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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 深度感應攝像頭）的威力；當然，這其中，ToF 深感感應攝像頭給華為 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對 3D 視覺技術的應用推向一個新的高潮。而在外界的傳聞中，蘋果也正在現有前置 3D 攝像頭的基礎上，積極布局后置的 ToF 技術，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 視覺技術有 3 種主流方案，分別是結構光方案、ToF 方案以及雙目立體成像方案；其中，結構光和 ToF 受到智能手機行業的廣泛關注。結構光和 ToF 的工作原理分別是：
結構光技術：通過近紅外激光器，將具有一定結構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。這種具備一定結構的光線，會因被攝物體的不同深度區域，而采集不同的圖像相位信息，然后通過運算單元將這種結構的變化換算成深度信息，以此來獲得三維結構。
TOF 是飛行時間（Time of Flight）技術的縮寫，其原理是：傳感器發出經調制的脈沖紅外光，遇物體后反射，傳感器通過計算光線發射和反射時間差或相位差，來換算被拍攝景物的距離，以產生深度信息，此外再結合傳統的相機拍攝，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出來。
奧比中光手機事業部總經理胡科峰告訴雷鋒網，在上述兩種方案中，當前結構光的技術已經相當成熟，在技術、生產等方面都是如此，甚至業界已經開發出多種高低中配、適合于各種檔位手機需求的方案——僅供成熟度來講，實際上，并不亞于當前的大面積光學指紋。他認為，相對于結構光而言，ToF 方案在智能手機上的實現還有不少難題要解決：
ToF 方案的分辨率不如結構光高，而且自身功耗相對比較大；
在掃描應用中，當前的 TOF 方案實際上在不同的顏色、紋理和材質方面會一些影響，這是由它的原理所決定的，結構光在這個上面會好一點。如果以兩種方案同時來掃描熊貓，結構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，它的深度完整性經常是不如結構光方案的，這一點奧比中光已經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。從這些要求來看，TOF 和結構光方案是各有優缺點；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，量產又非常容易。綜合幾點的話，相對來講就是兩種技術都有一些還要克服的難關。
不過，胡科峰告訴雷鋒網：
相對來講遠距而言，結構光的相對精度是會差一點的。基本上ToF 的精度曲線是非常的平緩。結構光的精度曲線線率會高一點，所以在近距的時候，結構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，實際上這個結構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）；而結構光要解決在遠距的情況下相對精度如何提高的問題。
關于結構光和 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、結構光放前頭。對此，胡科峰表示，其實 ToF 前置、結構光后置也都是有可能的，這取決于技術發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構光方案；但其實不管是結構光還是 ToF，都是在為整個 3D 陣營造勢，都是非常值得歡迎的；實際上，在結構光之外，奧比中光在 ToF 技術上也有自己的布局。
總體來看，在目前的智能手機上，結構光多采用前置方案，主要應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；從應用場景上來說，除了用于后置攝影，ToF 技術還在 AR 等領域（包括 3D 拍照、體感游戲等）有一定的作用。
當然，值得強調的是 3D 視覺技術對 AR 領域的推動。
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 SLAM（Simultaneous localization and mapping，實時定位和地圖構建）技術——而 SLAM 技術則是 AR 實現的核心。雷鋒網曾經報道過，蘋果 ARKit 的一大厲害之處是，只通過手機的單目攝像頭，結合 IMU，在智能手機上實現 SLAM 技術；而依托于普通攝像頭無法比擬的景深信息和建模能力，3D 視覺技術則可以幫助智能手機實現更高級的視覺 SLAM（也稱 VSLAM），從而手機上實現各種各樣復雜的 AR 應用。
對此，胡科峰也表示，測通過 3D 和 IMU 等的結合，智能手機應用層面的最終方向一定是 AR 這個大方向，而且還要與 5G 結合起來，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 的發布，3D 視覺終于在智能手機上體現出它的使用價值；由于蘋果在技術上的雄厚實力和它對用戶體驗的重視，iPhone X 以 3D 結構光技術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 廠商紛紛開始發力 3D 視覺，基于技術與應用場景的結合，主要以結構光和 ToF 為主。
最早跨出這一步的是榮耀。2017 年 11 月 28 日，榮耀 V10 發布，其中搭載了“點云深度攝像頭”的散斑結構光手機配件，具有 3D 人臉識別與解鎖、3D 人臉建模等功能。
2018 年 5 月底，小米發布了小米 8 透明探索版，其中搭載了 3D 結構光技術，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構光技術，該技術由以色列 Mantis Vision 公司研發。據了解，在 Mantis Vision 的編碼結構光系統，點陣投影器和泛光照明器中的 VCSEL 由艾邁斯半導體（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 發布，這款旗艦手機的其中一個主要賣點，就是 “FaceKey 3D 結構光”技術和“雙軌潛望結構”設計，而背后的供應商是奧比中光，雙方是獨家合作關系。從應用場景上來看，OPPO Find X 的 3D 結構光主要用于人臉識別解鎖、3D 美顏等——而 Find X 的“雙軌潛望結構”，則意味著 3D 結構光攝像頭模組必須做得比 iPhone X 更薄。
此外，在 2018 年 10 月發布的華為 Mate 20 Pro 機型上，前置 3D 結構光技術也得以搭載。它在功能上也實現了人臉解鎖、人臉支付，同時還可以通過 3D 結構光的 3D 景深感測功能來實現實時的 3D 建模；比如拍攝自己的面部表情，生成 3D 表情包。雷鋒網了解到，華為帶有結構光的機型發射端 VCSEL 由 Lumentum 供應；準直鏡 G+P 由聯創電子、舜宇光學供應；DOE 由 AMS 和 DNP 供應；接收端感光芯片由豪威科技供應；3D 結構光算法為華為自研；整個 3D 結構光模組由歐菲光和舜宇供應。
不過，在積極探索 3D 結構光的同時，整個業界對更適用于后置攝像頭的 ToF 技術的探索也在持續進行（當然有報告中，蘋果也在積極部署 ToF 技術）；與此同時，隨著整個行業在屏幕指紋識別技術上的一步步推進，3D 結構光帶來的解鎖便利似乎被逐步消解——于是，ToF 技術在 Android 陣營中受到歡迎。
首先上馬 ToF 的機型，是 OPPO 在 2018 年 8 月發布的 R17 Pro；基于 ToF 的加持，它在 3D 拍照、立體游戲、AR 應用方面有了一些新的玩法。雷鋒網從供應鏈處獲悉，R17 Pro 上的 3D TOF 的攝像頭供應商為舜宇光學。
2018 年 12 月 21 日，vivo NEX 雙屏版發布，該機型同樣搭載了 ToF 技術。由于是前后雙屏方案，這款機型也能夠實現 ToF 技術輔助下的三攝自拍，并且可以實現 ToF 人臉識別，該人臉識別功能可以實現 24 小時人臉解鎖，甚至可以支持支付寶的支付功能。雷鋒網了解到，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，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，而三星電機是主供。
vivo NEX 雙屏版發布數天之后，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，在發布會現場，榮耀現場展示了體感游戲、3D 建模、視頻瘦身美體等功能。據了解，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、舜宇光學科技來完成——與華為 P30 Pro 的供應商相一致。
值得一提的是，在 2019 年 2 月的三星 S10 發布會上，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 ToF 技術的 3D 攝像頭。由于三星在 3D 圖像傳感器領域的自研優勢，ToF 技術極有可能出現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 廠商那樣用了結構光。根據官方介紹， 2 月發布的 LG G8 THINQ 搭載了 ToF 技術的前置攝像頭，傳感器是 Infineon 的 REAL3。
當然，在最新發布的 P30 Pro 上，華為選擇了 ToF 技術。按照華為方面的介紹，華為 P30 Pro 所搭載的 ToF 鏡頭能夠實現如下功能：
精準捕獲景深信息，讓拍出的畫面更具層次感；
實現專業級的人像虛化，甚至可以精細到發絲；
實現 3D 體感游戲，3D 魔術師等功能；
利用深度感知功能，實現對物品的長度、高度和面積的測量。
可以看到，華為 P30 Pro 對 ToF 技術的應用主要體現在兩個方面，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 成像技術所開辟的其他應用場景，比如說 3D 體感游戲、AR 等。不過，從本質上來看，這兩個方面都是離不開 ToF 技術的基本原理，就是對畫面深度信息的感知和使用。
根據雷鋒網從供應鏈了解到的信息，華為 P30 Pro 的 ToF 模組關鍵供應商信息如下：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 技術實現的關鍵器件（比如說 3D 圖像傳感器）背后的供應商還并不明確。
另外，一個不得不重點關注的是蘋果在 ToF 技術方面的動向。2018 年 11 月，美國專利商標局（USPTO，The United States Patent and Trademark Office）公布了蘋果新的專利申請，專利顯示，蘋果可能使用光學電子元件如 VCSEL 以及 ToF、單光子雪崩二極體（SPAD）為基礎的激光 LiDAR 來改進深度攝像頭。
如此，蘋果什么時候在 iPhone 上馬 ToF，則成為業界的另外一個關注點了。
2013 年 9 月，蘋果在最新發布的 iPhone 5s 機型上搭載了指紋識別技術，一時引爆了指紋識別的行業供應鏈；短短幾年時間，指紋識別就已經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全面普及，成為智能手機的標配。
那么，3D 視覺技術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，如果指紋技術的出現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），還有很多方面的應用潛力，比如說 AR 游戲、AR 視頻通話，但這些應用還沒有得到充分的開發，而且還要跟 AI、5G 等技術相結合——如果開發到一定階段，3D 視覺也會逐漸走向普及。
毫無疑問，3D 視覺已經成為整個智能手機行業正在積極擁抱的一個技術趨勢，它也包含著眾多的應用潛力，并且會隨著 AI 和 5G 的發展找到更大的生機；3D 視覺技術無疑會走向更多的智能手機，但眼下仍然集中于旗艦機型，要想實現在產品定位和價格上的下探，恐怕還需要經歷一個較長的過程。
另外，從現有的發展態勢來看，智能手機廠商對 3D 視覺的選擇已經逐漸從前置的 3D 結構光走向后置的 ToF 技術，這不禁讓雷鋒網想起了此前已經宣告死亡的 Project Tango——實際上，Google 當年力推的 Project Tango 的量產機型 Phab 2 Pro 正是采用了 ToF 技術，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 技術已經被越來越多的手機廠商所支持，那么 Google 是不是要考慮復活 Project Tango 了？
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