗舰手机普遍会配备精度更高的传感器,结合vr app的优化可以最大限度降低眩晕感。

还有现在最热的计步,无论是微信运动还是各种运动类app,不同手机在运动之后所统计出来的步数信息有些精准,而有些却相差甚远。原因在于这些app在统计运动信息时,都是同时收集重力、加速度和陀螺仪三种传感器所生成的数据,并进行二次解读和分析,剔除因震动产生的内容,仅保留由走路产生的数据。因此,那些计步准确的手机,一定都是集成了加速度和陀螺仪传感器的产品。

协处理器的重要性

无论是光线距离,还是重力、加速度陀螺仪,它们反馈的信号都需要提交给cpu,再由cpu下发给指定的app进行读取分析。为了减少唤醒cpu次数实现节省电力的目的,如今中高端手机处理器内都集成了独立的协处理器单元,它们专门用于协调和处理各种传感器采集的数据。

*****健康生活好助手*****

无论是上学、工作、旅游还是探险,智能手机肯定是随身必备的存在。那么,如何才能让它们可以更为高效地承担和处理生活中遇到的各种麻烦?集成更多类别的传感器,就是解决这个问题的捷径。

工具类传感器

对经常出游的用户而言,磁力传感器的重要性不言而喻。它是gps功能的有效补充,能通过内部特殊的电阻材料感受微弱的磁场变化来确定当前方向。手机中的指南针、地图导航和金属探测器类app都需要找它帮忙。

出游的同时如果你还喜欢爬山,那气压传感器就能派上大用场了。我们身处环境的海拔高度,今天你一共爬了多少层楼梯,都能通过它测算出来。至于准确性,自然还是需要视运动类app的算法是否合理了。

所有手机都会集成内部温度传感器,用于实时监测cpu等硬件温度,在过热时触发降频、重启等保护机制。而有些型号手机还会配备外部温度传感器,可以监测用户所处的环境是否舒适。虽然天气类app通过定位功能也能推送给我们当前位置的天气和温度,但如果你身处没有信号的深山,就能感受到温度传感器的好处了。

健康类传感器

加速度传感器和陀螺仪虽然可以统计运动数据,但却无法让我们掌握实时的健康情况。而心率传感器和血氧传感器,则是专门针对个人健康而生的存在。

它们的工作原理相似,都是借助高亮led光源照射手指监测血液从而反馈结果。差异在于心率传感器是监测毛细血管内呈现如波浪般周期性变化的颜色来判断心脏的收缩频率,血氧传感器则是用红外光和红光两个led同时照射手指测量血氧含量。

此外,有些手机还曾集成过紫外线传感器,它能利用某些半导体、金属或金属化合物的光电发射效应,在紫外线照射下会释放出大量电子,检测这种放电效应就能计算出紫外线强度。

手机传感器自查

如果你想知道自己手机都集成了哪些传感器,可以搜索名为“mydroid system info”这款app,该应用最大的特色在于可以监测各种传感器实时的工作情况。

通过不间断的军备竞赛,智能手机已经全面步入八核(处理器)时代,内存容量也多以3gb起步,哪怕是千元机在性能上也没有太多遗憾了。

在性能基本够用之余,功能层面的体验将是各大品牌下一步努力优化的方向,而如何让体验接近完美?源于各种传感器反馈的数据,就是最为核心的参考信息。

根据相关机构统计,2014年智能手机身上平均传感器的数量为12个,而2020年这个数字将超过20个!除了本文涉及的类别外,像有害辐射传感器、热成像传感器、分子识别传感器等各种“专业”功能也有机会得以普及。