關(guān)于前置攝像頭3D結(jié)構(gòu)光、TOF，雙目立體視覺三種技術(shù)的小科普！

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

     3D Sensing也是智能手機(jī)創(chuàng)新的趨勢之一，當(dāng)前正加速向中低端手機(jī)滲透。公開資料顯示，目前實(shí)現(xiàn)3D Sensing共有三種技術(shù)，分別為雙目立體成像、3D結(jié)構(gòu)光和TOF，目前已經(jīng)比較成熟的方案是結(jié)構(gòu)光和TOF。其中3D結(jié)構(gòu)光方案最為成熟，并被大規(guī)模應(yīng)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(nèi)手機(jī)廠商開始進(jìn)入新品發(fā)布的密集期，很多手機(jī)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(dāng)然也希望自己的手機(jī)能用上更安全的前置攝像頭面部解鎖技術(shù)，比如蘋果的結(jié)構(gòu)光和TOF，那么這些技術(shù)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(jié)構(gòu)光】

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

      結(jié)構(gòu)光技術(shù)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(shí)現(xiàn)較高保證，因此被廣泛應(yīng)用于人臉識別和人臉支付等場景。但結(jié)構(gòu)光技術(shù)識別距離較短，大約在0.2米到1.2米之間，這將其應(yīng)用局限在了手機(jī)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(shù)是2018年才被應(yīng)用到手機(jī)攝像頭的3D成像技術(shù)，其通過向目標(biāo)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(biāo)物體的深度信息。TOF鏡頭主要由發(fā)光單元、光學(xué)鏡片及圖像傳感器構(gòu)成。其識別距離可達(dá)到0.4米到5米，因此已有品牌，如OPPO、華為等，將其應(yīng)用于手機(jī)后置攝像。

       TOF技術(shù)具備抗干擾性強(qiáng)、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(shù)深度信息計算量小，對應(yīng)的CPU/ASIC計算量也低，因此對算法的要求更低。但相對于結(jié)構(gòu)光技術(shù)，TOF技術(shù)的缺點(diǎn)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(shù)始于上世紀(jì)的60年代中期，該技術(shù)是機(jī)器視覺的一種重要形式，它是基于視差原理并利用成像設(shè)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(yīng)點(diǎn)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(jī)器人視覺、航空測繪、反求工程、軍事運(yùn)用、醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)檢測等領(lǐng)域中的運(yùn)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(yīng)用在智能手機(jī)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(zhǔn)確。

三種技術(shù)的對比圖 

TOF應(yīng)用前景廣闊

     根據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)Yole 的預(yù)測，受益于消費(fèi)電子市場可預(yù)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(fù)合年均增長率(CAGR)達(dá)到38%。其中，用于消費(fèi)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(fù)合年均增長率達(dá)到158%。

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

     而TOF技術(shù)彌補(bǔ)了的距離上的缺陷，由于能夠支持更遠(yuǎn)的作用距離，TOF技術(shù)可被應(yīng)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(nèi)的更多場景中，從而為智能手機(jī)更娛樂性和實(shí)用性的體驗(yàn)。此外，相比結(jié)構(gòu)光技術(shù)，TOF的模組復(fù)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(jī)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(jī)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(jī)型還主要集中在幾款高端旗艦機(jī)，但從2020年開始，TOF手機(jī)的出貨量將進(jìn)一步爆發(fā)，在整體3D感應(yīng)中占比有望達(dá)到40%。預(yù)計2019/2020年TOF手機(jī)的出貨量為7760萬，同比大幅增長747%。

     成本方面，預(yù)計TOF和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光技術(shù)的解決方案包括三個子模塊(點(diǎn)投影儀、近紅外攝像機(jī)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(yīng)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(nèi)廠商對TOF技術(shù)更加喜歡，一方面是因?yàn)樘O果對結(jié)構(gòu)光的專利獨(dú)占問題不好繞開，另一方面TOF確實(shí)更有優(yōu)勢，不管是面部解鎖還是對于拍照的質(zhì)量提升，都要比單純的使用3D結(jié)構(gòu)光更有用一些。

TOF供應(yīng)鏈?zhǔn)崂?/span>

     TOF和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)光的3D感知技術(shù)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(xué)組件等部分。

     通過對已經(jīng)上市的主流3D攝像頭產(chǎn)品進(jìn)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(xué)組件、光學(xué)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(yīng)用。

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