去年9月13日,蘋(píng)果推出了擁有多項(xiàng)重大升級(jí)的iPhone X,除了異形切割的“劉海屏“之外,最為引人關(guān)注的還是其首次搭載了基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的3D sensing模組,實(shí)現(xiàn)了3D人臉識(shí)別,并以Face ID徹底取代了Touch ID指紋識(shí)別。由此也徹底引爆了3D感測(cè)市場(chǎng)。 國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商也紛紛對(duì)于iPhone X掀起了一股“學(xué)習(xí)”熱潮。雖然現(xiàn)在包括華為在內(nèi)的眾多國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商都紛紛推出了與iPhone X類(lèi)似的劉海屏,而且也有非常多的手機(jī)廠商推出了支持人臉識(shí)別的手機(jī),但是基本都是基于2D/2.5D感測(cè)技術(shù)的,而到目前為止還沒(méi)有任何一家國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商有推出真正支持3D感測(cè)的智能手機(jī)。不過(guò),華為、小米、OPPO等廠商都在積極的推動(dòng)。 此前凱基證券分析師郭明池也曾表示,蘋(píng)果的3D感測(cè)技術(shù)已經(jīng)領(lǐng)先安卓陣營(yíng)至少一年。另外,今年年初,郭明池還透露安卓陣營(yíng)中,華為將第一個(gè)用上類(lèi)似蘋(píng)果的3D結(jié)構(gòu)光模組,時(shí)間點(diǎn)要等到2019年。 不過(guò),令人意外的是,OPPO似乎是要搶先在華為、小米之前推出基于3D感測(cè)技術(shù)的智能手機(jī)。 OPPO公布3D感測(cè)進(jìn)展 2018年5月10日,OPPO在深圳舉行“5G&3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)媒體溝通會(huì)”,正式公布了其基于結(jié)構(gòu)光的3D感測(cè)技術(shù)的進(jìn)展。 在本次媒體溝通會(huì)上,OPPO介紹了其在3D結(jié)構(gòu)光+5G的應(yīng)用方面的探索。 相比傳統(tǒng)的2D面部識(shí)別,OPPO的3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)可更好的應(yīng)用于安全支付、三圍重建、AR、游戲等眾多場(chǎng)景。 OPPO表示,特別是在對(duì)于安全性要求較高的支付領(lǐng)域,其3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)可基于深度學(xué)習(xí)的人臉智能識(shí)別算法能快速?gòu)妮斎氲娜四樇t外特征信息與深度信息中提取個(gè)人的安全識(shí)別特征。安全特征具有10000+維度信息,可以保證達(dá)到百萬(wàn)分之一的精度,算法將此安全信息與錄入時(shí)安全信息進(jìn)行匹配決定是否安全認(rèn)證通過(guò)。 在用戶比較關(guān)注的美顏方面,通過(guò)3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)3D美顏。通過(guò)結(jié)構(gòu)光深度相機(jī)將3D人像還原出來(lái),然后基于高精度的3D人臉信息進(jìn)行更細(xì)致的磨皮、美白、大眼、瘦臉,使得人像更加立體自然。 此外,利用3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)還可以對(duì)人臉進(jìn)行更精確的3D重建,并模擬影棚燈光進(jìn)行3D補(bǔ)光渲染,可以拍出更出色的照片,后期處理也有更多的空間。 在3D結(jié)構(gòu)光+5G的應(yīng)用方面,OPPO認(rèn)為3D視頻通話是一個(gè)比較好的場(chǎng)景,由于3D視頻流數(shù)據(jù)量較高,所以與5G網(wǎng)絡(luò)是非常好的搭配。 另外,在3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)還可以帶來(lái)3D AR、3D游戲等更豐富的體驗(yàn)。 在溝通會(huì)現(xiàn)場(chǎng),OPPO 也演示了3款DEMO,分別包括5G下載速率,3D生物識(shí)別,以及3D視頻建模。 現(xiàn)場(chǎng)展示的3D人臉識(shí)別的DEMO,識(shí)別解鎖速度非??臁?/p> 據(jù)OPPO介紹,其3D人臉識(shí)別已經(jīng)具備量產(chǎn)條件,預(yù)計(jì)在未來(lái)6個(gè)月內(nèi)推出相應(yīng)終端產(chǎn)品。 為什么都選擇3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)? 目前,可以應(yīng)用在智能手機(jī)端的3D感測(cè)技術(shù)主要有有“飛行時(shí)間”(Time of Flight)和“結(jié)構(gòu)光”(Structured Light)兩大類(lèi)。 飛行時(shí)間與結(jié)構(gòu)光技術(shù)原理 所謂飛行時(shí)間技術(shù),就是傳感器發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光,遇物體后反射,隨后傳感器通過(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,從而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)。此前被聯(lián)想和谷歌極為重視的Project Tango手機(jī)使用的就是 ToF 技術(shù)。 “結(jié)構(gòu)光”(Structured Light),就是將近紅外激光器發(fā)出的光柵或線光源等投射到被測(cè)物上,再由近紅外攝像頭采集返回的信號(hào),根據(jù)物體產(chǎn)生的光信號(hào)的變化來(lái)計(jì)算出被測(cè)物的三維信息。這其中近紅外激光發(fā)射器和近紅外攝像頭之間的距離則為三角測(cè)距的基線。 由于兩種技術(shù)都是采用的紅外光,所以即使在夜間也能夠使用。 從上面這張對(duì)比圖上我們可以看到,TOF技術(shù)具有響應(yīng)時(shí)間更快,低光下表現(xiàn)良好,強(qiáng)光下表現(xiàn)尚可,深度信息精確度高、識(shí)別距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì),但是其也有著分辨率底、成本高、功耗高的劣勢(shì)。 而結(jié)構(gòu)光優(yōu)勢(shì)則在于低光下表現(xiàn)良好,分辨率更高,成本、功耗適中,主要缺點(diǎn)是易受陽(yáng)光影響,識(shí)別距離短,相應(yīng)時(shí)間稍慢的缺點(diǎn)。 但是如果只是用于智能手機(jī)的前置3D感測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行人臉識(shí)別/解鎖 和人臉建模等,結(jié)構(gòu)光技術(shù)應(yīng)該是要比TOF技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。 因?yàn)橥ㄟ^(guò)智能手機(jī)的前置3D系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行面部識(shí)別這種應(yīng)用場(chǎng)景本身識(shí)別的距離就很近,所以不存在需要支持更遠(yuǎn)的識(shí)別距離的問(wèn)題。另外結(jié)構(gòu)光相比TOF技術(shù),短距離的精度更高,也更適合用在手機(jī)前置攝像頭上。而且其分辨率、相應(yīng)時(shí)間已經(jīng)足以應(yīng)對(duì)手機(jī)端面部識(shí)別的需求(采用TOF技術(shù)的Project Tango手機(jī)是后置3D系統(tǒng),其作用也不是主要用于面部識(shí)別/解鎖)。 另外,就兩種技術(shù)所產(chǎn)生的深度圖來(lái)看,TOF深度圖會(huì)存在多重反射產(chǎn)生的噪音、邊緣精細(xì)度過(guò)低、時(shí)域?yàn)V波導(dǎo)致滯后等問(wèn)題。而結(jié)構(gòu)光的深度圖則只有邊界線清晰度略低的問(wèn)題。 最后,由于是用在智能手機(jī)這樣的消費(fèi)類(lèi)移動(dòng)設(shè)備上,所以成本、功耗也都是需要考慮的因素。 所以總的來(lái)說(shuō),如果是手機(jī)前置3D面部識(shí)別系統(tǒng),結(jié)構(gòu)光技術(shù)相比TOF技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。這也是為何蘋(píng)果、OPPO、華為、小米等廠商都選擇3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的主要原因。 3D結(jié)構(gòu)光模組的關(guān)鍵器件 3D結(jié)構(gòu)光模組當(dāng)中的結(jié)構(gòu)光發(fā)射器(即iPhone X上的Dot projector)是整個(gè)模組當(dāng)中最為核心的關(guān)鍵器件。 而結(jié)構(gòu)光發(fā)射器當(dāng)中又包含了光學(xué)衍射元件(DOE)、準(zhǔn)直鏡頭(WLO)和VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,垂直共振腔表面放射激光)等關(guān)鍵元器件。 準(zhǔn)直鏡頭(WLO)是利用光的折射原理,將波瓣較寬的衍射圖案校準(zhǔn)匯聚為窄波瓣的近似平行光。光學(xué)衍射元件(DOE)是利用光的衍射原理,將點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換為散斑圖案。 結(jié)構(gòu)光發(fā)射器原理就是VCSEL發(fā)出940nm點(diǎn)激光之后,通過(guò)WLO準(zhǔn)直鏡頭校準(zhǔn)為線性激光,然后線性激光照射在DOE上發(fā)生衍射,形成近千個(gè)具備調(diào)制信息的光斑。這其中VCSEL可以說(shuō)是最為核心的關(guān)鍵器件。iPhoneX中就使用了三顆VCSEL芯片。 目前,具有VCSEL芯片設(shè)計(jì)能力的公司,全球只有少數(shù)幾家,例如Lumentum、Finisar、Princeton Optronics(已被ams艾邁斯半導(dǎo)體收購(gòu))、Heptagon、ⅡⅥ等公司,并且大都是從光通信芯片領(lǐng)域,轉(zhuǎn)型到消費(fèi)電子市場(chǎng)的。 根據(jù)資料顯示,目前Lumentum是iPhone X的VCSEL芯片的主要供應(yīng)商,而Finisar是第二大供應(yīng)商,艾邁斯半導(dǎo)體則是第三家供應(yīng)商。 雖然國(guó)內(nèi)廠商在VCSEL這塊起步相對(duì)較晚,目前光通信芯片企業(yè)光訊科技和華芯半導(dǎo)體都已具備了VCSEL芯片量產(chǎn)能力,華工科技的子公司華工正源也很有潛力,但目前這幾家公司的主要精力還是放在光通信領(lǐng)域。另外,三安光電在2016年也切入了VCSEL產(chǎn)業(yè)。國(guó)內(nèi)初創(chuàng)企業(yè)縱慧光電也正在開(kāi)發(fā)并批量試產(chǎn)VCSEL。但是,到目前為止,國(guó)內(nèi)尚無(wú)一家擁有針對(duì)移動(dòng)端3D感測(cè)市場(chǎng)的VCSEL芯片量產(chǎn)能力的企業(yè)。 在VCSEL設(shè)計(jì)和芯片代工方面,臺(tái)灣廠商也具有一定的優(yōu)勢(shì)。比如在上游方面,全新、聯(lián)亞與光環(huán)科技都積淀了十五年的外延與芯片技術(shù),LED大廠晶電也早做了布局。芯片制造方面,Lumentum的代工訂單是交給了穩(wěn)懋,宏捷科技則拿下了Princeton Optronics的代工訂單。封裝方面,臺(tái)灣也累積了長(zhǎng)久的精密封裝實(shí)力,目前聯(lián)鈞、華信、華星、光環(huán)、矽品與同欣都是有實(shí)力可以達(dá)到世界大廠要求的封裝技術(shù)。此外,長(zhǎng)期專注VCSEL技術(shù)與產(chǎn)品的公司華立捷,更是具有上中下游垂直整合的實(shí)力,也是目前在VCSEL模組上可以跟國(guó)際大廠競(jìng)爭(zhēng)的公司。 最后需要補(bǔ)充的是,ams近年來(lái)通過(guò)自主研發(fā)以及一些列的收購(gòu),目前已經(jīng)擁有了包括VCSEL、WLO、DOE等關(guān)鍵器件在內(nèi)的全套的光學(xué)傳感器解決方案(而且還有TOF的方案)。ams也是蘋(píng)果iPhone X的WLO 鏡頭主要供應(yīng)商。 3D感測(cè)模組供應(yīng)商 介紹完了核心器件,我們?cè)賮?lái)介紹一下3D感測(cè)模組的主要供應(yīng)商,由于廠商較多,所以下面我們就主要介紹幾家能夠提供手機(jī)端/移動(dòng)端3D感測(cè)模組的廠商。 1、LG Innotek 眾所周知,蘋(píng)果iPhone X的3D感測(cè)模組主要是由LG旗下的電子零部件制造商LG Innotek供應(yīng)的。根據(jù)LG Innotek的審計(jì)報(bào)告顯示,其2017年的銷(xiāo)售額中的37.6億美元是來(lái)自向蘋(píng)果公司供應(yīng)提供基板材料和光學(xué)解決方案,占其2017年銷(xiāo)售總額71.9億美元的一半以上(52.5%),而2016年蘋(píng)果的銷(xiāo)售額的占比僅36.9%。 2、高通+Himax:小米7或?qū)⑹装l(fā)采用 去年下半年,高通宣布其下一代驍龍?zhí)幚砥鳎A(yù)計(jì)今年12月公布)將支持紅外3D感知技術(shù),并且聯(lián)合Himax(奇景光電)推出了三款基于Qualcomm Spectra ISP技術(shù)的攝像頭模塊項(xiàng)目,其中就一款是就是基于結(jié)構(gòu)光3D感測(cè)技術(shù)的攝像頭模組。由高通提供算法技術(shù),奇景提供模組。 高通與奇景的這款3D感測(cè)模組則采用的是與iPhone X類(lèi)似的結(jié)構(gòu)光技術(shù),由紅外發(fā)光器、紅外攝像頭以及一個(gè)RGB 攝像頭(據(jù)說(shuō)有1600萬(wàn)像素、2000萬(wàn)像素兩個(gè)版本)組成。通過(guò)紅外發(fā)光器發(fā)射出一束光,形成光斑,再通過(guò)IR 攝像頭讀取該圖案,并對(duì)點(diǎn)狀圖在物體上發(fā)生的扭曲、以及點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離進(jìn)行計(jì)算,再加上RGB圖像,結(jié)合起來(lái)就構(gòu)成了一個(gè)3D模型。 根據(jù)最新的消息顯示,高通與奇景的這款3D感測(cè)模組有望將在今年上半年量產(chǎn)。此外,高通似乎還與信利也進(jìn)行了合作。而傳聞中的小米7或?qū)⑹装l(fā)搭載。但是有消息稱,因高通的軟件調(diào)適進(jìn)度落后,臉部識(shí)別成功率偏低,小米搭載3D臉部識(shí)別功能的機(jī)型可能將延至第三季推出。這個(gè)進(jìn)度要比OPPO更快。 所以,從時(shí)間上來(lái)看,如果一切順利的話,小米將會(huì)在第三季度推出搭載3D感測(cè)的手機(jī),成為首家商用3D感測(cè)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)智能手機(jī)廠商。 另外需要指出的是,雖然高通+奇景的3D感測(cè)方案是目前安卓陣營(yíng)當(dāng)中相對(duì)更為成熟的方案(其內(nèi)部的DOE/WLO等多個(gè)核心器件都是基于奇景的自有技術(shù)),但是受限于需要采用高通的驍龍845芯片或者更新一代的芯片,所以三星、華為等廠商的旗艦手機(jī)可能不會(huì)直接采用,而是更為傾向于開(kāi)發(fā)自己的3D算法。去年年底,華為榮耀還推出了一款外接式3D感測(cè)模組——點(diǎn)云深度攝像頭,該模組由舜宇供應(yīng)。 3、奧比中光:OPPO或?qū)⑹装l(fā)采用 奧比中光是國(guó)內(nèi)比較知名的一家3D感測(cè)模組廠商,他們從從2015年便開(kāi)始研發(fā)3D結(jié)構(gòu)光的手機(jī)方案,去年就推出了針對(duì)智能手機(jī)的前置3D人臉識(shí)別結(jié)構(gòu)光攝像頭模組方案——Astra P。 奧比中光Astra P模組 芯智訊拍攝于2017年高交會(huì)現(xiàn)場(chǎng) 資料顯示,奧比中光的Astra P的IR尺寸為7.4*7.4*4.8mm,LDM尺寸為5.1*5.1*4.55mm,深度范圍:0.2—1.5m,深度圖像分辨率可達(dá)1280×800@30fps、640×400@90fps、320×200@120fps,精度可達(dá)0.7m:±1-3mm,深度FOV D78°,支持Android和Win10系統(tǒng),模組功耗小于0.5w。 從奧比中光近期公布的與蘋(píng)果iPhone X的3D感測(cè)對(duì)比結(jié)果來(lái)看,奧比中光的3D感測(cè)模組已經(jīng)達(dá)到了接近iPhone X的水平。 據(jù)芯智訊的了解,此次OPPO發(fā)布的3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)就是采用的奧比中光的方案。也就是說(shuō),OPPO即將推出的搭載3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的智能手機(jī)采用的就是奧比中光的Astra P模組。另外需要補(bǔ)充的是,奧比中光主要是提供模組,算法則是來(lái)自于第三方。 4、舜宇 作為國(guó)內(nèi)手機(jī)鏡頭的最大供應(yīng)商,舜宇在光學(xué)領(lǐng)域擁有非常強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力。根據(jù)韓國(guó)媒體《etnews》的報(bào)導(dǎo),韓國(guó)三星Galaxy S9的前置攝像頭就采用了舜宇所生產(chǎn)的光學(xué)鏡頭,這也是中國(guó)的光學(xué)廠商首次打入三星高端智能手機(jī)的供應(yīng)鏈。 去年11月,舜宇就與蘋(píng)果iPhone X的3D傳感器供應(yīng)商之一的ams(艾邁斯半導(dǎo)體)公司達(dá)成合作,雙方將結(jié)合各自在光學(xué)傳感和成像領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì),為移動(dòng)設(shè)備和汽車(chē)應(yīng)用聯(lián)合開(kāi)發(fā)并市場(chǎng)化3D結(jié)構(gòu)光傳感攝像頭解決方案。正如我們前面所介紹的,ams擁有全套的光學(xué)傳感器解決方案。 另外,今年年初,舜宇子公司寧波舜宇光電信息有限公司還宣布與3D感測(cè)技術(shù)廠商pmd technologies(以下簡(jiǎn)稱pmd)達(dá)成合作,將聯(lián)合為中國(guó)及全球的移動(dòng)設(shè)備OEM廠商,開(kāi)發(fā)并市場(chǎng)化3D傳感攝像頭解決方案。 需要指出的是,pmd是全球唯一將深度傳感器成功植入手機(jī)的ToF技術(shù)提供商(全球首款配備3D攝像頭的聯(lián)想Phab 2 Pro采用的就是pmd的技術(shù))。在今年的CES2018展會(huì)上,首次展示了其最新的3D圖像傳感器IRS238XC,同時(shí)展示了基于此傳感器的全球最小3D攝像頭模組,尺寸僅為12 mm x 8 mm,它將使TOF深度傳感3D攝像頭變得更加易于集成。 對(duì)于雙方的合作,pmd將提供3D圖像傳感器(主要是IRS238XC),以及專有技術(shù)實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化、堅(jiān)實(shí)且高性能的3D攝像頭設(shè)計(jì),包括校準(zhǔn)和軟件專有技術(shù),舜宇則將提供在3D攝像頭模組規(guī)模量產(chǎn)方面的專有技術(shù),實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、更快速、更穩(wěn)定的產(chǎn)品制造。 顯然通過(guò)與ams和pmd的合作,舜宇將擁有TOF及結(jié)構(gòu)光兩種技術(shù)的3D攝像頭模組的供應(yīng)能力。 去年11月底,華為榮耀推出了一款外掛式3D結(jié)構(gòu)光配件——點(diǎn)云深度攝像頭就是基于舜宇的3D結(jié)構(gòu)光模組。舜宇提供了包括光學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、ID設(shè)計(jì)、圖像處理等嵌入式軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)在內(nèi)的一整套解決方案,其內(nèi)部代號(hào)為Jupiter X。 雖然華為榮耀和舜宇都并未詳細(xì)介紹這款點(diǎn)云深度攝像頭的結(jié)構(gòu),不過(guò)根據(jù)現(xiàn)有的資料可以看出,其采用了與蘋(píng)果iPhone X的3D感測(cè)模組類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。其點(diǎn)陣發(fā)射器可以發(fā)射出30萬(wàn)的散板點(diǎn)陣,可以支持3D人臉建模和3D人臉識(shí)別。在400ms內(nèi)即可完成3D人臉識(shí)別,3D建模只需10秒,建模精度可以達(dá)到亞毫米級(jí)。 不過(guò)需要強(qiáng)調(diào)的是,從目前公開(kāi)的消息來(lái)看,舜宇似乎還無(wú)法提可以集成在智能手機(jī)內(nèi)部3D結(jié)構(gòu)光模組。 5、華捷艾米 華捷艾米也是比較知名的3D感測(cè)技術(shù)廠商。公司的主要產(chǎn)品有:3D結(jié)構(gòu)光,包括雙目結(jié)構(gòu)光硬件方案;AR/AI算法; AR/AI芯片。 資料顯示,華捷艾米的1180 3D感應(yīng)芯片可以實(shí)時(shí)處理 3D 測(cè)量和圖像深度,并已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)。同時(shí),華捷艾米的RGB-D光學(xué)模組已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn),能夠與機(jī)頂盒、機(jī)器人和游戲機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)模組型開(kāi)發(fā)。近期海爾推出的一款機(jī)器人就采用了華捷艾米的3D感測(cè)模組。 華捷艾米還針對(duì)智能手機(jī)推出了小型化的模組,目前正在進(jìn)行批量化生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)。 據(jù)說(shuō)在與iPhone X的對(duì)比測(cè)試中,華捷艾米也做到了與之相近的效果。 另外,華捷艾米的SDK 支持安卓、Linux、Windows 和 Unity3D 平臺(tái)。它可以識(shí)別手勢(shì)、重組物體和進(jìn)行 3D 建模。運(yùn)動(dòng)感應(yīng)設(shè)備采用先進(jìn)和骨架技術(shù),適用于大眾市場(chǎng)的商業(yè)設(shè)備。 小結(jié): 除了以上介紹的廠商之外,還有很多的3D感測(cè)方案供應(yīng)商,比如英特爾也有3D感測(cè)模組realsense 3D,國(guó)內(nèi)的還有未動(dòng)科技、圖漾科技等,但是目前這些廠商的產(chǎn)品都無(wú)法應(yīng)用于智能手機(jī)平臺(tái)。 終端廠商方面,從目前的情況來(lái)看,華為、小米、OPPO都在積極的推動(dòng)3D感測(cè)在自家智能手機(jī)當(dāng)中的應(yīng)用,從時(shí)間進(jìn)度上來(lái)看,選擇采用高通和奇景方案的小米,以及采用奧比中光方案的OPPO可能會(huì)更快一些。相比之下,另一家手機(jī)大廠vivo則更多的下注于屏下指紋,并且旗下已經(jīng)有兩款手機(jī)成功商用。而其他的手機(jī)廠商目前可能還是處于觀望狀態(tài),到底是選擇跟進(jìn)屏下指紋還是3D感測(cè)還有待市場(chǎng)進(jìn)一步反饋。 作者:芯智訊-浪客劍 |