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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，智能手機在拍照方面的極限得到了進一步的突破；尤其是華為 P30 Pro 手機，在高達 112 的 DXO 評分下，也讓人們見識到了后置四攝（4000 萬像素廣角鏡頭 + 1600 萬像素超廣角鏡頭 + 800 萬像素遠攝鏡頭 + 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 帶來的，不僅是拍照方面的提升。
實際上，ToF 技術(shù)的加持，成為華為 P30 Pro 的一個新亮點，也將整個智能手機行業(yè)對 3D 視覺技術(shù)的應(yīng)用推向一個新的高潮。而在外界的傳聞中，蘋果也正在現(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 3D 視覺在智能手機上的未來有了更大的憧憬。
目前 3D 視覺技術(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，再由專門的紅外攝像頭進行采集。這種具備一定結(jié)構(gòu)的光線，會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，然后通過運算單元將這種結(jié)構(gòu)的變化換算成深度信息，以此來獲得三維結(jié)構(gòu)。
TOF 是飛行時間（Time of Flight）技術(shù)的縮寫，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，傳感器通過計算光線發(fā)射和反射時間差或相位差，來換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。
奧比中光手機事業(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)開發(fā)出多種高低中配、適合于各種檔位手機需求的方案——僅供成熟度來講，實際上，并不亞于當(dāng)前的大面積光學(xué)指紋。他認為，相對于結(jié)構(gòu)光而言，ToF 方案在智能手機上的實現(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，而且自身功耗相對比較大；
在掃描應(yīng)用中，當(dāng)前的 TOF 方案實際上在不同的顏色、紋理和材質(zhì)方面會一些影響，這是由它的原理所決定的，結(jié)構(gòu)光在這個上面會好一點。如果以兩種方案同時來掃描熊貓，結(jié)構(gòu)光方案受顏色的影響小，所以出來效果會更加逼真；而在 ToF 方案下，有可能出現(xiàn)這種情況：白色部分出來是 OK 的，但黑色部分有可能會受到一些影響。
當(dāng)前的 TOF 方案面臨一個問題：在遠距的時候，它的深度完整性經(jīng)常是不如結(jié)構(gòu)光方案的，這一點奧比中光已經(jīng)有一些對比測試可以表明。在體感游戲中，體感的原理是在于提取相關(guān)的骨骼點作為特征點；如果深度完整性好的話，這些特征點都不會消失。
ToF 原理
然而，胡科峰表示，適用于智能手機的 3D 方案有一些重要要求——小型化、低功耗、易量產(chǎn)。從這些要求來看，TOF 和結(jié)構(gòu)光方案是各有優(yōu)缺點；如果以提高功耗為代價，或者采取放大體積為代價，很多問題是可以被解決。但是，放在智能手機上，就需要平衡各個方面，做到機器小，功耗也低，量產(chǎn)又非常容易。綜合幾點的話，相對來講就是兩種技術(shù)都有一些還要克服的難關(guān)。
不過，胡科峰告訴雷鋒網(wǎng)：
相對來講遠距而言，結(jié)構(gòu)光的相對精度是會差一點的?；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高一點，所以在近距的時候，結(jié)構(gòu)光的相對精度會更好，遠距的時候，1.5 米往上，再到 3 米、4 米、5 米，實際上這個結(jié)構(gòu)光精度下降的就會比較快。要解決一個問題，精度和深度都非常重要，否則也做不了應(yīng)用。所以，歸納來看，ToF 要解決如何把深度完整性做得更好的問題，把功耗要做低（實際上 ToF 的功耗是一個大問題）；而結(jié)構(gòu)光要解決在遠距的情況下相對精度如何提高的問題。
關(guān)于結(jié)構(gòu)光和 ToF 在智能手機上前后置方案的問題，目前比較常見的是 ToF 放后頭、結(jié)構(gòu)光放前頭。對此，胡科峰表示，其實 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)展的程度和手機廠商的實際選擇。他表示，其實此前也有傳聞稱蘋果考慮過后置結(jié)構(gòu)光方案；但其實不管是結(jié)構(gòu)光還是 ToF，都是在為整個 3D 陣營造勢，都是非常值得歡迎的；實際上，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。
總體來看，在目前的智能手機上，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后置；從應(yīng)用場景上來說，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，值得強調(diào)的是 3D 視覺技術(shù)對 AR 領(lǐng)域的推動。
SLAM 將有助于解決右圖中的 AR 游戲不合理問題
對于 AR 來說，3D 視覺將會幫助智能手機更好地實現(xiàn) SLAM（Simultaneous localization and mapping，實時定位和地圖構(gòu)建）技術(shù)——而 SLAM 技術(shù)則是 AR 實現(xiàn)的核心。雷鋒網(wǎng)曾經(jīng)報道過，蘋果 ARKit 的一大厲害之處是，只通過手機的單目攝像頭，結(jié)合 IMU，在智能手機上實現(xiàn) SLAM 技術(shù)；而依托于普通攝像頭無法比擬的景深信息和建模能力，3D 視覺技術(shù)則可以幫助智能手機實現(xiàn)更高級的視覺 SLAM（也稱 VSLAM），從而手機上實現(xiàn)各種各樣復(fù)雜的 AR 應(yīng)用。
對此，胡科峰也表示，測通過 3D 和 IMU 等的結(jié)合，智能手機應(yīng)用層面的最終方向一定是 AR 這個大方向，而且還要與 5G 結(jié)合起來，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 視覺終于在智能手機上體現(xiàn)出它的使用價值；由于蘋果在技術(shù)上的雄厚實力和它對用戶體驗的重視，iPhone X 以 3D 結(jié)構(gòu)光技術(shù)打造了可以直接用于面部識別的 Face ID，并且迅速取代了 Touch ID。
于是，以消費級的智能手機為著眼點，各大 Android 廠商紛紛開始發(fā)力 3D 視覺，基于技術(shù)與應(yīng)用場景的結(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“點云深度攝像頭”的散斑結(jié)構(gòu)光手機配件，具有 3D 人臉識別與解鎖、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)，號稱是 Android 首款 Face ID 手機。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，這款旗艦手機的其中一個主要賣點，就是 “FaceKey 3D 結(jié)構(gòu)光”技術(shù)和“雙軌潛望結(jié)構(gòu)”設(shè)計，而背后的供應(yīng)商是奧比中光，雙方是獨家合作關(guān)系。從應(yīng)用場景上來看，OPPO Find X 的 3D 結(jié)構(gòu)光主要用于人臉識別解鎖、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。它在功能上也實現(xiàn)了人臉解鎖、人臉支付，同時還可以通過 3D 結(jié)構(gòu)光的 3D 景深感測功能來實現(xiàn)實時的 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 3D 結(jié)構(gòu)光模組由歐菲光和舜宇供應(yīng)。
不過，在積極探索 3D 結(jié)構(gòu)光的同時，整個業(yè)界對更適用于后置攝像頭的 ToF 技術(shù)的探索也在持續(xù)進行（當(dāng)然有報告中，蘋果也在積極部署 ToF 技術(shù)）；與此同時，隨著整個行業(yè)在屏幕指紋識別技術(shù)上的一步步推進，3D 結(jié)構(gòu)光帶來的解鎖便利似乎被逐步消解——于是，ToF 技術(shù)在 Android 陣營中受到歡迎。
首先上馬 ToF 的機型，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，該機型同樣搭載了 ToF 技術(shù)。由于是前后雙屏方案，這款機型也能夠?qū)崿F(xiàn) ToF 技術(shù)輔助下的三攝自拍，并且可以實現(xiàn) ToF 人臉識別，該人臉識別功能可以實現(xiàn) 24 小時人臉解鎖，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際、歐菲科技和三星電機供應(yīng)，其中 3D ToF 模組由信利國際獨供；其他兩顆攝像頭模組由歐菲科技和三星電機供應(yīng)，而三星電機是主供。
vivo NEX 雙屏版發(fā)布數(shù)天之后，華為旗下的品牌榮耀在 2018 年年底的旗艦機型 V20 中也搭載了 ToF 技術(shù)，在發(fā)布會現(xiàn)場，榮耀現(xiàn)場展示了體感游戲、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，其中包含一款可實現(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，ToF 技術(shù)極有可能出現(xiàn)在其他的三星手機上，比如說下半年的三星 Note 10。
三星的韓國「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，讓拍出的畫面更具層次感；
實現(xiàn)專業(yè)級的人像虛化，甚至可以精細到發(fā)絲；
實現(xiàn) 3D 體感游戲，3D 魔術(shù)師等功能；
利用深度感知功能，實現(xiàn)對物品的長度、高度和面積的測量。
可以看到，華為 P30 Pro 對 ToF 技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面，一個是在手機拍照過程中對畫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)所開辟的其他應(yīng)用場景，比如說 3D 體感游戲、AR 等。不過，從本質(zhì)上來看，這兩個方面都是離不開 ToF 技術(shù)的基本原理，就是對畫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 來自 Lumentum；陶瓷盒子來自京瓷；Diffuser 擴散器來自 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)實現(xiàn)的關(guān)鍵器件（比如說 3D 圖像傳感器）背后的供應(yīng)商還并不明確。
另外，一個不得不重點關(guān)注的是蘋果在 ToF 技術(shù)方面的動向。2018 年 11 月，美國專利商標(biāo)局（USPTO，The United States Patent and Trademark Office）公布了蘋果新的專利申請，專利顯示，蘋果可能使用光學(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 來改進深度攝像頭。
如此，蘋果什么時候在 iPhone 上馬 ToF，則成為業(yè)界的另外一個關(guān)注點了。
2013 年 9 月，蘋果在最新發(fā)布的 iPhone 5s 機型上搭載了指紋識別技術(shù)，一時引爆了指紋識別的行業(yè)供應(yīng)鏈；短短幾年時間，指紋識別就已經(jīng)從旗艦機型下探到入門機型，最后在智能手機上基本上實現(xiàn)全面普及，成為智能手機的標(biāo)配。
那么，3D 視覺技術(shù)會像指紋識別那樣在智能手機上普及嗎？
胡科峰表示，僅僅從解鎖支付的角度來看，如果指紋技術(shù)的出現(xiàn)對解鎖體驗的提升是 60 分到 80 分的話，那么 3D 視覺帶來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烈，因此普及速度更快。
胡科峰表示，對于智能手機來說，3D 視覺方案的場景除了解鎖支付（甚至說解鎖支付只是附贈的一個功能），還有很多方面的應(yīng)用潛力，比如說 AR 游戲、AR 視頻通話，但這些應(yīng)用還沒有得到充分的開發(fā)，而且還要跟 AI、5G 等技術(shù)相結(jié)合——如果開發(fā)到一定階段，3D 視覺也會逐漸走向普及。
毫無疑問，3D 視覺已經(jīng)成為整個智能手機行業(yè)正在積極擁抱的一個技術(shù)趨勢，它也包含著眾多的應(yīng)用潛力，并且會隨著 AI 和 5G 的發(fā)展找到更大的生機；3D 視覺技術(shù)無疑會走向更多的智能手機，但眼下仍然集中于旗艦機型，要想實現(xiàn)在產(chǎn)品定位和價格上的下探，恐怕還需要經(jīng)歷一個較長的過程。
另外，從現(xiàn)有的發(fā)展態(tài)勢來看，智能手機廠商對 3D 視覺的選擇已經(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——實際上，Google 當(dāng)年力推的 Project Tango 的量產(chǎn)機型 Phab 2 Pro 正是采用了 ToF 技術(shù)，華碩亦有過嘗試，但都沒有獲得好的市場反響。最終 Google 不得不在 2017 年終止 Project Tango 而改用 ARCore 來推進 AR。
所以，最后的問題來了，如今 ToF 技術(shù)已經(jīng)被越來越多的手機廠商所支持，那么 Google 是不是要考慮復(fù)活 Project Tango 了？
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