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3D感測，你在意的是真相、速度OR距離？

本文作者：任苙萍點擊： 2019-03-18 11:10

前言：

盡管 iPhone X 褒貶不一，但其搭載的 Face ID 臉部辨識解鎖功能卻成功炒熱 3D 感測話題。每當(dāng)新興市場萌芽之初，總免不了眾家好手一番爭奇斗艷。業(yè)界通常將 3D 感測技術(shù)分成三大類：利用雙鏡頭 RGB 相機模塊調(diào)校兩部相機之間的像素并擷取深度信息的立體視覺 (Stereo Vision)、解析反射角度的結(jié)構(gòu)光 (Structured Light) 和聚焦反射時間的飛時測距 (Time-of-Flight, ToF)。隨著工作原理的不同，應(yīng)用取向也有所差異：
? 立體視覺：精度低、掃描速度慢、有效距離短，最類似人類大腦運作，好處是不易受環(huán)境光影響且成本低，適合環(huán)境光源不穩(wěn)定／不足／過亮的影像拍攝或監(jiān)控；
? 結(jié)構(gòu)光：掃描精度最高、速度中等，容易受環(huán)境光影響，蘋果 (Apple)、意法半導(dǎo)體 (ST)、英特爾 (Intel)、高通 (Qualcomm)、艾邁斯半導(dǎo)體 (AMS，原名：奧地利微電子)、奇景光電 (Himax)、微軟 (Microsoft) 皆已投入；
? 飛時測距：響應(yīng)速度最快、量測距離最大、能更有效感測環(huán)境光，減少應(yīng)用處理器 (APU) 的工作負(fù)載，進而降低耗電量；缺點是成本偏高，索尼 (Sony)、德州儀器 (TI)、亞德諾 (ADI)、意法半導(dǎo)體 (ST)、英飛凌 (Infineon)、PMD Technologies、艾邁斯半導(dǎo)體、谷歌 (Google)、微軟、濰景科技 (MicroVision)、VIVO 等是先進供貨商。

圖1：結(jié)構(gòu)光 vs. 飛時測距 (ToF) 比較
資料來源：https://www.semanticscholar.org/paper/A-New-Inspection-

Method-Based-on-RGB-D-Profiling-Siddiqui/1b9ba74507bc12d059f97719

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應(yīng)用取向為基準(zhǔn)，高階多采復(fù)合方案
雖說 3D 感測可廣泛應(yīng)用于生物辨識、機器人、無人機、穿戴裝置、體感游戲、虛擬現(xiàn)實／擴增實境／混合實境 (VR / AR / MR)、Animoji 動態(tài)表情創(chuàng)作，乃至汽車安全駕駛等；但偵測要求不同，應(yīng)對之道亦相異。以＂存在偵測＂(Presence Detection) 為例，若是戶外定點巡檢，且旨在粗略發(fā)現(xiàn)有無障礙物、不細究是何種物體，立體視覺已夠用。但若是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳矸蒡炞C，結(jié)構(gòu)光較具優(yōu)勢；例如，用于解鎖或移動支付的人臉辨識。若是安防圍籬、工安防護或手勢辨識，飛時測距因抗干擾能力佳且可依據(jù)目標(biāo)距離多段設(shè)定警示或致動，無疑是最佳解。

簡言之，目標(biāo)應(yīng)用是判斷景深、人物或確切距離，將是首要考慮。事實上，高階應(yīng)用不會只單用某一種技術(shù)，而是采取復(fù)合式方案實現(xiàn)，iPhone X 臉部解鎖也不例外：ToF 相機發(fā)射紅外光 (IR) 激光偵測位于有效距離內(nèi)的面容后，會啟動結(jié)構(gòu)光的點投射器 (Dot Projector) 繪制、存儲臉譜，再由 IR 鏡頭接收、讀取位圖像 (點云)，傳到 APU 做人工智能 (AI) 演算。因此，不少芯片商奉行多軸同步發(fā)展策略，蘋果供應(yīng)鏈的重要成員 ST 就是一例；在發(fā)展基于單光子雪崩光電二極管 (SPAD) 的 ToF 傳感器之余，亦在結(jié)構(gòu)光組件下足工夫。

圖2：使用蘋果 iOS 應(yīng)用程序掃描真實世界物體示例：準(zhǔn)備掃描、定義邊界框、掃描、調(diào)整原點、測試及輸出
資料來源：https://developer.apple.com/documentation/arkit/scanning_and

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ToF 反應(yīng)快且準(zhǔn)，但精細掃描＋驗證仍須仰賴＂結(jié)構(gòu)光＂
ST 名為＂FlightSense＂的 ToF 傳感器包括激光驅(qū)動器、940 nm 非可見光第一級 (Class 1) 發(fā)射器、實體紅外光濾鏡、SPAD 光接收器和超快速的光子偵測陣列，可用于趨近 (Proximity) 感應(yīng)、自動對焦、機器人防撞、無人機起降、環(huán)境光感應(yīng)開關(guān)電器、手勢識別、庫存管理等，共有三個系列：2015 年的第一代 VL6180X 將紅外發(fā)射器、測距傳感器和環(huán)境光傳感器 (ALS) 三者整合在一個即用型的可回焊封裝中，不需繁復(fù)的光學(xué)和機械設(shè)計工序、就能依用戶定義分段執(zhí)行測距和 ALS 量測為其特點，距離極限為 40 公分。

隨后問市的 VL53L0X / VL53L1X 是完全集成的一維單點測距 (1D ranging) 微型模塊；前者有效距離 2 公尺，后者測距頻率高達 50Hz、距離達 4 公尺。不需額外光學(xué)組件的輔助，用戶可自行編程接收陣列上的＂感興趣區(qū)域＂(Region of Interest, ROI) 的大小和位置——矩形定義區(qū)域范圍，要求感光組件只針對該區(qū)域處理影像，再依設(shè)計所需自由縮減傳感器的視場 (Field of Vision, FOV)，且可提供多區(qū)域操作控制。此外，F(xiàn)lightSense 先進的嵌入式光學(xué)串?dāng)_補償機制，給予設(shè)計者更多玻璃外蓋材質(zhì)選擇。

圖3：ST＂FlightSense＂ToF系列產(chǎn)品
資料來源：ST官網(wǎng)

VCSEL 成 ToF 主流光源，微波將取而代之？
為解決投射光束發(fā)散及耦合性欠佳的問題，發(fā)散角度小的＂垂直腔面發(fā)射激光器＂(VCSEL) 是現(xiàn)階段 ToF 主流紅外光源。然而，激光對人體傷害極大，依其危險性分成四個等級；第一級是安全系數(shù)最高者，激光及其光束完全封閉于護罩內(nèi)部，輸出功率極低、可安全目視，不會對眼睛、皮膚造成傷害。AMS 的 ToF 傳感器——TMF8701 1D，也是單點測距的高規(guī)產(chǎn)品，內(nèi)建極窄脈寬的時間—數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (TDC)，可實時量測 VCSEL IR 投射到物體距離；在測距頻率 60Hz 下，趨近檢測為 0～10 公分、感測為 10～60 公分。

TMF8701 1D 亦具有 940nm VCSEL 一級眼睛防護機制；一旦 VCSEL 故障，安全電路會停止 VCSEL 驅(qū)動器，避免傷害視力。其基于＂直方圖＂(histogram) 架構(gòu)和算法的 SPAD 像素設(shè)計，同樣可對抗玻璃防護罩的污跡或串?dāng)_，可容忍大氣隙 (air gap) 結(jié)構(gòu)、抵消磁阻，還能量測多個物體的視場。以算法為后盾，其光學(xué)濾波器可實現(xiàn)高環(huán)境光恢復(fù)能力，陰暗和陽光環(huán)境的距離測量誤差在 ±5% 以內(nèi)。為力求物體映像的逼真，今年初，AMS 再與 AI 軟件商曠視科技 (Face ++) 宣示將共同加速部署 3D 光學(xué)感測技術(shù)。

圖4：TMF8701 1D 可從多個物體的視場量測距離
資料來源：AMS官網(wǎng)；https://ams.com/time-of-flight1

關(guān)于 VCSEL，前陣子財經(jīng)界有個有趣的傳聞：微波 (microwave) ToF 將取代現(xiàn)行 VCSEL ToF。理論上，微波 ToF 的有效量測距離會較激光更大，但要全盤吃下 VCSEL 市場卻未必可行。因為對于需做＂影像比對＂的應(yīng)用而言，像素分辨率的需求順位仍高于一切；否則歐司朗 (OSRAM) 也不會在今年一月，鎖定機器視覺、人臉辨識和物體／建筑掃描再推兩款新型 VCSEL 產(chǎn)品——PLPVCQ 850 和 PLPVCQ 940，以相機紅外光照亮目標(biāo)物，然后將記錄圖像與存儲在系統(tǒng)中的圖像進行比對。或許，微波 ToF 更適合功能單純的防撞雷達。

圖5：OSRAM VCSEL 紅外光束借助特殊微透鏡陣列，實現(xiàn)視場 (FOV) 均勻照明及易于安裝
資料來源：OSRAM 官網(wǎng)；https://www.osram.com/os/press/press-releases/osram-enters-the-3d-sensing-market-with-two-new-vcsels-plpvcq-850-and-plpvcq-940.jsp

CAPD 與 SPAD 爭輝，＂背照式＂ToF 圖像感測異軍突起
有別于 SPAD 架構(gòu)，Sony 于 2017 年推出的＂背照式＂ToF 圖像傳感器，結(jié)合自有電流輔助光子解調(diào)器 (CAPD) 與背照式 CMOS 圖像傳感器像素技術(shù)，將光電探測器下方的電路分層優(yōu)化、動態(tài)創(chuàng)建電位梯度 (電子傳輸?shù)男甭?，利用像素中的漂移電流做高速調(diào)制，加速距離測量所需的相位差檢測。相較于傳統(tǒng)前照式，背照式在加倍調(diào)制頻率的同時，依然保持反射光效率，意即：相同距離量測可獲得更好的深度圖。另一方面，其像素間距只有 10μm，號稱業(yè)界最小，亦可提高有效＂像素孔徑比＂和光收集效率，實現(xiàn)高速距離測量處理并降低光源。

這是 Sony 于 2015 年收購 Softkinetic 公司后的心血結(jié)晶，據(jù)悉有效量測及深度圖采集的距離可達 5 公尺。Sony 采用 CAPD 技術(shù)的 ToF 系列產(chǎn)品統(tǒng)稱為＂DEPTHSENSE＂，德州儀器 (TI) 和邁來芯電子 (Melexis) 亦是循此路線發(fā)展：前者偏重工業(yè)機器視覺 (Machine Vision) 應(yīng)用，尤其是更小的分辨率傳感器 (resolution sensors)，涵蓋機器人導(dǎo)航、手勢識別和樓宇自動化，為攝像頭定制化設(shè)計提供極大靈活度；后者專注于汽車領(lǐng)域，所有傳感器均經(jīng)認(rèn)證，主要客戶群為一階或二階汽車供貨商。

表：TI ToF 相關(guān)產(chǎn)品

型號	產(chǎn)品描述	特色
OPT3101	用于連續(xù)波趨近感應(yīng)和測距的高速、高分辨率模擬前端 (AFE)	1. 集成完整的深度處理管道，包括 ADC、時序序列器和數(shù)字處理引擎； 2. 具有內(nèi)置照明驅(qū)動器，可覆蓋大部分目標(biāo) 效率； 3. 高環(huán)境抑制比，即使 130klx 全日照條件仍可正常運作； 4. 時序序列器具有高度可配置性，能針對特定應(yīng)用提供功耗與性能之間的折衷； 5. 提供包含相位、振幅和環(huán)境測量結(jié)果的深度資料； 6. 校準(zhǔn)子系統(tǒng)支持相位數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，可校準(zhǔn)溫度和串?dāng)_導(dǎo)致的不準(zhǔn)確性。
OPT8241	3D ToF 圖像傳感器	1. 將 ToF 感應(yīng)與經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的 ADC、通用可編程定時發(fā)生器 (TG) 結(jié)合； 2. 以高達 150 f/s 幀速率提供 QVGA 320 x 240 視頻圖形陣列； 3. 內(nèi)建 TG 控制復(fù)位元、調(diào)制、讀出和數(shù)字化序列； 4. TG 可編程，能靈活優(yōu)化各項深度感應(yīng)性能指針，如：功率、運動穩(wěn)健性、信噪比和環(huán)境消除。
OPT8320	3D ToF 圖像傳感器	1. 高性能、高度集成的完整單芯片 (SoC)，用于陣列深度檢測，包括：通用 TG、優(yōu)化設(shè)計的 ADC、深度引擎和照明驅(qū)動器； 2. 內(nèi)置 TG 可靈活優(yōu)化各種深度感應(yīng)性能指針； 3. 內(nèi)置深度引擎根據(jù)數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)計算深度數(shù)據(jù)； 4. 除相位數(shù)據(jù)外，深度引擎還提供每個像素的幅度、環(huán)境和標(biāo)志及直方圖形式的全陣列統(tǒng)計信息。
OPT9221	飛行時間控制器 (TFC)	1. 可根據(jù)數(shù)字化傳感器數(shù)據(jù)計算深度并通過可編程互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 并行接口輸出； 2. 提供每個像素的幅度、環(huán)境和標(biāo)志等輔助信息，可實現(xiàn)過濾器和掩碼并動態(tài)控制系統(tǒng)配置以實現(xiàn)預(yù)期性能； 3. 支持各種分級和＂感興趣區(qū)域＂(ROI) 選項，有助于優(yōu)化必須處理的數(shù)據(jù)吞吐量； 4. 9 mm×9 mm NFBGA 封裝，可嵌入各種終端設(shè)備。

資料來源：TI 官網(wǎng)；http://www.ti.com/sensors/specialty-sensors/time-of-flight/overview.html

＂非蘋＂陣營急起直追 3D 感測
3D 感測在去年西班牙世界移動通信大會 (MWC) 已刮起旋風(fēng)。奇景光電率先展示與高通合作開發(fā)的＂SLiM＂(結(jié)構(gòu)光影像模塊) 成果——基于高通 3D 算法，以及奇景繞射光學(xué)組件和近紅外光 (NIR) 傳感器，推出具備 3D 感測和臉部辨識功能的 Android 智能手機樣品，為＂非蘋＂陣營樹立新的里程碑，并隨后在 10 月底，宣布 SLiM 獲終端 AI 芯片商耐能智能 (Kneron) 用以發(fā)展 3D 感測監(jiān)控方案。有以下幾大賣點：
1. 點投射器可將超過 33,000 個隱形點投射到物體上，建構(gòu)復(fù)雜的 3D 深度圖 (Depth Map)；
2. 深度圖誤差率＜1%，有效操作距離為 20～100 公分；
3. 以最復(fù)雜的 3D 深度圖建構(gòu)獨特的臉部特征，可用于實時解鎖及安全的在線支付；
4. 即使在完全黑暗或陽光明媚下，亦無礙辨識；
5. 通過國際激光產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) IEC 60825 一級認(rèn)證，確保對人眼無害；
6. 玻璃破碎偵測機制，當(dāng)點投射器玻璃破裂，會自動關(guān)閉激光。

今年的 MWC 就更熱鬧了，全球首款支持手掌靜脈認(rèn)證的智慧手機 LG G8ThinQ，前鏡頭即內(nèi)建英飛凌 REAL3 ToF 影像感測芯片——攜手 PMD Technologies 的 3D 點云 (Point Cloud，系指 3D 掃描所產(chǎn)生之空間中的數(shù)據(jù)點集合) 算法聯(lián)合打造。展出期間，英飛凌也順勢發(fā)布第四代 REAL3 感測芯片——IRS2771C，樣品于今年 3月供應(yīng)，第四季量產(chǎn)；其尺寸僅有 4.6 x 5 mm，卻有150k (448 x 336) 像素輸出，幾近 HVGA 標(biāo)準(zhǔn)。他們預(yù)言，未來五年內(nèi)多數(shù)智慧手機都將搭載 3D 鏡頭，而英飛凌有信心將在其中占有相當(dāng)大的份額。

圖6：LG G8ThinQ前鏡頭內(nèi)建英飛凌 REAL3 ToF 影像感測芯片
資料來源：英飛凌提供

ToF 當(dāng)紅，但＂立體視覺＋結(jié)構(gòu)光＂雙鏡頭仍具潛力
無論結(jié)構(gòu)光或 ToF 都需內(nèi)嵌 IR 收發(fā)模塊，且像素陣列對 940 nm 紅外光極為敏感，須通過背景照明電路抑制，制程和成本自然高出一截。因此，雖然三鏡頭、五鏡頭在今年 MWC 頻搏版面，但芯片廠并未拋卻以基本雙鏡頭實施 3D 感測的想法：AMS 與高通聚焦 3D 成像的前置應(yīng)用，計劃在 Snapdragon 平臺發(fā)展＂主動 3D 雙目攝像解決方案＂參考設(shè)計，實現(xiàn)安全在線支付及動態(tài)深度臉部掃描。無獨有偶，聯(lián)發(fā)科技 (Mediatek) 為兼顧良率和可量產(chǎn)性，搶先在去年 9 月面向刷臉支付發(fā)表基于曦力 P60 與 P22 的＂立體視覺＋結(jié)構(gòu)光＂混血產(chǎn)品。

它是基于奇景光電的 IR 發(fā)射器與兩顆紅外光鏡頭，輔以曠視科技的人臉辨識、美顏和建模的參考設(shè)計，借工藝與 AI 算法簡化校準(zhǔn)流程并強化環(huán)境光抗擾度。不過，誠如英飛凌官方所說，ToF 反應(yīng)快速、且不受外部光源影響，無論室內(nèi)、室外的辨識率都更為出色，能更廣泛應(yīng)用在各種生物驗證和 AR/VR 等應(yīng)用。近年因先進駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 水漲船高的＂光達＂(LiDAR)，亦是 ToF 光學(xué)測距應(yīng)用：以紅外光脈沖波反射、掃描出物體輪廓，再經(jīng)由已知光速計算脈沖光束從發(fā)射到接收的飛行時間，進而換算出物體的相對距離和速度。

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