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決戰3D感測市場 結構光/ToF方案精銳盡出

2018-03-05
2017年蘋果(Apple)iPhone X搭載3D感測模組,並且推出了Face ID實現人臉辨識功能,帶動廠商投入ToF與結構光系統開發,如Sony、英飛凌與意法半導體相繼推出ToF方案,而高通也與奇景合作,全力發展結構光系統的研發。
顯而易見的,在2017年由Google Tango、Apple AR Kit與臉部辨識觸發了3D感測在手機應用市場。而這只是個開端,在2018年開始,不論是蘋果或是安卓陣營都會有更多配備3D應用的手機出現。 

圖1 ST亞太區Imaging Divison技術行銷專案經理林國志表示,ToF可作為人臉辨識的輔助技術,協助偵測人臉的距離。
此外,其他像是擴增實境(AR)/虛擬實境(VR)的頭戴式裝置應用、消費性及工業用機器人、先進安防監控設備、先進支付系統等的發展都逐漸邁向成熟,將刺激智慧手機的3D感測需求。 

3D感測熱度扶搖直上 手機/平板大廠爭相卡位 

拓墣產業研究院分析師蔡卓卲談到,iPhone之後大家也在想到底下一支手機誰會跟著蘋果搭載3D感測模組。而事實上在此之前,像是華碩、聯想都已有搭載Google Project Tango的3D感測模組到旗下幾款機型;再者,包含三星、華為、OPPO與VIVO等手機商,更不時有傳聞將在2018年推出具備3D感測模組的手機。 

此外,微軟(Microsoft)也在自家平板上,從Surface Pro 4到New Surface Pro都具備了Windows Hello的人臉辨識功能,同樣可以利用跟蘋果類似技術來進行解鎖。意法半導體(ST)亞太區Imaging Divison技術行銷專案經理林國志(圖1)談到,飛時測距(ToF)技術是幫助Windows Hello實現人臉辨識的一大幫手。由於ToF本身就是控制器,因此可作為Windows Hello的啟動器,偵測是否為使用者,作為啟動相機的開關。 

另一方面,英特爾(Intel)在此之前,也推出了RealSense的3D感測模組,只不過這種模組主要是運用在筆電這種比較大型的設備上,也因此,Intel正努力將模組縮小,已取得進入手機市場的門票。 

圖2 英飛凌汽車電子事業處資深經理Hans Schatz認為,3D感測應用的蓬勃發展,將進一步帶動相關產業鏈。
英飛凌(Infineon)汽車電子事業處資深經理Hans Schatz(圖2)表示,3D感測應用的興起將促成產業生態鏈的形成,包括半導體/光電業者(例如ToF與攝影機感測器、垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)與ASICs)、模組製造商(因為OEM廠商不參與製造攝影機模組)以及針對特定應用的軟體業者,例如臉部辨識、同步定位繪圖(SLAM)、6DoF與3D掃描等。 

兩大技術作後盾  3D感測應用事半功倍  

整體而言,3D感測技術可透過結構光與ToF技術予以實現。舉例來說,iPhone X手機就是採用結構光的方式,內建IR Camera、IR Projector等各式零組件,搭配軟體功能達成3D感測的效能。現階段除了蘋果之外,高通(Qualcomm)與奇景合作,準備開發接近於蘋果所採用的Light Coding結構光技術,並預計於2018年正式發布。 

而ToF技術方式則是先經由VCSEL將雷射光發射出去,再由偵測器接收散射光,合成一個收發模組。目前投入廠商包含ST、Infineon、德州儀器(TI)(聯合Sony之前併購的Softkineric共同開發ToF),以及ams在近兩年內,也透過一系列的併購手段,完備其3D感測模組生態圈,其能達到具備開發3D感測模組的能力。 

老將新秀爭相卡位  ToF新品爭搶地盤  

根據市場分析師預測,內建3D感測功能的智慧型手機將從2017年的5,000萬支成長至2019年的2.9億支。看好未來3D感測帶來的商機,上述所談的廠商在近期發表一系列相關產品,如下: 

・Sony 

基礎於2015年併購的Softkinetic的技術能量,於2017年底推出全新背照式ToF測距感測器,並預計於2018年4月開始出貨樣品。 

・Infineon 

英飛凌於2018年1月攜手pmdtechnolgies推出新款採用飛時測距(ToF)技術,內建REAL3晶片系列的3D影像感測器,其面積不到12mm×8mm,內含接收光學元件與VCSEL照明。 

目前新一代英飛凌3D影像感測晶片已有樣品,預計於2018年第四季開始量產。而Sensible Vision和IDEMIA等軟體合作夥伴將提供用於使用者臉孔偵測和驗證的應用軟體。REAL3 3D影像感測晶片的示範已開始提供。 

・ST 

意法半導體於2014年即投入ToF模組開發,至今已發展到第三代ToF模組產品,累計的ToF出貨量已超過3.5億顆,其中大約有九成應用於智慧型手機的對焦功能。 

第三代ToF產品於2018年初發布,最遠可偵測距離高達四公尺,每秒可執行60次距離偵測;相較於上一代產品,第三代ToF於接收端上加上一顆鏡頭,使其增加八倍的光子接收效能。目前可滿足前後鏡頭的相機自動對焦輔助,以及VR應用,執行身體與動作偵測的效能。 

林國志提到,ToF模組可分為1D與3D的深度地圖感測,以現階段而言,該公司的產品系列著重於1D的單點感測,主要測量物體之間的距離;而3D ToF則為多點測量技術,可以將深度地圖畫出來,例如將光線發送到人臉時,可以偵測出臉與頭髮的距離,稱之為深度地圖感測,以此得知待測物體為3D或平面影像。 

林國志進一步表示,ST未來在ToF產品規畫藍圖,會分成1D單點感測與3D多點感測;前者主要可應用於手機的前鏡頭,ToF與手機前鏡頭相機搭配使用,提供生物辨別的應用;而後者則是,滿足相機後鏡頭的VR應用,提供包含身體感測、動作偵測或深度距離行動變化。 

綜合上述所言,各大廠商陸續發表產品3D感測的相關產品,對於ToF與結構光技術的積極投入,反映出3D感測的潛在商機,預計將促進該產業更為成熟。 

搶攻人臉辨識應用  ToF/結構光技術大PK  

另一方面,在人臉辨識應用上,可透過ToF或是結構光技術予以實現,不過就這兩項技術的適用性,林國志認為,目前人臉辨識功能以採用結構光技術較為合適,而ToF則是屬於輔助人臉辨識更加精準的手段。原因在於人臉辨識應用需要有更高解析度的辨識,來提升辨識的精準度,而目前以ToF模組而言,可辨別的像素約十萬左右,相較於結構光技術可高達百萬像素等級的辨識,還有一大段距離。基於此,3D ToF大多只應用於機器視覺、體感操控等應用。 

不過,林國志也表示,ToF要達成更高像素的解析度效能,其實也非不可能,只是這種做法會使模組本身的尺寸、功耗相對提升,故許多半導體廠商正致力於在不增加尺寸與功耗的狀況下,提升人臉辨識所需要的效能。 

對於上述所言,Schatz則是提出另外一個看法。他分析,ToF與結構光都需要主動式光源,故受到距離範圍的限制,特別是在戶外的明亮環境中。相較於結構光技術,ToF比較不易受到背景強光的影響,同時還可依據不同的使用情境作調整。再者,由於ToF是直接測量距離,而非透過演算法計算距離,故ToF運作功耗消耗相對來的低很多。因此Infineon預期ToF技術將是滿足手機人臉辨識應用,非常受到重用的技術。 

不過,無論是ToF或結構光技術,都是滿足人臉辨識應用的一種手段,且各有優劣利弊,除了技術上的差異之外,其中當然也包含成本、技術門檻與產品效益等問題。蔡卓卲談到,結構光模組大約須要20~30美元上下的零組件成本,而這些成本是否可以給廠商帶來同等值的效益回饋,這就是廠商須要思考的一部分。也因此iPhone X後續的銷售狀況,是否有回饋價值,將會影響到廠商選擇的因素。 

除此之外,由於3D感測模組需要有相對應搭載晶片,也代表著像三星、華為這些擁有自製晶片的手機廠商,可能須從原本自家晶片,改換成高通或其他家廠商的晶片,這也是手機廠決定是否搭載3D感測模組到手機的因素。也因此,2018年到底有多少手機搭載3D感測模組也成為一個熱門議題。 

迎接3D感測多元應用 軟體加持成關鍵 

3D感測模組可以提供3D景深圖的建置,進而打造出AR或生物辨識的效果,包含像是人臉或是物體的辨識,甚至達到體感追蹤應用;從這些方向來看,3D感測可以應用於一些休閒娛樂,包含像是變臉軟體、寶可夢之類的AR遊戲,來強化其中的效果及使用者體驗。 

除此之外,像是居家擺設、虛擬試衣間,過往都是採用直接2D貼圖的方案,但這個效果和真實環境有所落差,所以當搭載3D感測之後,能確實地測量人以及空間中的物體,達到更好的虛擬換衣與空間擺設效果,讓消費者可以在購物之前,先透過3D感測模組加上AR效果獲得一個比較真實的感受,來決定其實際方案或是否購物。 

不管是採用哪一種技術,對OEM來說主要的挑戰還是來自於取得相關應用的軟體。如上述所提及,軟體設計業將會興起,但這個產業目前還處於發展的早期階段。

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