ToF 3D感測 智慧手機 智慧型手機 結構光 立體視覺

衝刺手機/工業/車用領域 ToF感測市場多強混戰

2019-05-28
在行動裝置、工業物聯網與自駕車發展趨勢下,飛時測距(Time of Flight, ToF)感測技術熱潮不減反增。不僅可應用於智慧手機與頭戴裝置,提供人臉辨識、距離感測與相機輔助對焦功能,更為工業監控及自駕車光達、手勢辨識應用帶來許多加值服務,提升製造產能與安全的作業(駕駛)環境,促使更多晶片商投入其中,包含艾邁斯(ams)、英飛凌(Infineon)、亞德諾(ADI)與意法半導體(ST)等廠商,皆積極推出相關方案,其能在3D感測潮流中,找到一個乘浪而起的新契機。
Sony

3D感測技術可透過結構光(Structure Light)、ToF與立體視覺(Stereo Vision)等方式實現(表1)。ADI亞太應用工程總監Charles Lee表示,iPhone X或工業用的結構光,其透過紅外光來決定於物體與其距離,結構光的良好應用是可量測物體,但最大的問題是無法用於戶外;另一種比較常見技術,是以CMOS為基礎的ToF,可實現手勢控制與人臉辨識等應用,但此方法的缺點是解析度較低,再者,該技術是基於雷射光調變技術,隱藏著耗電問題;最後,立體視覺量測物體的距離,是透過兩個眼睛的視角差來算出物體的距離,但其缺點是需要較高的運算速度,容易產生震動的應用環境較不適用。

表1 3D感測技術比較
資料來源:資策會MIC

ams台灣區總經理李定翰(圖1)表示,相較於2018年,手機應用已逐漸從結構光技術,慢慢擴展到ToF與立體視覺技術發展。整體看來,3D感測技術會因導入的場景與應用的不同,進而影響平台架構、成本要求與干擾因素。

圖1 ams台灣區總經理李定翰表示,製造商採用3D感測技術,是依照不同的使用環境與技術要求而定。

ToF手機人臉辨識商機起飛

拓墣產業研究院分析師蔡卓卲分析,目前驅使多家廠商搭載結構光方案的3D感測模組的誘因並非來自應用,而是僅止於市場話題性。相較於結構光方案,ToF方案的優勢為較低的技術門檻和方案供應商較多,因而手機廠商多有意轉進ToF方案。

ToF技術可望成為2019年新機的重點特色之一,舉例來說,LG日前發表的G8 ThinQ手機,前鏡頭即是搭載Infineon與pmd合作的ToF技術。此外,華為旗下的榮耀V20與P30 Pro、三星(Samsung)Galaxy S10,以及雙螢幕三攝鏡頭的vivo NEX雙螢幕版則已導入ToF。

3D ToF vs 結構光

李定翰認為,以整體系統成本比較來看,結構光的成本高出3D ToF許多,相對的,其精度和準確率也有明顯的優勢。若說3D ToF精準度超過百分之90,而結構光的精準度則高達99.9,二者差異約達幾個百分點。

3D ToF和結構光可接收到的光點數量,會影響其解析度與準確性(Accuracy),目前結構光打出來的光點約有30萬個點,而3D ToF僅有幾萬個點,數量遠少於結構光。不過精確性與準確性是一個很抽象的名詞,實際還是要看導入應用時所呈現的效能,不可諱言,未來ToF會不會有更多的點與更高的解析度,這就要看整個市場發展。

另一方面,3D ToF或結構光最大差異,就在於3D ToF可以發射比較遠的光,意味著輸出功率就更高。相反的,結構光無法透過調高功率的方式將發射光打到更遠的地方,因為結構光的光點太細,打遠出去的光,只要某些參考點未能及時擷取,就要花費更多時間來演算。

也因此,以目前的技術來說,無論是哪一種技術,發射幾百萬個光點都沒問題,但不這麼做的原因,就是這些技術需要取一個平衡值,否則將影響整體硬體零件、良率,以及量產時的均值化優劣。

Infineon大中華區射頻及感測元件暨電源管理及多元電子事業處總監麥正奇(圖2)談到,結構光設計需要有基準線(Base Line)才能進行測距,而ToF技術則是接收自己發射出來的光,無需基準線的輔助,因此模組更加小型化,適用於手機前鏡頭進行人臉辨識,尤其是在手機廠商全螢幕、無遮蔽的要求下,可提供相較於結構光更大的優勢。

圖2 Infineon大中華區射頻及感測元件暨電源管理及多元電子事業處總監麥正奇認為,ToF小型化模組優勢,有助於全螢幕訴求的手機開發。

Infineon大中華區電源管理及多元電子事業處主任工程師林慶宗補充,無論是結構光或立體視覺技術,皆需部分機械式設計。舉例來說,早期英特爾(Intel)推出的RealSense模組,即須加裝鋁條固定相機,以確保相機運作過程中,不會折損或因掉落導致鏡頭分散,進而影響其測距能力。相較之下,該公司ToF技術,內無機械式結構設計,且僅須在出廠時進行一次性校準,就能保障即便摔落,仍具備精準測距功能。

散熱/功率/解析度/良率待解決

由於市場尚未出現3D感測殺手級應用,使終端廠商投入遲疑不決之外,加上成本與技術門檻的限制,使3D ToF技術發展不如想像中快速,目前可提供3D ToF並量產的廠商屈指可數。以技術面來看,目前3D ToF技術面臨著散熱、功率、解析度提升,以及良率等問題。

ST大中華區暨南亞區技術行銷經理朱振盟(圖3)認為,3D ToF主要挑戰在於功率與散熱兩個大問題,從1D升級到3D ToF升級過程中,整體工作功率增加超過10倍以上的差異;其次,在軟體技術與成本上的考量,也是當前手機製造商非常關注的重點。

圖3 ST大中華區暨南亞區技術行銷經理朱振盟指出,散熱與功率問題是ToF模組開發最大的挑戰。

朱振盟分析,目前手機商導入ToF技術可從兩方向著手,第一是將ToF安裝於前置鏡頭,目的是為了取代3D結構光,進行人臉辨識的功能。不過,由於目前中國手機商追求的是屏占比,也就是以手機全螢幕為目標,故希望手機設計盡量不要對螢幕造成遮蔽。因此現在的手機設計有時候只會有一個手機孔,稱為缺口(Notch)設計,若加入結構光或ToF,極有可能將缺口變寬,與手機商所要的零缺口有些許差距。

另一個方向,是將ToF加裝於手機後鏡頭,實現背景虛化的增強。主因在於目前利用軟體進行背景虛化仍然有出錯的可能,或者透過影像判斷景深,多少會受到光線明暗的影響,無法清楚解析景深。

Charles Lee表示,感測器解析度是主要關注重點,因為感測器在解析度、靈敏度和雜訊方面最為要緊,外部因素如鏡頭、電源、PCB布局和模組機械設計則將影響最終性能;此外,校準和後端軟體也發揮著關鍵作用,其能使ToF系統運作良好。

李定翰指出,過去手機設計結構簡單、成本也較低,手機商有時會以「試試看」的心態加裝不同的技術。時至今日,手機設計結構複雜度已不可同日而語,內部零件層層堆疊,若中間一個過程出錯,成本即攤提到整個模組費用,影響非常可觀。也因此,現在若無經過嚴謹的市調分析,手機商不會輕易嘗試新的技術,因為模組費用與設計良率,都會直接影響到成本費用。

在5G發展的風潮帶動下,高解析度影音串流與擴增實境(AR)/虛擬實境(VR)應用亦逐漸明朗化,推動各大手機廠商加碼導入ToF 3D感測技術,並聚焦人臉辨識與AR/VR應用,期能在5G潮流中,找到一個乘浪而起的機會。

整體看來,目前ToF技術還是以1D ToF為主,少數廠商如Infineon和Sony已推出3D ToF商用量產方案。據悉ST與ams也默默鴨子划水,積極研發3D ToF技術,ST預計將於2019年年中推出樣品,而ams似乎也預計於今年有相關的產品面市。

SBI不畏強光 ToF精準測距有訣竅

由於ToF技術是透過光來回反射的時間,測量物體間的距離,因此接收與分辨光源的能力非常重要。然而,在具備全光譜的太陽光底下,因為ToF發出的紅外光頻譜與太陽光重疊,因此難以分辨出正確發射出去的光源,進而影響測距能力。為了解決此問題,Infineon與pmd合作的Real 3加入背景照明抑制(SBI)技術,藉此強化ToF測距能力。

麥正奇談到,SBI的優勢就是能在強光下,仍然具有精準測距的能力。主要是因為在每個像素點上都有加入SBI技術,因此每個像素點會有自己的控制電路,偵測自己是否過度曝光,進行自我檢測與補救。

如同上述所說,陽光下ToF難以分辨模擬(ToF發射出去的光源)或非模擬(太陽光)的光源,若同時接收這兩種光源,就會造成過度曝光,使ToF感測失靈。受惠於SBI技術,賦予過度曝光的像素點一次重生的機會,進而分辨出模擬與非模擬的光,讓感測器恢復測距能力。

林慶宗補充,除了辨別光線之外,SBI同時能滿足寬動態(WDR)能力,讓高對比、高反差環境下,呈現明暗相近之清晰畫質。透過SBI一次性的補救機制,即使在強光底下,仍可測量出漂亮又精準的深度圖。

換言之,在SBI技術下,ToF可以取得每個像素點精準的資料,至於設備商要怎麼取用這些資料,去開發新的應用功能,或者是強化編輯、美化圖片的效能,還須仰賴設備商本身開發演算法軟體的能力。

屏下指紋技術來襲 手機3D感測地位受挑戰

不過在同一個時間點,屏下指紋技術商機也同步起飛。資策會MIC資深產業分析師兼專案經理林信亨(圖4)認為,2019年結構光仍然會在手機應用領域中保有一席之位,但若屏下指紋技術普及後,將結構光保留在前置鏡頭是否有其價值,仍有待商榷。從市場角度來看,指紋辨識成長力道將會來得更快一些。

圖4 資策會MIC資深產業分析師兼專案經理林信亨表示,從成本方向考量,手機屏下指紋辨識發展力道將比3D感測快速。

工研院產科國際所經理林澤民表示,3D感測業者積極進行成本控制,但仍然高於屏下指紋辨識模組,故正努力尋找生物辨識功能之外的殺手級應用,前鏡頭以機器視覺應用較受看好,後鏡頭則以AR、遊戲、精準測距與3D建模應用備受期待。

林澤民認為,整體來看結構光與ToF模組目標價格在10美元以下,屏下指紋技術透過平價影像感測器結合特殊演算法,其模組價格有望降至1~1.5美元,目標價格有機會達到3美元以下,可望大舉搶進中階手機,目前已有8~10家業者投入產品開發。

工業/汽車領域超有感 3D感測技術顯神通

雖然3D感測在手機應用市場,似乎仍待一些突破,不過,除了手機應用之外,3D感測尚可應用於工業、車用市場。林慶宗表示,過去該公司研發ToF技術,主要來自於Tier 1車廠的訴求。早期倒車雷達可視角角度不足,以至於無法在倒車時清楚偵測到牆、椅子或地上石頭,導致汽車擦撞的可能。為了避免後端保險桿擦撞,十多年前因緣際會下,該公司與pmd開始技術交流,共同研發ToF技術,期能為汽車市場注入新能量。

整體來說,汽車應用結合Full HD CMOS影像感測器和ToF模組,能準確測量物體與汽車的距離,較傳統超音波感測方案更加精準,提供倒車系統更大範圍的防碰撞偵測。

從應用角度來看,Charles Lee指出,該公司大多ToF應用案例在於人流統計(People Counting)及人臉識別自動門,獲得許多客戶的熱烈迴響。而在智慧建築領域,具人臉辨識的ADI ToF 3D立體影像感測解決方案可辨識空間中人與物體的相對位置距離,以摒除非人類或動物進入室內;應用於商業空間的3D人流統計時,則可利用影像技術分辨身高,有效分辨進出人流,並計算總量。

不過整體而言,Charles Lee認為,工業市場仍然具有比較大的商機,尤其是機械手臂的ToF應用,現已有具體客戶需求與應用討論。舉例來說,ToF電子圍籬能建置安全防護Virtual Wall,以ADI的ADDI9033搭配ToF感測元件,提升產線作業人員與機器手臂協同作業的安全性。對於下一代ToF系統,該公司將添加更多功能,如AI/深度學習,並提供更彈性的界面以滿足不同客戶的需求。

製造供應鏈受惠 3D感測市場漲相佳

無論是投入於哪一種領域的應用,可以肯定的是,市場上將會有更多3D感測器製造商出現,主要原因是終端客戶將會更加依靠3D感測技術來協助因應日常遇到的問題。而這將使諸如鏡頭製造商、雷射模組、雷射測試儀、生產代工,甚至Eye Safety認證等供應商進入該供應鏈。

整體來看,台灣於3D感測供應鏈中,較多以生產代工廠商居多,包含穩茂、宏捷科、華立捷、全新光電與環宇皆為供應鏈的成員。同時也有一些晶片、模組廠商如華晶科、佳又盛與迪伸電子加入3D感測生態系,其中華晶科已與亞馬遜(Amazon)合作無人商店應用。

林信亨認為,未來AI時代,3D感測技術是不容或缺的關鍵技術,有些廠商透過演算法方式補強3D感測,即便目前3D感測晶片關鍵技術較多掌握在國外大廠手中,但依舊有其發展機會。而手機市場競爭激烈,台廠大多將以生產分工方式加入戰局。

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