智能手機進(jìn)入3D成像時(shí)代

 自從蘋(píng)果(Apple)去年推出iPhone X以來(lái)，業(yè)界觀(guān)察家對于其3D傳感(3D sensing)技術(shù)的看法兩極。3D傳感技術(shù)在智能手機用戶(hù)中很流行嗎？它會(huì )是未來(lái)每一支智能手機的必備功能嗎？

答案是還沒(méi)有。當今智能手機業(yè)者的共識是——現在仍然是3D成像“時(shí)代”的早期階段。

Apple TrueDepth相機系統（來(lái)源：Apple）

業(yè)界對于智能手機搭載3D傳感技術(shù)的看法紛歧——從“為什么要這么麻煩？”到“這就是未來(lái)”等各種解讀都有。反對3D傳感的論點(diǎn)就來(lái)自于那些深信“屏幕內(in-display)指紋傳感器就夠了”和“數位攝影勝過(guò)3D傳感”的智能手機相機“鐵粉”。

雖然有些人認為iPhone X競爭對手就是因為缺少了成熟的3D傳感技術(shù)而導致市場(chǎng)興趣缺缺，但其他人并不同意這樣的看法。Yole Developpement成像技術(shù)與市場(chǎng)首席分析師Pierre Cambou解釋?zhuān)@是因為“Apple在這方面的的發(fā)展更超前”。

此外，由于垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)等關(guān)鍵3D傳感組件供應受限，導致搭載結構光3D傳感技術(shù)的智能手機短缺——超過(guò)8個(gè)月以上。幾位業(yè)界人士指出，這些關(guān)鍵3D傳感組件早就已經(jīng)被Apple等公司鎖定了。

中國業(yè)者崛起

同時(shí)，中國當然也看準了3D傳感市場(chǎng)。

過(guò)去幾個(gè)月來(lái)，當小米(Xioami)、Oppo和Vivo等中國智能手機OEM陸續發(fā)布其3D傳感計劃時(shí)，3D傳感應用取得了積極進(jìn)展。今年5月，小米宣布推出Mi 8 Explore Edition新機，被譽(yù)為”全球首款支持3D人臉識別的Android智能手機”。

而在6月，Oppo推出配備6.42英吋AMOLED顯示器的Find X智能手機，支持3D傳感功能，價(jià)格高達750美元，同時(shí)也被視為Mi 8的直接競爭對手。

同樣在6月，Vivo表示其Face ID認證系統將采用新的3D傳感技術(shù)。相較于使用結構光技術(shù)實(shí)現3D傳感的Apple iPhone X，Vivo將會(huì )部署的是3D飛行時(shí)間(ToF)傳感技術(shù)。

小米Mi 8 Explorer智能手機搭載Face ID（來(lái)源：小米）

業(yè)界一直密切關(guān)注這些中國OEM的3D傳感技術(shù)合作伙伴。小米與以色列的迅聯(lián)光電(Mantis Vision)合作，打造基于結構光的3D技術(shù)。OPPO則與中國深圳奧比中光科技(Orbbec 3D Technology International Inc.)合作，同樣使用結構光。據報導，Vivo使用的ToF技術(shù)來(lái)自與德國錫根(Siegen)的PMD Technologies AG合作。然而，Cambou補充說(shuō)，Oppo還可能會(huì )改與Sony合作。

加碼投入3D技術(shù)進(jìn)展

Yole Developpment最近發(fā)表了一份名為“3D成像與傳感技術(shù)，2018年版”(3D Imaging & Sensing, 2018 edition)的報告，詳細介紹各種系統所使用的技術(shù)、3D傳感生態(tài)系統中的關(guān)鍵參與者，以及3D技術(shù)的市場(chǎng)規模和預測。

Cambou是這份報告的共同作者之一，針對3D傳感進(jìn)行了深入分析。他告訴《EE Times》的記者，“Yole深信3D傳感技術(shù)將快速發(fā)展。”

他指出，3D傳感模塊十分復雜，加上Apple為其TruDepth相機選擇的結構光技術(shù)成本高，這一部份解釋了為什么Android手機必須要花將近八個(gè)月甚至更長(cháng)的時(shí)間才能趕上Apple。

雖然Apple的TrueDepth在2017年之前就確立了3D前置相機的趨勢，但Yole坦言，（3D傳感應用）的浪潮在量方面轉趨保守。

每一支新iPhone都有3D——包括正面和背面？

據坊間媒體猜測，今年秋季計劃發(fā)布的Apple新款iPhone都將配備3D前置攝影機。

在iPhone X中，Apple僅將3D傳感技術(shù)用于前置攝影機?，F在更大的問(wèn)題是3D是否也能翻轉以及支持后向攝影機。

盡管Cambou確信前置3D的發(fā)展，但對于后置攝影機采用3D仍抱持懷疑態(tài)度。他指出，擴增實(shí)境(VR)和虛擬現實(shí)(AR)一直欠缺市場(chǎng)動(dòng)能，AR的銷(xiāo)售推廣和游戲都尚未在市場(chǎng)起飛。因此，他質(zhì)疑后置攝影機要搭載3D可能仍是“未來(lái)的一個(gè)利基市場(chǎng)“。

但Apple的3D傳感供應商們似乎不這么認為。Cambou承認，他們看好3D傳感作為“通用接口“的前景。從意法半導體(STMicroelectronics；ST)最近召開(kāi)的季度財報電話(huà)會(huì )議看來(lái)，據Cambou的觀(guān)察，”他們似乎過(guò)度看好3D傳感將進(jìn)入智能手機前、后攝像頭市場(chǎng)“。

那么有多少智能手機相機將會(huì )配備3D傳感技術(shù)？滲透率如何？Yole預測，2017年約有1.4%的滲透率，并將在2023年成長(cháng)至55%。至于營(yíng)收呢？

Yole預測這一市場(chǎng)正強勁成長(cháng)。2017年3D傳感市場(chǎng)規模估計約有20億美元，包括用于消費、汽車(chē)、醫療、商業(yè)、科學(xué)、國防和航天等領(lǐng)域，并將在2023年達到180億美元。據Cambou指出，這一營(yíng)收數字的貢獻來(lái)自于較“先前預測更高的平均銷(xiāo)售價(jià)格(ASP)，以及消費裝置的3D采用率成長(cháng)“。

事實(shí)上，在部署3D的所有細分市場(chǎng)中，Yole預測3D傳感技術(shù)市場(chǎng)將以82%的復合年成長(cháng)率(CAGR)成長(cháng)，自2017年的3.75億美元成長(cháng)至2023年約為138億美元。相形之下，他預測汽車(chē)市場(chǎng)的CAGR為35%，自2017年的3.91億美元成長(cháng)至2023年約為24億美元。

3D的發(fā)展脈絡(luò )

很顯然地，3D傳感讓Apple得以用Face ID取代指紋傳感器。正如Yole所說(shuō)的，iPhone X的3D傳感應用實(shí)現了“輕松解鎖“、”透過(guò)人臉識別實(shí)現安全性“、”游戲“(如Avatar)以及”漸變“(morphing)等功能，包括在Facebook、Snapchat和Instagram等社群媒體的實(shí)時(shí)濾鏡(AR、臉部漸變與合成等)等。

但如果你只是在智能手機的發(fā)展背景下思考3D，很可能會(huì )錯過(guò)3D為市場(chǎng)帶來(lái)的更大機會(huì )。

Cambou：“想想亞馬遜(Amazon)的Echo如何透過(guò)連接語(yǔ)音與人工智能(AI)，并將語(yǔ)音提升為主要用戶(hù)接口(UI)，從而改變了人機接口(HMI)“。同樣地，3D傳感技術(shù)使得生物特征識別”萬(wàn)無(wú)一失“，如人臉識別等。因此，他強調，3D也開(kāi)啟了通往AI的大門(mén)。

事實(shí)上，智能手機讓3D傳感更加普及。但3D傳感并不僅僅是智能手機的專(zhuān)屬功能。Cambou說(shuō)，它還具有深遠的社會(huì )和政治影響力。

他在最近發(fā)表的“人臉識別技術(shù)：亟需公共監管與企業(yè)責任“(Facial recognition technology: The need for public regulation and corporate responsibility)部落格文章中提到：”鑒于人臉識別技術(shù)的廣泛社會(huì )影響力以及被濫用的可能性，政府實(shí)施周全的監管似乎特別重要，否則可能導致公共機構以帶有缺陷或偏見(jiàn)的技術(shù)方法來(lái)決定要追蹤或調查誰(shuí)，甚至逮捕罪犯等。“

因此，3D傳感的影響力更甚于在這里討論誰(shuí)家的智能手機搭載3D或使用哪一家的3D技術(shù)等。

3D技術(shù)生態(tài)系統

然而，從工程的角度來(lái)看，最耐人尋味之處在于揭密移動(dòng)設備中搭載的各種深度傳感技術(shù)途徑。在即將來(lái)臨的3D傳感時(shí)代，全球生態(tài)系統中的每一家參與業(yè)者都在爭搶設計訂單。

簡(jiǎn)而言之，結構光和ToF技術(shù)是目前可用于深度傳感的兩種不同方法。結構光透過(guò)將已知圖案投影到對象上再進(jìn)行3D掃描。當光線(xiàn)照射到物體上，圖案會(huì )變形。這時(shí)再透過(guò)結構光分析已知圖案的變形情況，以推斷深度。

ToF則透過(guò)調變光源照射場(chǎng)景，并觀(guān)察反射光源。測量照明和反射之間的相移后，再將其轉換為距離。

雖然Apple為其前置深度相機選擇了結構光途徑，作為3D成像時(shí)代的起點(diǎn)，但Yole深信3D前端模塊“未來(lái)可能會(huì )朝向ToF技術(shù)發(fā)展”。Cambou認為，ToF途徑“在陽(yáng)光直射下更可靠，而且運算需求更低“。

移動(dòng)設備中的深度傳感技術(shù)（來(lái)源：Yole Developpement）

Yole描述了三種不同的3D成像和傳感技術(shù)——包括立體視覺(jué)、結構光到ToF。其中，ToF在技術(shù)上最不成熟。但可提供ToF解決方案的主要業(yè)者包括PMD、Sony、ST和英飛凌科技(Infineon Technologies)。結構光技術(shù)則有Mantis、Vision、ams和ST、英特爾(Intel)、奇景光電(Himax)以及韓國的Namuga。ST同時(shí)投入兩大技術(shù)陣營(yíng)。

Yole預期，短期內，Apple并不至于從結構光轉向ToF。Cambou認為，Apple至少要再過(guò)二到四年才可能推出新的硬件。同時(shí)，他補充說(shuō)，ST是iPhone X基于結構光的3D技術(shù)供貨商，“但它同時(shí)也推出了基于ToF的3D技術(shù)。”

數碼攝影與3D傳感

Apple如今面臨的一個(gè)窘境是對于3D傳感博下重注，最后是否可能會(huì )因為犧牲傳統數碼攝影質(zhì)量反而傷害了Apple自己？

Cambou以華為(Huawei)為例指出，該公司現正斥重資于數碼攝影。以主動(dòng)矩陣(用于傳統攝影)的尺寸來(lái)比較，他計算出Apple僅用了52 mm2，而三星(Samsung)則有91 mm2，華為的是112 mm2。

誰(shuí)在打造3D深度傳感技術(shù)？

在Yole的協(xié)助下，《EE Times》列出了3D傳感生態(tài)系統的關(guān)鍵業(yè)者，尤其是在3D軟件/計算和3D系統設計領(lǐng)域。

3D軟件與計算

Faceshift (Apple旗下子公司)

Apple在2015年底悄悄地收購了Faceshift——這是一家從瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院(EPFL)獨立出來(lái)的新創(chuàng )公司。這家瑞士新創(chuàng )公司開(kāi)發(fā)了一種能實(shí)時(shí)捕捉角色的人臉識別而打造動(dòng)畫(huà)化身的技術(shù)。

Apple iPhone X提供Animoji動(dòng)畫(huà)表情（來(lái)源：Apple）

聽(tīng)起來(lái)很耳熟吧？沒(méi)錯！就是有了Faceshift的臉部追蹤技術(shù)，才成就了iPhone X Animoji動(dòng)畫(huà)表情的基礎。

Movidius (英特爾旗下子公司)

英特爾子公司Movidius在今年初推出Myriad X視覺(jué)處理單元(VPU)，被稱(chēng)為“業(yè)界首款帶有專(zhuān)用神經(jīng)運算引擎的SoC，可用于邊緣為深度學(xué)習推理進(jìn)行硬件加速。”

Movidius在被收購之前，即展開(kāi)3D傳感的技術(shù)開(kāi)發(fā)。其芯片最初用于作為3D渲染的引擎。Movidius曾與Google合作開(kāi)發(fā)Tango (Google先進(jìn)技術(shù)與項目。

Project Tango（Google）

Google Project Tango的目標是使用計算機視覺(jué)，讓移動(dòng)設備能夠在沒(méi)有GPS或其他外部信號的情況下，檢測其相對于周?chē)h(huán)境的3D位置。Movidius為Project Tango提供了一種用于計算機視覺(jué)定位與動(dòng)作追蹤的芯片。

Movidius的超低功耗視覺(jué)芯片最先出現在這一市場(chǎng)上，并成為3D傳感在移動(dòng)設備上的先驅。大多數的視覺(jué)處理平臺出現在2010年初，例如微軟(Microsoft)一開(kāi)始的Kinect中搭載的PrimeSense芯片(比Movidius的視覺(jué)處理器功耗更高)。值得注意的是，PrimeSense于2013年底被Apple以3.6億美元收購。

Project Tango (來(lái)源：Google)

Softkinetic (現為Sony Depthsensing Solution)

2015年10月，Sony收購位于比利時(shí)的3D傳感計算機視覺(jué)技術(shù)制造商SoftKinetics。SoftKinetic的技術(shù)包括微軟的Kinect深度相機、CMOS深度芯片和手勢追蹤中介固件。

從各種跡象來(lái)看，這家日本巨擘目前正積極地成為3D CMOS ToF傳感器和相機的關(guān)鍵廠(chǎng)商，Sony并于去年底將SoftKinetics改名為Sony Depthsensing Solution。

Sony最新的娛樂(lè )機器人'aibo'就采用了DepthSense技術(shù)和手勢識別軟件（來(lái)源：Sony）

據Sony表示，SoftKinetic開(kāi)發(fā)CMOS 3D傳感器、3D相機參考設計、SDK、算法以及用于手勢識別、對象掃描、汽車(chē)控制和AR/VR等應用，始終如一地提供3D傳感和處理方面的先進(jìn)解決方案。

由布魯塞爾團隊開(kāi)發(fā)的DepthSense相機模塊和軟件已經(jīng)被設計用于Sony最新的娛樂(lè )機器人——aibo。

Inuitive

以色列無(wú)晶圓廠(chǎng)芯片公司Intuitive Ltd.專(zhuān)注于3D成像的發(fā)展。去年秋天，該公司推出了一款多核心視覺(jué)處理器NU4000，支持3D成像、深度學(xué)習和計算機視覺(jué)處理，適用于A(yíng)R/VR、無(wú)人機、機器人和許多其他應用。

視頻鏈接：https://youtu.be/lsz4kJo-yz8

該公司聲稱(chēng)，其新款處理器將實(shí)現“高質(zhì)量的深度傳感、芯片上SLAM、計算機視覺(jué)和深度學(xué)習(CNN)等——這些功能都整合于精巧的外形和最低功耗中。”

3D系統設計

LIPS

臺灣立普思(LIPS)成立于2013年，是3D深度相機和3D完整解決方案的供貨商，擁有專(zhuān)利的相機設計和軟件算法。

LIPSedge M3是一款專(zhuān)為嵌入式系統設計的多功能ToF深度相機，可產(chǎn)生實(shí)時(shí)3D數據（來(lái)源：LIPS）

LIPS設計、建構和客制3D深度相機，同時(shí)還創(chuàng )建了識別中介固件和解決方案，以滿(mǎn)足OEM的各種應用，包括機器人真空吸塵器、AR/VR、家用機器人、ADAS和工廠(chǎng)自動(dòng)化等。

Mantis Vision

以色列Mantis Vision將自家定位為3D視覺(jué)的重要推手，并為其技術(shù)繪制了3D視覺(jué)的美好未來(lái)——讓消費者可在智能手機上拍攝3D照片或使用平板電腦掃描對象，然后將其發(fā)送到3D打印機。該公司擁有所謂的“專(zhuān)用編碼結構光技術(shù)”。

Mantis Vision的模式采用獨特的程序代碼，能在更小面積上識別較標準方法更多的點(diǎn)。該公司聲稱(chēng)，這種獨特的技術(shù)提供了更高的分辨率和準確度，以降低最小的對象尺寸（來(lái)源：Mantis Vision）

Mantis Vision不久前還宣布與小米合作，該公司首席執行官Gur Arie Bittan指出，該公司的團隊克服了許多挑戰，透過(guò)使用其內部IP，才使迅聯(lián)開(kāi)發(fā)出市場(chǎng)上最具成本效益的3D結構光攝像頭模塊。

他指出，該公司還能夠將光學(xué)堆棧和尺寸從厘米(cm)縮小到毫米(mm)，并采用當時(shí)仍處于新興技術(shù)的VCSEL雷射，滿(mǎn)足OEM廠(chǎng)商的功耗要求，并符合眼睛安全規定。他表示，Mantis Vision還能打造了一個(gè)與RGB現有相機同步的攝影機支架模塊、定義并準備量產(chǎn)校準，以及開(kāi)發(fā)一個(gè)可在A(yíng)rm Core上執行的有效譯碼模式算法和管線(xiàn)。

Orbbec

深圳奧比中光科技是黃源浩在2013年成立的公司。他畢業(yè)于中國北京大學(xué)，并在美國麻省理工學(xué)院(MIT)的SMART Center取得博士學(xué)位。他以雷射散斑干涉、數字散斑相關(guān)、射彈結構光和計算機視覺(jué)等方面的研究而聞名。自2001年以來(lái)，他一直在研究和開(kāi)發(fā)3D掃描技術(shù)。

據奧比中光表示，“過(guò)去三年來(lái)一直在努力實(shí)現3D——完善該公司的Astra 3D相機系列，并設計內建完備計算機功能的Orbbec Persee 3D相機。

Astra Mini有兩個(gè)版本。短程版Astra Mini S相機支持0.35～1公尺的追蹤范圍，Astra Mini遠程相機的范圍約為0.6～5公尺（來(lái)源：Orbbec）

Orbbec聲稱(chēng)其Astra 3D相機“比當今市場(chǎng)上的其他相機更好”，提供“最高深度分辨率、更卓越的范圍、卓越的準確性和最低延遲”。

Orbbec據稱(chēng)是Oppo的合作伙伴——使用其基于結構光的3D傳感技術(shù)。

PMD

德國PMD Technologies AG成立于2002年，致力于開(kāi)發(fā)CMOS半導體3D ToF組件，同時(shí)為數碼3D成像領(lǐng)域提供工程支持。

值得一提的是，該公司引以為榮的先進(jìn)ToF技術(shù)——整合于芯片上，PMD稱(chēng)其“十分精巧、可擴展且功能強大”。

德國徠卡(Leica)為PMD設計了專(zhuān)用的光學(xué)鏡頭，用于其移動(dòng)設備的3D深度傳感成像器和相機模塊。（來(lái)源：PMD）

PMD并為OEM的相機開(kāi)發(fā)提供參考設計，包括標準和客制版。PMD聲稱(chēng)擁有多年的ToF相機設計經(jīng)驗，可協(xié)助系統設計人員加速其硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程，而該公司的可擴展技術(shù)“將符合各種不同的特定相機模塊要求”。

英飛凌一直是PMD的長(cháng)期合作伙伴。雙方共同開(kāi)發(fā)了用于3D人臉識別的ToF影像傳感器。英飛凌的Real3 (或IRS238xC)尺寸還不到12mm x 8mm，包括接收光學(xué)系統和VCSEL照明，能將相機模塊整合于智能手機中。

PMD據傳與中國智能手機供應商Vivo合作伙伴，為其提供配備基于ToF的3D技術(shù)。