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ToF和结构光之间的竞争是个伪命题

从2019年初开始,与指纹、双摄等技术一样,3D传感摄像头成为了2000元以上智能手机的标配,而到2020年,覆盖面将进一步扩大,千元机型配备3D传感摄像头将不是一件令人惊讶的事情。

在华为Mate 30 Pro、vivo NEX等十几款智能手机的加持下,2018年才逐渐被应用到手机摄像头中的飞行时间(Time of Flight, ToF)技术,从略显小众的“黑科技”一跃成为2019年厂商展示技术实力当仁不让的筹码,甚至一直坚持采用结构光(Structured light)技术的苹果公司也被传出预计将在2020年推出的两款iPhone手机上首试ToF技术。hpAesmc

一飞冲天的ToF

ToF与结构光、双目视觉技术(Stereo Vision)一起,共同组成了当前3D摄像头的三条主流技术路线。其基本原理与3D激光传感器类似,只不过3D激光传感器是逐点扫描,而ToF相机则是同时得到整幅图像的深度信息。这就好比是ToF镜头发射出了一整面平整的“光墙”,这面光墙打到物体表面发生了形变并带着3D信息反射回来,根据激光往返的时间长短和其固定的飞行速度,就能计算出物体表面上的点与手机之间的距离。当发射的激光足够多时,就可以触达物体表面的每一个点,当所有的点连成一个3D立体面时,我们就能获得物体的形状信息。hpAesmc

2019年3D感测手机大多集中在旗舰机型,结构光以苹果为代表,自iPhoneX后的机型都已经搭载结构光功能,而华为搭载ToF的机型数量最多。根据咨询机构Yole Développement的预测,受益于消费电子市场可预见的爆发式增长,全球3D成像与传感的市场规模将从2016年的13亿美元增长至2022年的90亿美元,复合年均增长率(CAGR)达到38%。其中,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,复合年均增长率达到158%。hpAesmc

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2011-2022年全球3D成像与传感市场收入预测hpAesmc

国盛证券的报告则显示,从出货量上来看,智能手机3D感测需求将从2017年的4000万部增加至2019年的2亿部以上,其中2019年的ToF机型还主要集中在几款高端旗舰机,但从2020年开始,ToF手机的出货量将进一步爆发,在整体3D感应中占比有望达到40%。预计2019/2020年ToF手机的出货量为7760万,同比大幅增长747%。hpAesmc

成本方面,预计ToF和结构光的BOM成本大约为12-15美元和20美元,相比之下ToF更具有成本优势。以iPhone X为例,结构光技术的解决方案包括三个子模块(点投影仪、近红外摄像机和泛光照明器+接近传感器),而ToF解决方案则将三个集成到一个模块中,芯片的成本大约占到整体BOM的28%-30%。hpAesmc

安卓阵营更合理的选择 

不过,“人红是非多”,关于ToF技术的讨论和争执一刻也没有停歇过。小米副总裁卢伟冰曾在2019年2月发微博说,“ToF小米技术预研早就ready,认为是个噱头,没啥用,骗用户瞎花钱。”而荣耀副总裁熊军民则反击称,荣耀认为3D ToF将是未来手机最重要的发展方向之一,通过深感镜头的深度测量、扫描建模、骨骼识别、运动捕捉,已实现3D视频瘦身、3D体感游戏等多种酷炫功能,未来能够突破性的将现实世界物体、人像、空间虚拟化,是AR/VR应用场景的必备能力,这也必将是5G移动互联网最重要的应用场景之一。hpAesmc

ADI系统应用工程经理李佳.jpghpAesmc

ADI系统应用工程经理李佳hpAesmc

除了索尼,ADI是国内被选择最多的ToF芯片商之一。ADI系统应用工程经理李佳认为得益于较高的深度分辨率(VGA)和强光下出色的抗干扰性能,ToF方案在实际应用中的优势体现在以下三方面:其一,在画面拍摄后计算景深时不需要进行大量的后处理,既可避免延迟又可节省采用强大后处理系统带来的相关成本;其二,ToF测距规模弹性大,大多数情况下只需改变光源强度、光学视场角以及发射器脉冲频率即可完成;其三,由于具有不易受外界光干扰、体积小巧、响应速度快以及识别精度高等多重优势,使得ToF无论是在移动还是车载等应用领域日渐成为3D视觉的首选技术方案。hpAesmc

艾迈斯半导体资深现场应用工程师张良.jpghpAesmc

艾迈斯半导体(ams)资深现场应用工程师张良hpAesmc

“ToF和结构光之间的竞争可以说是个伪命题。”艾迈斯半导体(ams)资深现场应用工程师张良的看法是,目前业界只有苹果在坚持使用结构光技术,其余厂商都在使用ToF,究其原因,是因为相比较结构光,ToF的优势在于算法简易、帧率高、成本低。比如散斑结构光现有的激光发射模组中会使用准直透镜来搭配DOE,而ToF的发射模组只需要激光器和漫射透镜(Diffuse lens)或者直接采用LED作为发射模组,且ToF发射模组和接收模组的基线(baseline)更小,因此3D ToF模组的整体尺寸相比3D结构光也有大幅缩小。hpAesmc

不可否认的是,和ToF相比,结构光在短距离(<80cm)范围内具有高精度和强抗干扰能力的优势,所以在前置3D应用中,结构光性能优势比较明显。但另一方面,结构光结构复杂,产业链长,成本高,并且发射和接收之前必须要有一定距离(25mm左右)作为基线,这对于苹果以外的厂商来说都是比较致命的问题。不过,近年来ToF技术进步明显,其在近距离精度方面已经可以满足支付级的应用,补足了最大短板,对苹果以外的手机厂商来说,ToF技术是更加合理的选择。hpAesmc

而在后置3D应用中,由于ToF工作距离比结构光更远,因此它的应用范围可以变得更广。反观结构光,如果要做长距离(比如4m)应用,就需要非常长的基线,这等于宣判了结构光技术在手机后置3D应用上的死刑,手机厂商目前唯一的选择只能是ToF。hpAesmc

这意味着从应用层面对比而言,结构光技术功耗更小,技术更成熟,但由于应用距离受限,所以更适合解锁以及安全支付等静态场景;而ToF方案拥有更高的帧率(FPS),在远距离下噪声较低,更适合智能机后置摄影、AR/VR(包括3D拍照、体感游戏)等动态场景。hpAesmc

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主流3D视觉方案对比hpAesmc

“飞入寻常百姓家”

纵观智能手机发展的历史,新技术大规模应用的切入点基本只有三个:增强手机的通讯功能,降低手机的功耗或者提高续航,以及娱乐和游戏。随着增强现实内容市场的蓬勃发展,内容厂商不断推动AR/VR开发平台的发展,ToF有望接力结构光,从生物感知到虚拟现实,从人脸识别到3D建模,带来产业端升级和用户体验优化,前置人脸识别+后置虚拟现实功能可能成为手机的下一个形态,ToF有望成为智能手机摄像头的下一个风口。 hpAesmc

“采用ToF 3D摄像头是目前各大手机厂商都认可的方向。但是,他们也都在为寻找一个杀手级的应用而绞尽脑汁。”张良自己的观点是,尽管目前ToF的应用方向是为主摄提供对焦辅助,但最契合ToF 3D技术发展方向的,是包括3D体感游戏、电商虚拟试用和美颜功能在内的增强现实应用。hpAesmc

例如通过ToF技术的3D深感镜头,我们可以实时捕捉用户的骨架信息,再将其投影到电视、显示器等输出设备上用于构建游戏中的虚拟人物,实现更加完善的游戏体验。也就是说,通过搭载ToF技术的智能手机,消费者可以体验到如同使用VR机器般的体感游戏体验,这与未来智能手机游戏的发展趋势不谋而合,并同时加速了AR、VR、MR时代的到来。hpAesmc

而为AI美颜相关功能提供更加精致的美颜效果,也是当前ToF 3D技术的一大用武之地。在为用户头部进行3D建模后,可通过AI美颜算法提供更为精细的美颜和背景虚化效果。在ToF的加持下,调整人像光效、加入背景虚化甚至在全身美体方面,都能变得更加精准好用。hpAesmc

vivo与ADI合作开发的ToF 3D超感应技术vivo NEX系列手机是一个很好的代表,ToF 3D立体摄像头的加入大大提升了手机支付的安全性,更丰富的美颜功能以及其他便利功能。通过ToF红外景深镜头,能更准确地识别用户面部巨大数量的立体特征,不仅可以实现解锁,更能实现“刷脸”支付;通过 3D 面部建模的方式,实现3D级别的捏脸效果,能细致的调整脸型;ToF相机支持3D测量仪功能,该功能可以测量物体尺寸,为用户日常使用提供更多便利。hpAesmc

英飞凌科技全球副总裁兼电源管理及多元化事业部射频及传感器业务负责人Philipp von Schierstädt.jpghpAesmc

英飞凌(Infineon)科技全球副总裁兼电源管理及多元化事业部射频及传感器业务负责人Philipp von SchierstädthpAesmc

“我们热衷于开创会‘思考’的设备的新时代。”英飞凌(Infineon)科技全球副总裁兼电源管理及多元化事业部射频及传感器业务负责人Philipp von Schierstädt说,过去几年里,很多设备正变得越来越个人化,智能手机开始了解我们的日程安排、习惯,通过多摄像头,它们正变得越来越了解我们的世界。而ToF摄像头则通过提供高分辨率3D图像,将这些功能推向一个新阶段——一个无需密码、无需收银员、只需用脸就能实现安全支付和购物的世界,以及无处不在的智能家用电器,比如可巧妙地帮您清洁房屋的智能吸尘器。hpAesmc

而在5G的助力下,我们将能够更多、更好地进行联网,有望与大量用户和应用进行更快的交互。特别是实时数据传输、快速的视频流、大数据交换和储存所带来的机遇,将能使个人或家用电子设备的3D图像传感功能大大受益。举例而言,现在如果消费者将摄像头对准一朵花,由人工智能所驱动的App就会告诉您这朵花的名字。而ToF和5G结合后,3D信息可以提供尺寸信息,从而使App更加准确。hpAesmc

对ToF的追捧,有噱头,有刚需

在李佳看来,消费电子(虚拟现实、人脸识别、体感交互)等应用在技术层面上面临的性能挑战难度通常要更小一些,关注重点主要集中在低成本、低功耗和小尺寸等方面,对于测量速度、寿命和分辨率等方面的要求并不强烈。但对于汽车(辅助驾驶、人脸识别、手势识别)、工业级自动化(自动避障、测量测距、感知定位)、医疗电子(增强现实、远程交互)、新零售(手势识别、客流统计、行为识别)、智能安防(人脸识别、行为分析)等专业级场景来说,ToF传感系统的设计不仅需要在精度、范围、响应时间、分辨率、成本、功耗、封装之间取得平衡,还需要针对不同情况中出现的各种不可控因素、传感系统的灵活性与抗干扰性等方面进行定制化的冗余设计,比如添加一些高可靠性的滤波和抗干扰器件/模块,并加载相关的软件算法,从而保证系统有足够的能力去应对不同类型的突发状况。hpAesmc

以汽车应用为例,目前市场上的倒车雷达只能感应是否有障碍物,但一些“身材”矮小的障碍物就达不到感应范围的要求。如果采用ToF技术,倒车系统就可以同时侦测多个不同距离的行人或障碍物,当有行人或者障碍物靠近时,就算是视线死角车顶的树枝,透过软件处理后,也能以影像或声音警示距离,以帮助驾驶人员了解车后相关路况。hpAesmc

在智能建筑领域,以具备人脸识别的ToF 3D立体影像自动门解决方案为例,传统自动门采用红外线反射原理,只能检测到是否有物体出现在感测范围,导致动物也能自由进出商场,造成了管理上的困扰。基于ToF的方案则可识别空间中的人类特征以及人与物体相对位置距离,避免非人类进入商场。此外,商业空间的3D人流自动统计过去有成熟方案,但如何有效利用影像技术,以最低的成本精准分辨进出者的身高、体重、出入时间和低于1%的高度误差,就有相当的技术门槛了。hpAesmc

除了完成物体的3D深度拍照外,ToF技术在工业领域还能为机器人带来视觉效应,使之能像人类一样具有方向感。hpAesmc

“在人类与机器人的合作问题上,安全性永远是要考虑的首要问题,尤其是当机器人身处较为拥挤的工作环境中,它们必须能辨认人与机械的动作,并做出迅速的反应以避免受伤。”李佳说,如果用激光雷达来解决机器人自主避障问题,成本需要增加数万元;用双摄像头方案,需要大量的运算和双摄像头精准位置的调教。相比之下,ToF则成为解决上述难题的极具性价比的最佳选择。hpAesmc

张良把ToF 3D成像和传感的下一个风口投给了多功能和智能化。理由在于目前的成像和传感技术仍在存在两大缺憾:一是各自为战。每个传感器模块目前只能做好自己的事情,尽管不少厂商在传感器融合方面做了大量工作,但收效甚微,还只能停留在比较简单的应用层面上。二是功能机械化,缺少适应性。随着智能手机AI技术的发展,要求传感器提供更加“人性化”的数据正成为趋势。hpAesmc

再从趋势回到应用端,除了智能手机领域,ToF技术在IOT、自动驾驶领域迎来一次爆发将成为大概率事件。与双目立体测量通过左右立体像对匹配后,再经过三角测量法来进行立体探测不同,ToF相机具有完全不同的3D成像机理,它通过入、反射光探测来获取目标距离,包括在AR/VR眼镜中用于深度和范围信息识别。hpAesmc

因此在智能家居、智能安防、智能零售等IOT领域,ToF 3D传感技术都有着很大发展前景。例如扫地机器人将从传统的单线机械扫描式激光雷达转向ToF激光雷达测距,用于识别跟踪人体,让人类生活各方面变得更加智能;在自动驾驶/车内感知监控/AGV领域,ToF 3D传感技术可以应用于车载激光雷达、车内人体识别、车内手势识别等相关技术的实现。hpAesmc

看见未来

尽管目前ToF技术得到了非常广泛的应用,但反射率、多径干扰(MPI)、精度等问题仍然是该技术面临的主要挑战。张良称,ToF未来的发展主要是提高精度的信噪比,降低功耗、覆盖范围、稳定性以及抗干扰能力方面。随着更多智能技术与动态感知技术的加入,未来ToF技术的感知能力甚至有望从3D拓展到4D。hpAesmc

而要提高ToF的信噪比,ams的主要思路是通过收紧接收端的能光频率带宽来降低环境光干扰,低反物体的识别可以通过应用上的识别算法来进行处理。另外,可变分辨率和可变发射点阵技术也有助于解决低反场景下的识别。但限于技术本身,目前3D ToF仍以iToF(indirect ToF)为主,多径干扰问题处理起来会比较头痛,算法上面也很难根除,只有高分辨率dToF (direct ToF)技术的出现,才有可能从根本上解决MPI的问题。hpAesmc

李佳表示,作为一种新型的视觉传感技术,无论是针对消费级还是专业级应用领域,当前仍需解决的基础性问题还很多,未来如何通过技术手段去真正实现成本、功耗、体积、速度、寿命、稳定性以及抗干扰能力等多方面的平衡,达到一个相对目前来说更为优化的水平,进而实现ToF视觉传感技术实际应用中可靠性的成倍提升,是诸如ADI公司之类的技术方案提供商应当考虑的重点,也是ToF技术普及乃至整个市场健康发展的前提。hpAesmc

Philipp von Schierstädt预测在5年内,大多数智能手机都将配备一到两个3D摄像头,3D人脸认证将成为安全移动支付的事实标准,逼真的增强现实技术将把手机游戏推向新阶段。不仅如此,ToF技术还将在智能工厂和智能家居中得到应用,比如需要用到清晰障碍物图像的扫地机,或者是私人住宅的门禁系统。hpAesmc

“ToF系统通常由光源、传感器和图像处理三个模块组成,为了实现这三个要素的相互作用,方案商必须要学会从系统层面展开思考并进行布局。”他说多年来,英飞凌与3D摄像头生态系统领域的成熟合作伙伴展开了密切合作,从参考设计公司、模块制造商到软件公司和OEM等不一而足。不但通过对客户的环境、应用挑战和需求进行深入了解,从而在相关系统设计层级对REAL3 ToF产品进行优化,还为用户提供了大量的专用参考设计和定制化机会。hpAesmc

结语

3D影像技术确实已经成为诸多手机厂商的技术发展重点方向,其重要性在未来可能不亚于5G和AI。但因为技术应用规模化的问题,目前除了解锁和支付,确实还没有出现全新的杀手级应用。hpAesmc

厂商们曾普遍认为成本高、良率等问题会导致3D传感摄像头在2018年只适用于售价高于3000元的旗舰机型中,但从2019年初开始,与指纹、双摄等技术一样,3D传感摄像头成为了2000元以上智能手机的标配,而到2020年,覆盖面将进一步扩大,千元机型配备3D传感摄像头将不是一件令人惊讶的事情。hpAesmc

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3D传感摄像头市场渗透预估hpAesmc

本文为《国际电子商情》2020年1月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击 这里hpAesmc

原创
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邵乐峰
ASPENCORE中国区首席分析师。
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