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一場“隔空操控”的營銷背后!手機3D視覺產業鏈真相

2019年10月22日 15:04  智東西  作 者:李水青

回顧今年的科技行業,有哪些原本小眾的黑科技看起來火了?

TOF技術(Time of Flight/飛行時間法)當仁不讓。

不僅安卓智能手機廠為此你追我趕,華為Mate 30 Pro、vivo NEX等十幾款手機紛紛加持TOF技術;主張結構光技術的蘋果也動作頻頻預計在明年的兩款iPhone上首試TOF。

“TOF將在2019年迎來正式爆發”,這句去年在業內盛傳的預言似乎已經成真。

▲華為Mate 30 Pro利用前置TOF鏡頭及姿態感應器實現隔空操縱

▲華為Mate 30 Pro利用前置TOF鏡頭及姿態感應器實現隔空操縱 預言確實“成真”了嗎?據調查發現,TOF技術的真實落地進程在短期內令一些業內人士感到擔憂。

首先,TOF技術缺乏剛需應用支持。隨著手機成為TOF技術的最大市場,“相機優化”、“隔空操縱”等眾多三維視覺功能看似豐富實則都不涉及剛需,當“雞肋”應用被用戶快速消遣完一陣后,TOF技術似乎失去了切入點和落腳點。

據業內人士介紹,目前TOF技術更像是手機廠商為了沖技術點的籌碼,當下卻沒有足夠的應用來繼續支撐它走下去,明年手機廠商也許就轉而追尋“毫米波雷達”等其它熱點。

同時,TOF方法雖然已有百年歷史,TOF三維視覺技術卻依然不夠成熟。模組功耗和發熱量大、分辨率較低、成本較高等局限使得TOF技術在不久后依然容易被效用相近的結構光三維視覺技術、毫米波雷達等技術替代。

而從產業鏈角度來看,我國的TOF產業仍面臨芯片卡脖子的問題。TOF技術對感光芯片、VCSEL(面射型激光)元件的要求較高,而目前它們基本來自國外的索尼、ADI、Lumentum等廠家供應;相對應的,國內供應TOF相機模組、元器件的廠商之間的價格戰愈演愈烈,都不同程度地面臨著生存難題。

困境也許醞釀著轉機。面對應用乏力挑戰,從業者在應用市場中找到了什么新著力點?當下產業鏈上下游的真實生存情況如何?國內廠家如何尋求自己的競爭優勢?這些都是我們試圖探尋的關鍵問題。

01

百年老技術TOF迎來新機遇,但可替代方案較多

邊吃小龍蝦,邊用手隔空切歌;握住拳頭,就可以進行截屏……“隔空操縱”就是TOF技術在手機上的重要應用場景之一。

TOF(Time of Flight)譯為飛行時間法,是一個包羅萬象的術語,指的是通過光、氣體、液體等粒子的速度計算距離的一種技術,已有一百多年歷史。

TOF三維視覺技術其實源于一種激光測距法。早在1887年,邁克爾遜就首次提出將光波作為測量長度的尺子。20世紀60年代,激光的發明讓“以光測距”成為現實。

以“姿態感應”為例,TOF技術原理非常簡單:

首先,手機的TOF組件會發射出了一面平整的“光墻”,“光墻”打到手機屏幕前的手指表面后反射回來被傳感器接收。

然后,根據“光墻”飛行的時間,處理芯片可以構建出手部目前的位置和姿勢。

接著,通過實時采集這些深度信息,中控系統會調用相應的數據庫感知到用戶正在進行的動作。

最后,根據該動作預先被定義的功能,一只手就能完成隔空“切歌”、“拍照”等操作。

更進一步來看,TOF三維視覺技術主要包括光脈沖法和連續波法。前者是通過計算光脈沖的兩段時間差來計算距離,后者是利用調制的連續波產生的相位差來獲知距離差。

▲連續波法通過相位差來計算距離

▲連續波法通過相位差來計算距離 當前,TOF技術在三維視覺領域仍然有許多替代方案,在動態感知領域的替代方案就更多了。

TOF技術與結構光三維視覺法、雙目RGB法并列當下三大流行三維視覺技術。結構光法采用主動投影已知圖案的方法來識別物體,已廣泛應用于手機人臉識別、支付寶刷臉支付等;雙目RGB法則類似人的雙眼,依靠拍攝的兩張圖片來計算深度,已應用于安防、智能貨柜等領域。

▲三種三維視覺技術的主要差異對比(圖片來自網絡)

▲三種三維視覺技術的主要差異對比(圖片來自網絡) 當前,結構光三維視覺技術和TOF三維視覺技術的應用場景還存在較大的差異,但隨著兩者各自短板的補齊,它們的應用場景交叉領域將逐漸變大,這在“人臉識別”、“隔空操縱”等應用上已有苗頭。

仍以“姿態感應”這一交叉領域為例,可以替代TOF技術的技術方案其實也已經取得不錯的落地效果。谷歌近期發布的Pexil系列的隔空操縱功能采用了自研的Soli毫米波雷達;今年召開的CES Asia電子展上英特爾展出的“手勢識別”三維實感技術,應用的則是3D結構光技術。

▲通過毫米波雷達來探測手勢動作

▲通過毫米波雷達來探測手勢動作除此之外,”隔空操控”還能夠借用第三介質實現,比如三星Galaxy Note10就是在S Pen筆內增添了陀螺儀跟加速度計,來實現隔空拍照、翻頁等功能。

目前,雖然TOF技術具有探測距離較遠、受物體紋理影響小、節省空間和算力等優勢,但局限也很明顯。TOF深度相機感光元件成本高、功耗和發熱量較大、分辨率較低等問題還比較顯著。

02

“缺乏應用支撐”成硬傷,掃地機器人等應用有潛力

如果說TOF技術本身的問題還不大,那么“應用乏力”的問題就是TOF技術的“切入點”和“落腳點”。

在2010年之前,由于半導體技術的局限,TOF技術多應用于“宇宙測量”、“高精顯微鏡”等科研領域。而近幾年,隨著發光元件性能的大幅提高、3D應用需求的擴大,TOF技術開始有了新的用武之地。

去年底到今年,各大手機廠商紛紛加持TOF相機。手機已成為TOF技術的最大市場,規模預計在今年將超過70億元。

▲國內推出的智能手機中TOF相機模組應用情況

▲國內推出的智能手機中TOF相機模組應用情況 但是TOF這壺醞釀百年的“老酒”似乎顯得力道不足。

毋庸置疑,TOF技術在手機上支持很多功能。“TOF美圖”功能能使手機的拍照的景深效果得到優化;“三維建模”功能可以對“布娃娃”等事物進行三維建模,并通過算法使它動起來;TOF三維視覺技術支持的人臉解鎖已經被華為Mate 30 Pro采用,只不過目前仍需要結合指紋一起完成驗證……

除此之外,TOF技術還支持MR(混合現實)游戲、體型測量、AR尺子、Emoji表情、三維摳圖等功能。但這些功能給大家的感覺卻是:“貌似豐富,但都有點雞肋。”

▲用TOF技術進行手機三維建模

▲用TOF技術進行手機三維建模 TOF模組廠商歐菲光的相關人士對智東西說,TOF技術更像是華為、小米、三星等安卓廠每年都要推進的“科技賣點”提升目標,TOF成為了一個很好的科技點,但是它亟需充分的應用開發來支撐它。

就像全面屏技術使成像面積大幅擴大、屏下指紋技術讓指紋解鎖成為剛需,那么TOF技術為手機帶了什么剛需?

一位TOF產業鏈核心模組供應商的工程師向我們表示,當把視線投向智能家居、VR/AR領域、智能駕駛、機器人、智能安防等領域,我們發現很多TOF技術應用仍處于起步階段,卻蘊藏著許多潛在的可能。

在智能家居領域掃地機器人是目前最被看好的落地場景。石頭、科沃斯等廠家將掃地機器人上的單線機械掃描式激光雷達替換為2-3個廣角TOF深感相機,在成本相當的情況下,掃地機器人的體積能變得更加輕薄、高效。除此之外,索尼等廠商推出了集成交互式投影功能的智能音箱,雖然離鋪開商用仍有一定距離,但也帶來了許多場景想象……

在AR/VR領域,TOF深感相機能夠增強VR頭顯中的手勢控制功能,也能為雙攝像頭系統增強盲區監測,提供更加逼真的游戲體驗或更高的工作效率。雖然目前VR/AR市場毫無幾年前的那股熱度,但在5G浪潮下,AR/MR設備有望借助云存儲、邊緣計算等技術迎來新的應用熱潮。

在智能駕駛領域,車載激光雷達、車內人體識別、車內手勢識別等重要元器件已經有進展;甚至在農牧業,ToF傳感器也可用于測量并監控牲畜的生長狀態……

03

芯片被外國卡脖子,國內研發力量在萌芽

2017年,iPhoneX的Face ID將結構光三維視覺的產業鏈整合起來,由于TOF的產業鏈與結構光比較一致,小型化的TOF三維視覺技術產業鏈也隨之發展起來。

TOF三維視覺產業鏈中主要包括TOF傳感器芯片廠商、模組廠商、算法廠商及VCSEL、DOE等元器件廠商。其中VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)譯為垂直腔面發射激光器,簡稱面射型激光,是TOF技術方案所采用的光源。EDO(Diffraction Optical Element)就是衍射光學元件,用來使發出的光保持均勻,準確測距。這兩者都是TOF三維視覺硬件的核心元器件。

▲國內TOF三維視覺方案產業鏈中的部分玩家

▲國內TOF三維視覺方案產業鏈中的部分玩家以華為Mate 30 Pro為例,其TOF相機模組就選用了索尼的TOF傳感器芯片,并選擇舜宇光學和歐菲光作為攝像頭模組的一供、二供。

據“攝像頭觀察”報道,立景創新、丘鈦科技也參與了Mate 30 Pro的攝像機模組供應,VCSEL由縱慧、 Lumentum和Ams 供應,Diffuser 由 Viavi、舜宇光學供應。另外,華為還使用自己的標定系統來提高標定效率。

▲華為Mate 30 Pro中的TOF方案供應鏈情況(圖源“攝像頭觀察”)

▲華為Mate 30 Pro中的TOF方案供應鏈情況(圖源“攝像頭觀察”) TOF技術對光學傳感芯片要求高,而目前國外傳感器芯片廠商在國內TOF產業鏈中占據著主導地位。國外芯片廠商通過模組廠商牽線搭橋與手機廠商簽訂單,成為目前在國內TOF三維視覺方案在手機上的落地的主要模式。

有業內人士稱,近來正是因為索尼、三星、英飛凌等大廠在往TOF芯片砸錢,進而推動了模組廠商提高相關的產能。例如索尼就在今年初宣布加大TOF投入,夏季將實現3D ToF圖像傳感器的量產。

據了解,國內超過一半的手機TOF相機方案都是采用的索尼感光芯片。索尼2015年收購了長于TOF影像技術的Softkinetic公司,之后逐漸憑借手機攝像頭市場已有的領先地位,在我國占據了遠高于TOF鼻祖pmd的市場份額。

除了索尼,ADI是國內被選擇最多的芯片商之一。據了解,其TOF的感光芯片技術比較成熟,比如ADI早就研發出VGA(分辨率達到640x480dpi)感光芯片,只是近年隨著3D應用的興起才又將其從“箱底”啟用。

不過,目前TOF傳感器芯片在國內也有炬佑智能、歌爾等企業做的比較好。比如,炬佑智能公司自研了320x240dpi等多種分辨率的850nm和940nmToF傳感芯片,已為掃地機器人、VR/AR、手機等應用提供完整的脈沖TOF方案,但是其VGA(分辨率達到640x480dpi)感光芯片仍在研發之中。

在TOF相機模組的封裝與測評方面,舜宇光學、歐菲光、威豪等國內廠商都憑借各自的垂直領域優勢占據著龍頭地位。

舜宇光學具有鏡頭這一垂直領域優勢,同時還擁有眾多元器件的子公司。歐菲光旗下的VCSEL供應商縱慧也進入了華為手機TOF方案供應鏈。歐菲光和豪威分別由于在濾光技術及手機攝像頭模組上的渠道優勢在國內TOF市場中占據一定份額。

▲舜宇光學的“隔空操縱”方案

▲舜宇光學的“隔空操縱”方案隨著TOF相機模組產業的競爭日益激烈,一些國內的模組廠商也開始通過研發來建立自己的護城河。歐菲光、舜宇光學等企業都建立了自己的研究中心。

但國產模組廠商的研發進擊之路并不好走。據相關人士爆料,由于研發基礎薄弱、市場應用需求不足等問題,成立兩年多的歐菲光北京研究所已經難以為繼。

04

結語:TOF技術亟需“硬”用支持

小米副總裁盧偉冰曾說,TOF只是個噱頭沒有太大的實際效用,小米技術預研早就“Ready”卻沒有采用。榮耀發言人“榮耀老熊”卻認為,未來TOF能夠突破性的將現實世界物體、人像、空間虛擬化,必將是5G移動互聯網最重要的應用場景之一。

近來,三維視覺業內人士逐漸發現TOF技術并沒有像去年大家預想的那樣高歌猛進。TOF技術雖然在手機應用上占據了大量的市場,但大多數應用由于比較“雞肋”而難以支撐其進一步發展。同時,TOF技術本身也需要時間來自我進化,產業鏈中的核心技術也被國外廠家“卡脖子”。“盧熊”的爭論似乎一時難有定論。

智東西認為,雖然TOF技術短期內在智能手機上顯得應用乏力,但隨著5G的來臨、技術成本的降低,TOF技術在包括智能手機、智能家居、自動駕駛、AR/VR游戲等廣闊領域的前景還是值得期待的。在不久的以后,三維視頻通話、手機遠程VR、AR掃描地標定位等虛景+實景的混合現實或許不再停留在想象中。而到那時,手機這一應用載體或許顯得格外閉狹,AR或許也不再是手機的附屬品了。

編 輯:章芳
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