智能手机3D传感技术新战线开打

不同于过去的「百万画素战争」，大多数智能型手机业者会在3D感测技术这条新战线打得更辛苦...

三星(Samsung)的最新款智能型手机Galaxy S9已经准备上市，华为(Huawei)则是即将于下周在法国巴黎举办新产品P20的发表会；成像技术专家表示，3D感测技术已经成为各家手机业者互别苗头的最新竞争焦点。 不过有一点还不明确的是，三星或华为的智能型手机3D感测功能是否够资格与苹果(Apple)的iPhone X分庭抗礼？

来自法国之市场研究机构Yole Developpement的MEMS与成像技术研究主管Pierre Cambou表示，因为苹果TrueDepth摄影机技术设立了高门坎， 他预测其他竞争对手可能需要一年以上的时间才能提供iPhone X媲美的3D感测技术。

不同于过去的「百万画素战争」，大多数智能型手机业者会在3D感测技术这条新战线打得更辛苦；这是因为3D摄影机包含众多需要运作一致的零组件，还需要充分的供应链管理。

Cambou将3D摄影机形容为「一堆子装置(sub-devices)」，他指出：「记得苹果iPhone X吗？ 参与其中的供货商包括意法半导体(STMicroelectronics)、LG Innotek、鸿海(Foxconn)、奥地利微电子(ams)还有Lumentum。 」

市场已有一些评论指出三星的S9前向感测技术「令人失望」。 有一篇本月稍早发表的CNET报导评论：「深入观察三星的最新生物辨识系统──以及该系统与iPhone X的Face ID之比较──结果显示它在行动支付上还不够安全。 」

该报导指出，「这是因为三星的脸部辨识系统使用标准摄影机来建立用户脸部的2D图，而苹果的Face ID则是会建立脸部图形的复杂3D扫描」；人们已经在三星去年推出的Galaxy S8证实，能用照片来欺骗三星的脸部辨识技术， 显然S9也会被一样的手段欺骗。

至于即将发表的华为P20，有不少媒体报导都将该款手机的「三镜头」视为关键功能──为何需要3个摄影镜头，三个会比两个好吗？

为此我们询问了双镜头技术领导供货商Corephotonics的市场营销与业务开发副总裁Eran Briman，他表示：「三镜头是一个全新的技术领域，才刚刚起步、还未证明其价值 ；」他指出三摄影机可能会有很多型态与配置，那些镜头可能各有目的，包括支持「低光线拍摄、变焦、景深、高分辨率以及整体影像质量。 」

根据Briman的说法，三摄影机的组合可能包括：1. 一支彩色(RGB)镜头、一支黑白镜头，第三支摄影机则是提供超宽广视场(field of view，FoV)或是两倍远距窄FoV；2. 一支鱼眼镜头、一支标准广角镜头以及一支两倍望远镜头；或者是3. 一支标准广角镜、一支两倍望远镜以及一支五倍望远镜，以支持超级变焦(super-zoom)功能。

他指出：「也有可能是其他配置，包括不同的影像传感器；」但重点在于：「相较于双镜头设计，所有的三镜头配置都可以提供更精确的深度信息。 」

Briman表示：「主要原因是，实际上其基线(baseline，即镜头间的距离)会变得更大，特别是第一个与第三个镜头；当基线数值越大，深度信息就越准确──不过在软件方面的挑战很大，需要处理遮蔽(occlusion)、 同步等等问题。 」他补充指出：「此外藉由整合来自三个摄影机的信息，理论上可以得到更好的深度信息。 」

换句话说，华为的三镜头方案显然是为了展现该公司在强化深度感测技术方面的努力成果──虽然未经证实，业界猜测高通(Qualcomm)是华为的3D感测技术合作伙伴；在去年夏天，高通宣布与奇景光电(Himax Technologies)合作打造完全整合的结构光模块(structured light module，SliM)。 高通当时表示，其3D深度感测摄影机模块将在今年第一季量产。

3D感测技术领域有哪些重要厂商？

那么在智能型手机3D感测技术领域有哪些关键供货商？ 在我们讨论这个题目之前，先复习一下苹果的3D摄影机运作原理：



苹果TrueDepth摄影机结构
（来源：Yole Developpement）

如同Yole先前所解释的，iPhone X能辨识用户脸部并解锁手机，是结合了ToF测距传感器与红外线「结构光」相机，因而能使用均匀的「泛光」或「位图案」照明。 首先，iPhone X结合了红外线相机与泛光感应组件，从而在手机前方投射出均匀的红外光；接着拍摄影像，并此触发脸部辨识算法。

然而，这种脸部辨识功能并非持续运作。 连接到飞行时间(ToF)测距传感器的红外线相机发出讯号，指示相机在侦测到脸部时拍摄照片。 iPhone X接着启动其点阵式投射器拍摄影像。 然后将一般影像和位图案影像传送至应用处理单元(APU)，用于进行神经网络训练，以辨识手机用户以及解锁手机。

Yole的Cambou指出，此时尚未开始进行3D影像的运算，3D信息包含在位图案影像中。 「为了执行3D应用，同一个APU可以使用另一种计算影像深度地图的算法；」他补充：「由于采用了运算密集的结构光途径，iPhone X充份利用了A11芯片的强大处理能力。 使用神经网络是得以实现这一设计的关键技术。 」

基本上有三种类型的技术能实现3D感测，包括立体视觉(stereo vision)、结构光以及ToF感测；Yole所提供的以下表格可以看到这三种技术的优缺点与特性比较：



三大3D感测技术比较
（来源：Yole Developpement）

而因为每个3D摄影机都包含了一堆子装置，Yole针对以上三种类型技术提供了一些组件供货商组合线索。

首先，立体视觉或主动立体视觉(active stereo)，能透过结合由Omnivision或ST提供的全局快门近红外线(NIR)摄影机，以及欧司朗(Osram)、Lumentum、Finisar的NIR照明(可选)， 还有Iniutive、英特尔(Intel)/Movidius所提供的3D硬件加速器(即视觉处理器)。

其次在结构光部分，必要的子装置包括全局快门NIR摄影机，一样是有Omnivision或ST等供货商；还有结构NIR照明组件(可选)，供货商是奥地利微电子、奇景光电、韩国业者Namuga以及歌尔(Goertek) ；此外是3D重建软件，供货商有Apple Primesense、Mantis、Namuga与奥比中光(Orbbec)。

第三种ToF方案，则需要供货商包括pmd、Sony/Softkinetic的ToF镜头，以及欧司朗、Lumentum、Finisar与奥地利微电子等厂商的NIR照明组件(可选)。 Cambou指出，奥地利微电子与意法都提供ToF近接探测器，但只支持几个画素，辆家公司都还未开发ToF摄影机。

苹果设下的高竞争门坎

假设iPhone X的TrueDepth如同Yole所说的远胜所有竞争者，究竟其他3D感测技术方案是少了什么？

对此Cambou认为，「神经引擎」(neural engine)是一个关键，也是苹果的竞争对手难以跨越的障碍：「高通显然已经有了『me too』解决方案... 但还未看到成果；」此外他表示：「你需要够力的2D-3D摄影系统，适合智能型手机前置、成本要低于15美元，」这不是完全不可能，但真的很难做到。



iPhone X的光学中枢系统成本
（来源：Yole Developpement与System Plus Consulting）

此外Cambou补充，该系统还需要达到一定程度的生物辨识效果，如果一张照片就能骗过系统，那方案就没用；他认为这是问题所在：「苹果从一开始就知道要用3D摄影机来做什么，是包括生物辨识方案在内的用户接口，」 而其他竞争对手只是尝试要卖廉价版的相同功能。

Cambou指出：「苹果辨识系统需要的性能等级，已经设立了超越所有竞争者技术能力的标准；奇景光电的窘境意味着手机业者还没有充分了解其应用重点。 」

那除了高通与奇景光电的合作，还有其他案例吗？ Cambou指出，联发科(Mediatek)也打算以APU供货商的角色加入3D感测战场，打算以卷积神经网络(CNN)──类似于苹果的神经引擎──来支持生物辨识；而他表示，联发科显然会在未来替小米(Xiaomi) 提供CNN加速器，将与奥比中光设计的3D摄影机结合。



3D感测技术市场预测
（来源：Yole Developpement）

Cambou还表示，如果手机的脸部辨识系统将会用于行动支付，我们永远可以争论哪种3D摄影机模块更安全，但有一件不可忽略的事情，就是中国因素。 举例来说，最终只要支付宝认定哪种3D感测技术够好，就会被中国市场认可──中国有一大部分人口都已经依赖像是微信支付、支付宝等行动支付方案，而这会成为3D感测技术赢家的最大决定因素。

编译：Judith Cheng

(参考原文： Can Huawei Match Apple TrueDepth?，by Junko Yoshida)