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| 本文作者： 李帥飛 | 2019-04-01 18:06 |
隨著華為 P30 系列的發(fā)布，智能手機(jī)在拍照方面的極限得到了進(jìn)一步的突破；尤其是華為 P30 Pro 手機(jī)，在高達(dá) 112 的 DXO 評(píng)分下，也讓人們見(jiàn)識(shí)到了后置四攝（4000 萬(wàn)像素廣角鏡頭 + 1600 萬(wàn)像素超廣角鏡頭 + 800 萬(wàn)像素遠(yuǎn)攝鏡頭 + ToF 深度感應(yīng)攝像頭）的威力；當(dāng)然，這其中，ToF 深感感應(yīng)攝像頭給華為 P30 Pro 帶來(lái)的，不僅是拍照方面的提升。
實(shí)際上，ToF 技術(shù)的加持，成為華為 P30 Pro 的一個(gè)新亮點(diǎn)，也將整個(gè)智能手機(jī)行業(yè)對(duì) 3D 視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用推向一個(gè)新的高潮。而在外界的傳聞中，蘋(píng)果也正在現(xiàn)有前置 3D 攝像頭的基礎(chǔ)上，積極布局后置的 ToF 技術(shù)，讓人對(duì) 3D 視覺(jué)在智能手機(jī)上的未來(lái)有了更大的憧憬。
目前 3D 視覺(jué)技術(shù)有 3 種主流方案，分別是結(jié)構(gòu)光方案、ToF 方案以及雙目立體成像方案；其中，結(jié)構(gòu)光和 ToF 受到智能手機(jī)行業(yè)的廣泛關(guān)注。結(jié)構(gòu)光和 ToF 的工作原理分別是：
結(jié)構(gòu)光技術(shù)：通過(guò)近紅外激光器，將具有一定結(jié)構(gòu)特征的光線投射到被拍攝物體上，再由專門(mén)的紅外攝像頭進(jìn)行采集。這種具備一定結(jié)構(gòu)的光線，會(huì)因被攝物體的不同深度區(qū)域，而采集不同的圖像相位信息，然后通過(guò)運(yùn)算單元將這種結(jié)構(gòu)的變化換算成深度信息，以此來(lái)獲得三維結(jié)構(gòu)。
TOF 是飛行時(shí)間（Time of Flight）技術(shù)的縮寫(xiě)，其原理是：傳感器發(fā)出經(jīng)調(diào)制的脈沖紅外光，遇物體后反射，傳感器通過(guò)計(jì)算光線發(fā)射和反射時(shí)間差或相位差，來(lái)?yè)Q算被拍攝景物的距離，以產(chǎn)生深度信息，此外再結(jié)合傳統(tǒng)的相機(jī)拍攝，就能將物體的三維輪廓以不同顏色代表不同距離的地形圖方式呈現(xiàn)出來(lái)。
奧比中光手機(jī)事業(yè)部總經(jīng)理胡科峰告訴雷鋒網(wǎng)，在上述兩種方案中，當(dāng)前結(jié)構(gòu)光的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在技術(shù)、生產(chǎn)等方面都是如此，甚至業(yè)界已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種高低中配、適合于各種檔位手機(jī)需求的方案——僅供成熟度來(lái)講，實(shí)際上，并不亞于當(dāng)前的大面積光學(xué)指紋。他認(rèn)為，相對(duì)于結(jié)構(gòu)光而言，ToF 方案在智能手機(jī)上的實(shí)現(xiàn)還有不少難題要解決：
ToF 方案的分辨率不如結(jié)構(gòu)光高，而且自身功耗相對(duì)比較大；
在掃描應(yīng)用中，當(dāng)前的 TOF 方案實(shí)際上在不同的顏色、紋理和材質(zhì)方面會(huì)一些影響，這是由它的原理所決定的，結(jié)構(gòu)光在這個(gè)上面會(huì)好一點(diǎn)。如果以兩種方案同時(shí)來(lái)掃描熊貓，結(jié)構(gòu)光方案受顏色的影響小，所以出來(lái)效果會(huì)更加逼真；而在 ToF 方案下，有可能出現(xiàn)這種情況：白色部分出來(lái)是 OK 的，但黑色部分有可能會(huì)受到一些影響。
當(dāng)前的 TOF 方案面臨一個(gè)問(wèn)題：在遠(yuǎn)距的時(shí)候，它的深度完整性經(jīng)常是不如結(jié)構(gòu)光方案的，這一點(diǎn)奧比中光已經(jīng)有一些對(duì)比測(cè)試可以表明。在體感游戲中，體感的原理是在于提取相關(guān)的骨骼點(diǎn)作為特征點(diǎn)；如果深度完整性好的話，這些特征點(diǎn)都不會(huì)消失。
ToF 原理
然而，胡科峰表示，適用于智能手機(jī)的 3D 方案有一些重要要求——小型化、低功耗、易量產(chǎn)。從這些要求來(lái)看，TOF 和結(jié)構(gòu)光方案是各有優(yōu)缺點(diǎn)；如果以提高功耗為代價(jià)，或者采取放大體積為代價(jià)，很多問(wèn)題是可以被解決。但是，放在智能手機(jī)上，就需要平衡各個(gè)方面，做到機(jī)器小，功耗也低，量產(chǎn)又非常容易。綜合幾點(diǎn)的話，相對(duì)來(lái)講就是兩種技術(shù)都有一些還要克服的難關(guān)。
不過(guò)，胡科峰告訴雷鋒網(wǎng)：
相對(duì)來(lái)講遠(yuǎn)距而言，結(jié)構(gòu)光的相對(duì)精度是會(huì)差一點(diǎn)的?；旧蟃oF 的精度曲線是非常的平緩。結(jié)構(gòu)光的精度曲線線率會(huì)高一點(diǎn)，所以在近距的時(shí)候，結(jié)構(gòu)光的相對(duì)精度會(huì)更好，遠(yuǎn)距的時(shí)候，1.5 米往上，再到 3 米、4 米、5 米，實(shí)際上這個(gè)結(jié)構(gòu)光精度下降的就會(huì)比較快。要解決一個(gè)問(wèn)題，精度和深度都非常重要，否則也做不了應(yīng)用。所以，歸納來(lái)看，ToF 要解決如何把深度完整性做得更好的問(wèn)題，把功耗要做低（實(shí)際上 ToF 的功耗是一個(gè)大問(wèn)題）；而結(jié)構(gòu)光要解決在遠(yuǎn)距的情況下相對(duì)精度如何提高的問(wèn)題。
關(guān)于結(jié)構(gòu)光和 ToF 在智能手機(jī)上前后置方案的問(wèn)題，目前比較常見(jiàn)的是 ToF 放后頭、結(jié)構(gòu)光放前頭。對(duì)此，胡科峰表示，其實(shí) ToF 前置、結(jié)構(gòu)光后置也都是有可能的，這取決于技術(shù)發(fā)展的程度和手機(jī)廠商的實(shí)際選擇。他表示，其實(shí)此前也有傳聞稱蘋(píng)果考慮過(guò)后置結(jié)構(gòu)光方案；但其實(shí)不管是結(jié)構(gòu)光還是 ToF，都是在為整個(gè) 3D 陣營(yíng)造勢(shì)，都是非常值得歡迎的；實(shí)際上，在結(jié)構(gòu)光之外，奧比中光在 ToF 技術(shù)上也有自己的布局。
總體來(lái)看，在目前的智能手機(jī)上，結(jié)構(gòu)光多采用前置方案，主要應(yīng)用于解鎖以及安全支付、3D 人臉建模等方面；而 ToF 方案多被用于智能手機(jī)后置；從應(yīng)用場(chǎng)景上來(lái)說(shuō)，除了用于后置攝影，ToF 技術(shù)還在 AR 等領(lǐng)域（包括 3D 拍照、體感游戲等）有一定的作用。
當(dāng)然，值得強(qiáng)調(diào)的是 3D 視覺(jué)技術(shù)對(duì) AR 領(lǐng)域的推動(dòng)。
SLAM 將有助于解決右圖中的 AR 游戲不合理問(wèn)題
對(duì)于 AR 來(lái)說(shuō)，3D 視覺(jué)將會(huì)幫助智能手機(jī)更好地實(shí)現(xiàn) SLAM（Simultaneous localization and mapping，實(shí)時(shí)定位和地圖構(gòu)建）技術(shù)——而 SLAM 技術(shù)則是 AR 實(shí)現(xiàn)的核心。雷鋒網(wǎng)曾經(jīng)報(bào)道過(guò)，蘋(píng)果 ARKit 的一大厲害之處是，只通過(guò)手機(jī)的單目攝像頭，結(jié)合 IMU，在智能手機(jī)上實(shí)現(xiàn) SLAM 技術(shù)；而依托于普通攝像頭無(wú)法比擬的景深信息和建模能力，3D 視覺(jué)技術(shù)則可以幫助智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的視覺(jué) SLAM（也稱 VSLAM），從而手機(jī)上實(shí)現(xiàn)各種各樣復(fù)雜的 AR 應(yīng)用。
對(duì)此，胡科峰也表示，測(cè)通過(guò) 3D 和 IMU 等的結(jié)合，智能手機(jī)應(yīng)用層面的最終方向一定是 AR 這個(gè)大方向，而且還要與 5G 結(jié)合起來(lái)，把 AR 做到非常便利，最終融入到用戶的日常使用中去。
追隨蘋(píng)果 Face ID 之后，Android 旗艦「搶先」上馬后置 3D 攝像頭
2017 年 9 月，隨著 iPhone X 的發(fā)布，3D 視覺(jué)終于在智能手機(jī)上體現(xiàn)出它的使用價(jià)值；由于蘋(píng)果在技術(shù)上的雄厚實(shí)力和它對(duì)用戶體驗(yàn)的重視，iPhone X 以 3D 結(jié)構(gòu)光技術(shù)打造了可以直接用于面部識(shí)別的 Face ID，并且迅速取代了 Touch ID。
于是，以消費(fèi)級(jí)的智能手機(jī)為著眼點(diǎn)，各大 Android 廠商紛紛開(kāi)始發(fā)力 3D 視覺(jué)，基于技術(shù)與應(yīng)用場(chǎng)景的結(jié)合，主要以結(jié)構(gòu)光和 ToF 為主。
最早跨出這一步的是榮耀。2017 年 11 月 28 日，榮耀 V10 發(fā)布，其中搭載了“點(diǎn)云深度攝像頭”的散斑結(jié)構(gòu)光手機(jī)配件，具有 3D 人臉識(shí)別與解鎖、3D 人臉建模等功能。
2018 年 5 月底，小米發(fā)布了小米 8 透明探索版，其中搭載了 3D 結(jié)構(gòu)光技術(shù)，號(hào)稱是 Android 首款 Face ID 手機(jī)。小米 8 透明探索版采用的是以編碼結(jié)構(gòu)光技術(shù)，該技術(shù)由以色列 Mantis Vision 公司研發(fā)。據(jù)了解，在 Mantis Vision 的編碼結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)，點(diǎn)陣投影器和泛光照明器中的 VCSEL 由艾邁斯半導(dǎo)體（ams）提供；近紅外攝像頭中的全局快門(mén)圖像傳感器由豪威科技（OmniVision）提供。
2018 年 6 月，OPPO Find X 發(fā)布，這款旗艦手機(jī)的其中一個(gè)主要賣點(diǎn)，就是 “FaceKey 3D 結(jié)構(gòu)光”技術(shù)和“雙軌潛望結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)，而背后的供應(yīng)商是奧比中光，雙方是獨(dú)家合作關(guān)系。從應(yīng)用場(chǎng)景上來(lái)看，OPPO Find X 的 3D 結(jié)構(gòu)光主要用于人臉識(shí)別解鎖、3D 美顏等——而 Find X 的“雙軌潛望結(jié)構(gòu)”，則意味著 3D 結(jié)構(gòu)光攝像頭模組必須做得比 iPhone X 更薄。
此外，在 2018 年 10 月發(fā)布的華為 Mate 20 Pro 機(jī)型上，前置 3D 結(jié)構(gòu)光技術(shù)也得以搭載。它在功能上也實(shí)現(xiàn)了人臉解鎖、人臉支付，同時(shí)還可以通過(guò) 3D 結(jié)構(gòu)光的 3D 景深感測(cè)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的 3D 建模；比如拍攝自己的面部表情，生成 3D 表情包。雷鋒網(wǎng)了解到，華為帶有結(jié)構(gòu)光的機(jī)型發(fā)射端 VCSEL 由 Lumentum 供應(yīng)；準(zhǔn)直鏡 G+P 由聯(lián)創(chuàng)電子、舜宇光學(xué)供應(yīng)；DOE 由 AMS 和 DNP 供應(yīng)；接收端感光芯片由豪威科技供應(yīng)；3D 結(jié)構(gòu)光算法為華為自研；整個(gè) 3D 結(jié)構(gòu)光模組由歐菲光和舜宇供應(yīng)。
不過(guò)，在積極探索 3D 結(jié)構(gòu)光的同時(shí)，整個(gè)業(yè)界對(duì)更適用于后置攝像頭的 ToF 技術(shù)的探索也在持續(xù)進(jìn)行（當(dāng)然有報(bào)告中，蘋(píng)果也在積極部署 ToF 技術(shù)）；與此同時(shí)，隨著整個(gè)行業(yè)在屏幕指紋識(shí)別技術(shù)上的一步步推進(jìn)，3D 結(jié)構(gòu)光帶來(lái)的解鎖便利似乎被逐步消解——于是，ToF 技術(shù)在 Android 陣營(yíng)中受到歡迎。
首先上馬 ToF 的機(jī)型，是 OPPO 在 2018 年 8 月發(fā)布的 R17 Pro；基于 ToF 的加持，它在 3D 拍照、立體游戲、AR 應(yīng)用方面有了一些新的玩法。雷鋒網(wǎng)從供應(yīng)鏈處獲悉，R17 Pro 上的 3D TOF 的攝像頭供應(yīng)商為舜宇光學(xué)。
2018 年 12 月 21 日，vivo NEX 雙屏版發(fā)布，該機(jī)型同樣搭載了 ToF 技術(shù)。由于是前后雙屏方案，這款機(jī)型也能夠?qū)崿F(xiàn) ToF 技術(shù)輔助下的三攝自拍，并且可以實(shí)現(xiàn) ToF 人臉識(shí)別，該人臉識(shí)別功能可以實(shí)現(xiàn) 24 小時(shí)人臉解鎖，甚至可以支持支付寶的支付功能。雷鋒網(wǎng)了解到，vivo NEX雙屏版的攝像頭模組由信利國(guó)際、歐菲科技和三星電機(jī)供應(yīng)，其中 3D ToF 模組由信利國(guó)際獨(dú)供；其他兩顆攝像頭模組由歐菲科技和三星電機(jī)供應(yīng)，而三星電機(jī)是主供。
vivo NEX 雙屏版發(fā)布數(shù)天之后，華為旗下的品牌榮耀在 2018 年年底的旗艦機(jī)型 V20 中也搭載了 ToF 技術(shù)，在發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，榮耀現(xiàn)場(chǎng)展示了體感游戲、3D 建模、視頻瘦身美體等功能。據(jù)了解，在 3D 圖像傳感器方面，榮耀 V20 和 OPPO R17 Pro 都采用了索尼的 IMX316 傳感器，而其模組加工是由歐菲科技、舜宇光學(xué)科技來(lái)完成——與華為 P30 Pro 的供應(yīng)商相一致。
值得一提的是，在 2019 年 2 月的三星 S10 發(fā)布會(huì)上，三星也宣布了一款 S10 5G 版本，這是一款擁有四顆攝像頭的手機(jī)，其中包含一款可實(shí)現(xiàn) ToF 技術(shù)的 3D 攝像頭。由于三星在 3D 圖像傳感器領(lǐng)域的自研優(yōu)勢(shì)，ToF 技術(shù)極有可能出現(xiàn)在其他的三星手機(jī)上，比如說(shuō)下半年的三星 Note 10。
三星的韓國(guó)「妹妹」LG 也不想落人后，走了一條不同的路：在前置攝像頭上采用了 ToF 3D 模組，而不是像蘋(píng)果和其它 Android 廠商那樣用了結(jié)構(gòu)光。根據(jù)官方介紹， 2 月發(fā)布的 LG G8 THINQ 搭載了 ToF 技術(shù)的前置攝像頭，傳感器是 Infineon 的 REAL3。
當(dāng)然，在最新發(fā)布的 P30 Pro 上，華為選擇了 ToF 技術(shù)。按照華為方面的介紹，華為 P30 Pro 所搭載的 ToF 鏡頭能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能：
精準(zhǔn)捕獲景深信息，讓拍出的畫(huà)面更具層次感；
實(shí)現(xiàn)專業(yè)級(jí)的人像虛化，甚至可以精細(xì)到發(fā)絲；
實(shí)現(xiàn) 3D 體感游戲，3D 魔術(shù)師等功能；
利用深度感知功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的長(zhǎng)度、高度和面積的測(cè)量。
可以看到，華為 P30 Pro 對(duì) ToF 技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一個(gè)是在手機(jī)拍照過(guò)程中對(duì)畫(huà)面層次感和人像虛化功能的加持，另一方面是基于 3D 成像技術(shù)所開(kāi)辟的其他應(yīng)用場(chǎng)景，比如說(shuō) 3D 體感游戲、AR 等。不過(guò)，從本質(zhì)上來(lái)看，這兩個(gè)方面都是離不開(kāi) ToF 技術(shù)的基本原理，就是對(duì)畫(huà)面深度信息的感知和使用。
根據(jù)雷鋒網(wǎng)從供應(yīng)鏈了解到的信息，華為 P30 Pro 的 ToF 模組關(guān)鍵供應(yīng)商信息如下：VCSEL 來(lái)自 Lumentum；陶瓷盒子來(lái)自京瓷；Diffuser 擴(kuò)散器來(lái)自 Viavi Solutions。鏡頭模組由舜宇，歐菲光提供。盡管如此，華為 P30 Pro 中其他的一些 ToF 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵器件（比如說(shuō) 3D 圖像傳感器）背后的供應(yīng)商還并不明確。
另外，一個(gè)不得不重點(diǎn)關(guān)注的是蘋(píng)果在 ToF 技術(shù)方面的動(dòng)向。2018 年 11 月，美國(guó)專利商標(biāo)局（USPTO，The United States Patent and Trademark Office）公布了蘋(píng)果新的專利申請(qǐng)，專利顯示，蘋(píng)果可能使用光學(xué)電子元件如 VCSEL 以及 ToF、單光子雪崩二極體（SPAD）為基礎(chǔ)的激光 LiDAR 來(lái)改進(jìn)深度攝像頭。
如此，蘋(píng)果什么時(shí)候在 iPhone 上馬 ToF，則成為業(yè)界的另外一個(gè)關(guān)注點(diǎn)了。
2013 年 9 月，蘋(píng)果在最新發(fā)布的 iPhone 5s 機(jī)型上搭載了指紋識(shí)別技術(shù)，一時(shí)引爆了指紋識(shí)別的行業(yè)供應(yīng)鏈；短短幾年時(shí)間，指紋識(shí)別就已經(jīng)從旗艦機(jī)型下探到入門(mén)機(jī)型，最后在智能手機(jī)上基本上實(shí)現(xiàn)全面普及，成為智能手機(jī)的標(biāo)配。
那么，3D 視覺(jué)技術(shù)會(huì)像指紋識(shí)別那樣在智能手機(jī)上普及嗎？
胡科峰表示，僅僅從解鎖支付的角度來(lái)看，如果指紋技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)解鎖體驗(yàn)的提升是 60 分到 80 分的話，那么 3D 視覺(jué)帶來(lái)的面部解鎖或支付的提升可能是 85 分到 95 分甚至是 99 分的提升，前者是“吃飽”，后者是“吃好”，顯然前者的需求更加強(qiáng)烈，因此普及速度更快。
胡科峰表示，對(duì)于智能手機(jī)來(lái)說(shuō)，3D 視覺(jué)方案的場(chǎng)景除了解鎖支付（甚至說(shuō)解鎖支付只是附贈(zèng)的一個(gè)功能），還有很多方面的應(yīng)用潛力，比如說(shuō) AR 游戲、AR 視頻通話，但這些應(yīng)用還沒(méi)有得到充分的開(kāi)發(fā)，而且還要跟 AI、5G 等技術(shù)相結(jié)合——如果開(kāi)發(fā)到一定階段，3D 視覺(jué)也會(huì)逐漸走向普及。
毫無(wú)疑問(wèn)，3D 視覺(jué)已經(jīng)成為整個(gè)智能手機(jī)行業(yè)正在積極擁抱的一個(gè)技術(shù)趨勢(shì)，它也包含著眾多的應(yīng)用潛力，并且會(huì)隨著 AI 和 5G 的發(fā)展找到更大的生機(jī)；3D 視覺(jué)技術(shù)無(wú)疑會(huì)走向更多的智能手機(jī)，但眼下仍然集中于旗艦機(jī)型，要想實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品定位和價(jià)格上的下探，恐怕還需要經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程。
另外，從現(xiàn)有的發(fā)展態(tài)勢(shì)來(lái)看，智能手機(jī)廠商對(duì) 3D 視覺(jué)的選擇已經(jīng)逐漸從前置的 3D 結(jié)構(gòu)光走向后置的 ToF 技術(shù)，這不禁讓雷鋒網(wǎng)想起了此前已經(jīng)宣告死亡的 Project Tango——實(shí)際上，Google 當(dāng)年力推的 Project Tango 的量產(chǎn)機(jī)型 Phab 2 Pro 正是采用了 ToF 技術(shù)，華碩亦有過(guò)嘗試，但都沒(méi)有獲得好的市場(chǎng)反響。最終 Google 不得不在 2017 年終止 Project Tango 而改用 ARCore 來(lái)推進(jìn) AR。
所以，最后的問(wèn)題來(lái)了，如今 ToF 技術(shù)已經(jīng)被越來(lái)越多的手機(jī)廠商所支持，那么 Google 是不是要考慮復(fù)活 Project Tango 了？
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