關于前置攝像頭3D結構光、TOF，雙目立體視覺三種技術的解析

      眾所周知，拍照已經(jīng)成為智能手機中不可或缺的一項重要功能，它除了是消費著選擇手機的一大要素外，同時也是手機廠商們比拼的廝殺點?！拔鍞z”、“1億像素”、“AI拍月亮”都成了手機廠商“取悅”消費者的方式之一。

     3D Sensing也是智能手機創(chuàng)新的趨勢之一，當前正加速向中低端手機滲透。公開資料顯示，目前實現(xiàn)3D Sensing共有三種技術，分別為雙目立體成像、3D結構光和TOF，目前已經(jīng)比較成熟的方案是結構光和TOF。其中3D結構光方案最為成熟，并被大規(guī)模應用于工業(yè)3D視覺，TOF則憑借自身優(yōu)勢成為在移動端較被看好的方案。

     近期，隨著國內手機廠商開始進入新品發(fā)布的密集期，很多手機也要遇到這種前置3D傳感器的配置是否要上的問題，很多用戶當然也希望自己的手機能用上更安全的前置攝像頭面部解鎖技術，比如蘋果的結構光和TOF，那么這些技術有什么不同？大家通過這篇小文章可以了解一下。

3D傳感系統(tǒng)的種類

【3D結構光】

     3D結構光最早應用于蘋果旗艦機iPhone X，結構光原理為通過近紅外激光器向物體投射具有一定結構特征的光線，再由專門的紅外攝像頭進行采集獲取物體的三維結構，再通過運算對信息進行深入處理成像。該技術目前共有編碼結構光和散斑結構光兩種實現(xiàn)類別。

      結構光技術僅需一次成像就可得到深度信息，具備低能耗、高成像分辨率的優(yōu)勢，能夠在安全性上實現(xiàn)較高保證，因此被廣泛應用于人臉識別和人臉支付等場景。但結構光技術識別距離較短，大約在0.2米到1.2米之間，這將其應用局限在了手機前置攝像，主要用于3D人臉識別屏幕解鎖、人臉支付及3D建模等。

【TOF】

      TOF（Time of Flight）技術是2018年才被應用到手機攝像頭的3D成像技術，其通過向目標發(fā)射連續(xù)的特定波長的紅外光線脈沖，再由特定傳感器接收待測物體傳回的光信號，計算光線往返的飛行時間或相位差，從而獲取目標物體的深度信息。TOF鏡頭主要由發(fā)光單元、光學鏡片及圖像傳感器構成。其識別距離可達到0.4米到5米，因此已有品牌，如OPPO、華為等，將其應用于手機后置攝像。

       TOF技術具備抗干擾性強、FPS刷新率更高的特性，因此在動態(tài)場景中能有較好表現(xiàn)。另外TOF技術深度信息計算量小，對應的CPU/ASIC計算量也低，因此對算法的要求更低。但相對于結構光技術，TOF技術的缺點在于其3D成像精度和深度圖分辨率相對較低，功耗較高。

【雙目立體視覺 】

       雙目立體視覺（Binocular Stereo Vision）技術始于上世紀的60年代中期，該技術是機器視覺的一種重要形式，它是基于視差原理并利用成像設備從不同的位置獲取被測物體的兩幅圖像，通過計算圖像對應點間的位置偏差，來獲取物體三維幾何信息的方法。經(jīng)過幾十年來的發(fā)展，立體視覺在機器人視覺、航空測繪、反求工程、軍事運用、醫(yī)學成像和工業(yè)檢測等領域中的運用越來越廣。

      由于雙目立體成像系統(tǒng)在場景缺乏特征時，經(jīng)常會受到性能下降的困擾，因此在未被應用在智能手機成像中。舉個例子，在面對墻壁平坦光滑的表面的情況下，立體成像系統(tǒng)捕獲的 3D 信息通常不完整或不準確。

三種技術的對比圖 

TOF應用前景廣闊

     根據(jù)咨詢機構Yole 的預測，受益于消費電子市場可預見的爆發(fā)式增長，全球3D成像與傳感的市場規(guī)模將從2016年的13億美元增長至2022年的90億美元，復合年均增長率(CAGR)達到38%。其中，用于消費電子的3D成像與傳感市場將從2016年的2000萬美元增長至2022年的60.58億美元，復合年均增長率達到158%。

     iPhone X對3D結構光的應用帶動了這項技術的發(fā)展和滲透，目前相較于TOF，結構光技術在應用上更為成熟，出貨量上明顯占優(yōu)。而且結構光的掃描效果更為真實，具備更強的3D還原能力。但遺憾的是，其作用距離的劣勢限制了其應用。

     而TOF技術彌補了的距離上的缺陷，由于能夠支持更遠的作用距離，TOF技術可被應用于包括3D人臉識別、3D建模以及手勢識別、體感游戲、AR/VR在內的更多場景中，從而為智能手機更娛樂性和實用性的體驗。此外，相比結構光技術，TOF的模組復雜度低，堆疊簡單，可以做到非常小巧且堅固耐用，在屏占比不斷提高的外觀趨勢下，更得到手機廠商的青睞。

      根據(jù)國盛證券的報告數(shù)據(jù)顯示，就出貨量上來看，智能手機3D感測需求從2017年的4000萬部增加至2019年的2億部以上，其中2019年的TOF機型還主要集中在幾款高端旗艦機，但從2020年開始，TOF手機的出貨量將進一步爆發(fā)，在整體3D感應中占比有望達到40%。預計2019/2020年TOF手機的出貨量為7760萬，同比大幅增長747%。

     成本方面，預計TOF和結構光的BOM成本大約為12-15美元和20美元，相比之下TOF更具有成本優(yōu)勢。以iPhone X為例，結構光技術的解決方案包括三個子模塊(點投影儀、近紅外攝像機和泛光照明器+接近傳感器)，而TOF解決方案則將三個集成到一個模塊中，芯片的成本大約占到整體BOM的28%-30%。

    3D Sensing成趨勢，TOF應用前景廣闊，成為移動端搭載3D Sensing的主要選擇。據(jù)悉，蘋果公司也將在2020年發(fā)布的新iPhone系列產(chǎn)品中的Pro和Max兩個版本都將搭載后置3D攝像頭（TOF）。

   目前國內廠商對TOF技術更加喜歡，一方面是因為蘋果對結構光的專利獨占問題不好繞開，另一方面TOF確實更有優(yōu)勢，不管是面部解鎖還是對于拍照的質量提升，都要比單純的使用3D結構光更有用一些。

TOF供應鏈梳理

     TOF和結構光二者雖然原理不同，但其所需要的核心部件基本相同，TOF中的核心部件包括發(fā)射端的VCSEL光源、Diffuser等，接收端的鏡頭、窄帶濾光片、近紅外CMOS等。

     目前TOF或結構光的3D感知技術均為主動感知，因此3D攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈相比主要新增加紅外光源、紅外傳感器和光學組件等部分。

     通過對已經(jīng)上市的主流3D攝像頭產(chǎn)品進行分析，3D攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈可以被分為上游、中游和下游。其中，上游企業(yè)包括紅外傳感器、紅外光源、光學組件、光學鏡頭以及 CMOS 圖像傳感器；中游包括傳感器模組、攝像頭模組、光源代工、光源檢測以及圖像算法，下游為終端廠商以及應用。

    2021年，應該是前置攝像頭大量采用TOF技術的一年，經(jīng)過前3年左右的測試，應該說技術比較成熟了。