12. APR 2018

News: Next Standard for Smart Phone: 3D Sensor

智能手机的下一个标配:3D感测

 

EE Times/ EDN Asia Magazine 記者 黄晶晶 

PhoneX新搭载的3D感测人脸识别成为产业界为之热捧的下一代智能手机新功能,安卓阵营推出的时间点预计出现在2018年下半年......

不出所料,iPhoneX新搭载的3D感测人脸识别成为产业界为之热捧的下一代智能手机新功能。目前,据了解安卓阵营推出的时间点预计出现在2018年下半年。产业链紧锣密鼓准备,新技术导入、产能爬坡,迎接这一波风潮的到来。

 

  • 结构光、双目立体成像、TOF用于智能手机,各有市场

目前行业内所采用的主流3D感测技术方案大约有三种:结构光、TOF飞行时间、双目立体成像。如果说苹果采用的单目结构光是一种产业风向,那么其他技术在智能手机3D感测功能上如何施展?

Luke认为,这几种技术将是各有市场的态势。立普思近期已成功研发出用于Android手机的3D人脸识别及3D扫描技术,该整合方案主要为Android手机平台提供如iPhoneX的3D人脸解锁,除此还加上手持式3D扫描功能。这种主动式立体深度感测技术利用投射主动式红外线光源到物体上,再利用两个红外线镜头获取数据后进行深度运算。搭配独家研发出的3D扫描与脸部解锁软体即可以直接应用于Android手机上。目前需要外接一台主动式立体深度摄影机到Android手机的micro USB,立普思将推出一个可以直接整合到手机内部更小、更薄的模组。

目前立普思双目3D摄像头模组正在与欧美系、台系智能手机厂商进行研发试样阶段,预计今年底至19年初将正式量产。这也意味着单目结构光并非手机3D感测唯一方案。Luke分析说:“双目立体感测比单目结构光具有更好的成本优势,之前双目方案一直被诟病的精准度问题,以立普思的双目方案,硬件加软件算法能够与单目结构光参数相媲美。”双目立体感测方案包括两颗摄像头、一颗ASIC芯片,量测范围受限于两颗摄像头的距离,立普思的方案量测范围可达到20厘米至1.3米,同时所需功耗仅为800微瓦。据了解,英特尔Real Sense双目深度摄像头技术也在设计小型化方案,有望载入智能手机。立普思也是英特尔双目方案的软件算法供应商之一。

单目结构光方案通过将光源投射到被测物体上时,根据这些光栅的畸变来解调出被测物的三维信息。结构光方案适合于消费电子产品前置3D成像,用于近距离场景。沈瑄介绍,华捷艾米结构光方案具有以下几个优势:1)自有知识产权,与苹果没有专利问题,华捷艾米的算法全部自研,公司从成立伊始就开始3D方向的算法研究,经过8年的迭代优化以及在OTT市场的反复验证。2)产业优势,华捷艾米目前已经与主芯片商、手机厂、光学模组厂、应用算法供应商合作,打通了从技术到生产的整个产业链。3)合作模式灵活,华捷艾米由于是全部自主研发,因此与产业链的合作模式是多种多样的,会提供SoC及IP授权等多种模式。4)供应链优势,华捷艾米在光学方案中,打破了苹果的垄断,自主的光学方案具备可量产、良率高等优势。5)安全性高,华捷艾米方案得到了主要手机芯片商的大力支持,从数据加密、存储、传输上具备支付级别的要求。因此,华捷艾米的方案相比其他方案具有低成本、深度成像质量优、安全性高等特色。

所谓TOF飞行时间法3D成像,是通过给目标连续发送光脉冲,然后用传感器接收从物体返回的光,通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。如联想PHAB2 Pro搭载了一颗德国英飞凌定制的TOF深度摄像头、一颗红外线发射器和接收器以及一颗动作追踪摄像头,为实现AR功能提供了保证。业界一度认为苹果也采用了TOF方案。它与结构光比较明显的区别在于,在红外光发射端,TOF基本不需要使用光学棱镜,而结构光由于需要形成特定的光学图案,所以需要添加DOE(衍射光栅)和Lens(光学棱镜)。

不过,一些手机搭载TOF方案实现AR功能的体验并不太理想,Luke认为与设备不想占用太多CPU资源从而降低运行速度有关。立普思已为国际汽车电子大厂提供TOF方案,Luke看好手机TOF方案在VR、AR应用上实现更优质的体验。至于在单目结构光方案上,立普思也在进行研发。以Luke的看法,三大技术路线都将有可观的应用市场,是并存的关系,因此皆有投入。

 

  • 产业链的准备

结构光3D成像技术主要由4大部分组成,包括不可见光红外线(IR)发射模组、IR接收模组、镜头模组、图像处理芯片。

其中,IR发射模组主要部件包括不可见红外光发射源(激光器或者LED)、准直镜头(WLO)、光学衍射元件(DOE)。而由于VCSEL光谱准确性更高、响应速度更快、使用寿命更长、投射距离更长,将成为不可见红外光发射源的主流。准直镜头以WLO工艺为主,光学衍射元件DOE的制造门槛较高,通过DOE进行散射,即可得到所需的散斑图案(Pattern)。IR接收模组包括特制红外CMOS、窄带滤光片和镜头Lens。

陈平路表示,3D传感器是艾迈斯半导体的重点项目,并制定了清晰的战略以引领3D传感市场的发展。“基于公司自身的系统专业知识和解决方案能力,我们致力于在3D传感的多个领域中制定详细的发展路线,并为此投入了大量的研发资源。这种坚定的承诺使我们从众多3D传感领域参与者中脱颖而出,并逐渐获得强有力的市场反馈。”

艾迈斯半导体集成式光学系统集成了行业领先的晶圆级光学元件(WLO)和衍射光学元件(DOE),以高度微型化的光学模块进行供货。艾迈斯半导体还针对结构光、立体视觉和飞行时间(ToF)实施方案推出高度差异化的照明解决方案,并在先进的VCSEL(垂直腔面
发射激光器)技术基础之上推出LIDAR距离传感器。

此外,艾迈斯在新加坡投产了一条新的6" VCSEL生产线,除了看到强劲需求外,艾迈斯半导体的制造能力也足以实现VCSEL技术差异化。

去年底,艾迈斯半导体与舜宇光学科技达成合作,从而加快了用于智能手机和移动设备的高品质3D传感解决方案的上市与销售。而在智能手机和移动设备领域,高效的模块集成在帮助消费电子原始设备制造商(OEM)实现3D传感方面起着至关重要的作用。陈平路说:“目前我们正共同挖掘来自OEM的许多商机,但我们双方是非排他性的合作关系,因此将保有客户合作上的灵活性,以更好地满足客户需求。此外,这个合作还将使我们双方能够在汽车市场上抓住新兴的3D传感业务机遇。”

目前安卓阵营的伙伴们都在努力争取尽快将具有3D人脸识别及AR体验的手机发布给用户,但这还需要一段时间,沈瑄透露主要是新产品的生产加工需要一个过程,目前预计主要的手机厂推出的时间都在下半年,华捷艾米方案也正在导入几家手机大
厂,目前的商用发布时间在2018年第三季度。

3D感测模组的量产仍需时间,且面临一定的困难。据拓产业研究院分析师黄敬哲分析,目前生产3D感测模组的技术门槛主要有三:第一,高效率VCSEL组件生产不易,目前平均光电转换效率仅约30%;第二,结构光技术的必要组件DOE以及红外光镜头的CIS,都需要极高的技术底蕴;第三,3D感测模组生产过程需考虑热涨冷缩的问题,提高模组组装的困难度。这些因素导致现阶段3D感测模组的生产良率仍低。

沈瑄表示,目前3D视觉在智能手机供应链中,华捷艾米的技术是成熟可靠的,与其他方案相比具有一定的优势。在量产和产能上总体都会有一些产能爬坡、良率提升的过程,苹果的良率也是经过大约10个月的时间才提高到商用量产的水平,我们认为这是合理并且正常的。

 

  • 智能手机下一个标配 3D感测前景看好

“我们确实看到了手机厂商对3D传感技术的浓厚兴趣。我们也因此认为3D传感技术势必普及到智能手机,而且现在已经是高端智能手机的标配了。”陈平路表示,3D传感首先将应用在基于结构光实施的一些旗舰机型,而3D传感在这个细分市场的全面普及将需要几年时间。但随着时间的推移,根据具体不同的应用场景,市场上也将会出现成本更低的ToF( 飞行时间)和立体视觉解决方案,以帮助中端手机配备3D传感技术。

2017年,艾迈斯半导体开始在3D传感上进行投资,尽最大努力掌握这一高度复杂的技术,并预计在2019年实现更大规模与更高品质的部署。这将成为艾迈斯半导体在智能手机3D技术和系统多年部署周期计划中的一部分。

3D传感初步部署和采用将在手机/移动设备市场实现,但汽车市场的应用将紧随其后,很可能带来比消费市场更大的发展商机。除此之外,艾迈斯半导体也逐步看到工业应用市场对3D传感越来越感兴趣。所有这些领域都是艾迈斯半导体关注的重点,将充分利用公司广泛的3D传感产品和解决方案,提供适于各终端市场的方案。虽然VR(虚拟现实)市场规模仍很小,但艾迈斯半导体也不会放弃任何机会。

厂商们坚信看好2018年底2019年初3D感测市场的爆发。沈瑄认为短期成本高、良率等问题会导致在2018年3D结构光只适用在高端例如顶配的主芯片产品中,同时,他也坚信在2019年开始爆发,会与指纹以及双摄等技术导入到智能手机一样,成为产品的标配。并且也看到在苹果的产品序列中,2018年将会把3D结构光作为标配出现。

“就像苹果将3D结构光从研发发展到商业销售用了4年的时间,目前各大手机厂也都在协调技术到生产等环节,加快速度,但硬件的研发和生产确实需要一个过程,我们相信安卓阵营大约爆发在2018年Q4。”

3D成像的市场非常大,人工智能已经从文字、语音发展到了视觉,视觉的产品也会爆发式地出现在我们身边,目前华捷艾米的3D视觉芯片主要将目光瞄准了四大市场方向:OTT、智能手机、IoT和车联网。

在OTT领域,由于和其他家用电器设备或个人移动设备相比,AR体感技术嵌入TV相对简单,嵌入良率高达98%,所以华捷艾米首先推出的是嵌入TV的产品。由此,华捷艾米将OTT盒子和摄像头做成了一体,主要应用于教育或者健身领域。

在IoT领域,则主要是将算法芯片嵌入相关设备中,应用于刷脸支付、智能新零售、高端社区/重点区域安防等时下较为热门的场景。

车联网领域的应用,主要用作基于智能驾驶/无人驾驶车辆的车内AR显示、驾驶员防疲劳监测、手势识别等,在机器视觉上为未来的智慧交通体系提供强大而稳定的车辆行驶安全保证,这是华捷艾米未来的一大主攻方向。

立普思以提供视觉平台整体解决方案服务各种3D感测应用,并提供客制化方案。在安防、零售、VR等应用上已取得广泛应用。以安防为例,3D感测提供立体画面,显示空间分布,较2D平面图形有更高的精准度。再如,商店进行流量统计、客户监测、行为分析等等,3D更能发挥精确辨识、助力便捷购物的作用。这类应用的极致体验,尤如亚马逊GO的无人商店,将不可缺少对深度摄像头的大量采用。

Luke表示,深度摄影机可谓集光学、电子、机构、平行处理、演算法、人工智慧于大成,在这机器视觉的年代,立普思将提供最完整的感知方案。包含安全监控、汽车辅助系统、无人机、混合式扩增实境、机器人相关应用、3D扫描等,使得各式机器视觉应用利用立普思提供之软硬体方案,得以快速开发出各种应用。