各大廠商紛紛推出新型ToF傳感器，ToF成為行業(yè)新寵

蘋果已經(jīng)將ToF模塊應(yīng)用于今年年初發(fā)布的iPad Pro，最新的iPhone12 Pro以及在未來的其他產(chǎn)品。最近各大廠商也都紛紛瞄準(zhǔn)ToF傳感器領(lǐng)域，推出了新型ToF傳感器：

意法半導(dǎo)體推出首款64區(qū)ToF傳感器；英飛凌和PMD共同研發(fā)范圍擴(kuò)大的3D ToF深度傳感器；光微科技推出國內(nèi)首顆量產(chǎn)超小尺寸單點(diǎn)ToF傳感器等等，ToF傳感器市場的競爭更加激烈。

什么是ToF？

那么什么是ToF？ToF是Time of Flight的縮寫，直譯為飛行時間，簡稱為ToF。ToF傳感器種類繁多，但大多數(shù)是飛行時間相機(jī)和激光掃描儀，他們使用稱為激光雷達(dá)（光檢測和測距）的技術(shù)，通過用紅外光照射來測量圖像中各個點(diǎn)的深度。

從原理來看，ToF其實(shí)也并不是什么高高在上的技術(shù)，簡單來說它就是通過紅外發(fā)射器發(fā)射調(diào)制過的光脈沖，遇到物體反射后，用接收器接收反射回來的光脈沖，并根據(jù)光脈沖的往返時間計算與物體之間的距離。根據(jù)原理來看，ToF技術(shù)早期的應(yīng)用相對簡單，就是用來測距。

ToF相機(jī)是由光源、光源、光學(xué)部件、傳感器、控制電路以及處理電路等幾部單元組成，這與普通的機(jī)器視覺成像大致類似。根據(jù)其基本原理，ToF技術(shù)擁有實(shí)時感測、測量精度與誤差固定、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。ToF技術(shù)是3D感測的主流方案之一，現(xiàn)在不僅在逐步廣泛應(yīng)用在手機(jī)設(shè)備上，也在智能投影中初現(xiàn)身影。

三星開始進(jìn)軍ToF市場

繼9月份申請商標(biāo)之后，三星終于要正式進(jìn)軍ToF圖像傳感器領(lǐng)域 —— 三星推出了名為“ISOCELL Vizion 33D”的ToF傳感器產(chǎn)品。這款組件的像素尺寸為7m，VGA（640X480）分辨率，能夠測量20厘米至5米范圍內(nèi)的對象。三星在描述產(chǎn)品時表示，每個像素會在0°、90°、180°和270°方向發(fā)送四個衛(wèi)星信號，從而允許組件對快速移動的對象進(jìn)行三維傳感。

這是三星得首款ToF圖像傳感器，并且應(yīng)該是鑒于智能手機(jī)不斷增長的ToF技術(shù)需求而選擇切入所述領(lǐng)域。盡管三星比蘋果更早開始在產(chǎn)品中搭載ToF技術(shù)，但由于使用量較低，他們最終沒有選擇繼續(xù)采用，最近開始顯露出再次將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于自家產(chǎn)品的跡象。三星預(yù)計將積極推進(jìn)ToF傳感器的商業(yè)化，并首先將ISOCELL Vizion 33D應(yīng)用于其產(chǎn)品，同時將其供應(yīng)給中國的智能手機(jī)廠商。

三星推出ToF傳感器，將不可避免地與索尼展開競爭。索尼除了是全球圖像傳感器領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，同時是ToF傳感器領(lǐng)域的領(lǐng)軍廠商，他們已為蘋果iPhone和iPad提供ToF傳感器。三星在圖像傳感器市場占據(jù)第二的位置，盡管差距巨大，不過三星依然在積極追趕索尼。對于這次推出的ToF圖像傳感器，三星擴(kuò)大了與索尼的戰(zhàn)場。

智能手機(jī)是ToF最大市場

無論是哪一家手機(jī)廠商，最新的幾款智能手機(jī)配備的攝像頭數(shù)量至少有2個，可謂是在攝像頭數(shù)量上下足了功夫，這似乎也是廠商近些年能夠在手機(jī)上能做的為數(shù)不多的創(chuàng)意了，很多用戶認(rèn)為多攝像頭僅僅是廠家用于提升拍照性能，但是事實(shí)并非如此。

在ToF傳感器逐漸成為智能手機(jī)標(biāo)配的時候，多攝像頭的目的就逐漸浮出水面，可用于多場景的識別應(yīng)用，例如前置及后置鏡頭用于手勢識別或者安全支付的臉部3D辨識，以及AR/VR也是ToF在3D感知上的應(yīng)用方向。行業(yè)人士表示，隨著AR/VR場景的不斷完善，這項(xiàng)功能也將成為智能手機(jī)與數(shù)碼相機(jī)最大的區(qū)別。

從終端市場來看，不僅有已經(jīng)采用過這項(xiàng)技術(shù)的華為、OPPO在持續(xù)推動，蘋果公司明年9月發(fā)布的新品也將搭載，而新iPhone的加入也將進(jìn)一步刺激手機(jī)市場需求的增長。據(jù)悉，持續(xù)推崇AR/VR這一發(fā)展趨勢的蘋果將借ToF實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

擁有如此廣泛的應(yīng)用場景，得益于ToF圖像傳感器相比于結(jié)構(gòu)光和雙目RGB的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時地快速地計算物體的深度信息，且深度計算不受物體表面灰度特征的影響，深度計算精度不會隨距離改變而變化，基本上可以保證厘米級的精度，尤其適用于一些大范圍距離變化且高速的應(yīng)用場合。

加上是主動光源束，所以在光源不傷害人眼的情況下，ToF傳感器理論上的最遠(yuǎn)探測距離可以達(dá)到100m，且可以調(diào)節(jié)光源靈活切換需求距離。另外，ToF傳感器抗干擾能力和成本優(yōu)勢也比較明顯。

與之相對的，是目前多家廠商在面部識別上所采用的3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)，iPhone X、OPPO Find X都是采用了3D結(jié)構(gòu)光方案。與TOF不同，3D結(jié)構(gòu)光通過利用點(diǎn)陣投影儀向外投射多個光斑到被測物體，以紅外攝像頭拍攝被測物體的三維光圖像，再經(jīng)由處理系統(tǒng)計算物體深度信息。

不難看到，3D結(jié)構(gòu)光在深度測算的精度更高，但工藝相對復(fù)雜，并且對環(huán)境光線和識別距離都有比較高的限制。而TOF對環(huán)境光線的適應(yīng)能力更強(qiáng)，識別距離可以達(dá)到10m，響應(yīng)時間也更快，而且工藝難度也相對低，在識別精度上不如3D結(jié)構(gòu)光。所以，廠商們在人臉識別方案的選擇上，更偏向于3D結(jié)構(gòu)光，就是要保證識別精度和安全性。

3D ToF市場參與者愈發(fā)活躍

索尼雖是傳統(tǒng)CIS圖像傳感器制造商，但原本在ToF市場并無涉足，2015年收購SoftKinetic，并推出DepthSense ToF感知技術(shù)。于此，索尼很快在智能手機(jī)市場成為最大的ToF傳感器與解決方案供應(yīng)商：華為、三星近兩年的旗艦機(jī)都在用索尼的DepthSense方案。

3D感知市場目前仍然處在高速發(fā)展期，尤其是消費(fèi)電子與汽車領(lǐng)域，ToF即是受惠于這一趨勢的發(fā)展主力，近兩年ToF圖像傳感器在3D感知中的占比正越來越高?？紤]到立體視覺、結(jié)構(gòu)光方案在3D感應(yīng)技術(shù)中仍是主流，ToF傳感器可在其中分得半壁江山，已經(jīng)體現(xiàn)出ToF技術(shù)的相當(dāng)分量。

華為、LG、vivo等廠商為了追上3D面部識別的步伐，為自家智能手機(jī)選擇的3D感知技術(shù)皆為ToF。此后應(yīng)用于3D感知的ToF產(chǎn)業(yè)鏈便開始了一路高歌猛進(jìn)，不僅市場規(guī)模在未來5年內(nèi)還將迅速擴(kuò)張，而且供應(yīng)鏈參與者近兩年正持續(xù)著十分活躍的市場動作，還有企業(yè)正準(zhǔn)備入市。

接收端的核心器件即常說的ToF圖像傳感器，主要供應(yīng)商包括英飛凌/pmd、意法半導(dǎo)體、松下、ams、索尼等。ToF圖像傳感器是整個ToF模組中相對最具有技術(shù)含量的部分（ToF模組的發(fā)射端在技術(shù)要求上是小于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的，而接收端則相反）。當(dāng)然還有將ToF所有組件構(gòu)成模組和解決方案的廠商，典型如索尼、意法半導(dǎo)體、英飛凌/pmd等。

ToF的出現(xiàn)時間并不算短，產(chǎn)業(yè)鏈的硬件配套情況實(shí)際上已經(jīng)處于較為成熟的階段，諸如索尼、松下、ADI、舜宇光學(xué)、丘鈦科技、信利國際、LG、夏普等上下游一線廠商都早有涉及。不過，上述提到的這些企業(yè)也并未將ToF作為主力業(yè)務(wù)，在這一產(chǎn)品風(fēng)口來臨之際，或許還會出現(xiàn)短期產(chǎn)能緊張的情況。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士稱：“目前傳感器芯片的資源就比較緊張，因?yàn)樵?D視覺領(lǐng)域，每一家芯片廠商主推的解決方案不同，有ToF資源的芯片廠并不算多，且產(chǎn)能也有一定限制。相比之下，模組廠的數(shù)量就多很多，因此這些芯片廠對模組客戶目前也是‘擇優(yōu)供應(yīng)’，這一點(diǎn)可能會對二三線廠商形成競爭劣勢?！?/p>

在市場規(guī)模的擴(kuò)張方面，在市場參與者的競爭方面，乃至在技術(shù)方向的趨勢方面，3D ToF都處在一個高速發(fā)展、競爭激烈且異常關(guān)鍵的時刻。未來一段時間內(nèi)，這一市場預(yù)計還會產(chǎn)生很大的變化，尤其是市場參與者選擇的應(yīng)用領(lǐng)域及技術(shù)方法賽道。ToF乃至3D感知市場進(jìn)入白熱化競爭已經(jīng)箭在弦上。

ToF實(shí)施中的挑戰(zhàn)與難點(diǎn)

在ToF技術(shù)的全套實(shí)施方案中，還需要克服許多方法本身可能存在的一些缺陷。包括系統(tǒng)深度誤差、戶外強(qiáng)光場景產(chǎn)生的深度數(shù)據(jù)噪聲、場景拍攝對象的運(yùn)動模糊、多徑干擾、對象邊緣模糊等。

· 多徑效應(yīng)（Multipath Effects）：某些情況下 ，通過不同的反射路徑，入射光可能會抵達(dá)圖像傳感器同一個像素。也就是說一個像素內(nèi)的信號，實(shí)際上來自多個場景中的反射來源，場景對象具備高反射率的時候這個問題會格外嚴(yán)重。

· 對象邊緣模糊（Flying Pixels）：在立體角中，單個像素產(chǎn)生自不同距離的對象，就會產(chǎn)生所謂的flyingpixels。這種情況一般發(fā)生在對象邊緣位置，那么這種flying pixel像素的深度信息本質(zhì)上是前景與后景不同對象的距離合成在一起的。

· 運(yùn)動偽像：和傳統(tǒng)成像技術(shù)一樣，當(dāng)場景中的被觀察對象以較快的速度移動（或攝像頭本身就不穩(wěn)定）時，成像就會產(chǎn)生運(yùn)動偽像，且運(yùn)動速度越快，錯誤就越大。

· 強(qiáng)度相關(guān)錯誤：場景中某個對象的不同區(qū)域有不同的明亮色彩時，可能造成錯誤。比如說國際象棋棋盤這種黑白格相間的對象，測量得到黑色方格的距離可能比白色方格更近。

· 解調(diào)錯誤：在前文針對ToF原理的深度計算中，實(shí)際上都默認(rèn)了完美的情況。但實(shí)際狀況會比較復(fù)雜，包括了場景對象的光散射；場景中對象材質(zhì)反射率較低會造成像素欠飽和，以及較低的信噪比；鏡面對象則反射幾乎所有能量，又會令像素過飽和，則令深度數(shù)據(jù)幾乎不可用。

這類問題在不同的ToF實(shí)施方法中，都有相應(yīng)的緩解方案；隨著技術(shù)的越來越成熟，ToF產(chǎn)品的成熟度越來越高，這些問題或許早已被解決。 

ToF技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

在智能手機(jī)之外，智能家居、AR/VR設(shè)備、家用機(jī)器人、智能電視都是其應(yīng)用方向。就目前來看，這些領(lǐng)域的應(yīng)用仍在發(fā)展初期。實(shí)際上這部分市場正從3D成像往3D感知轉(zhuǎn)換，如此一來AI驅(qū)動的設(shè)備、機(jī)器人就能理解其周圍環(huán)境，開發(fā)新的交互方式。

· 攝影輔助與強(qiáng)化：ToF攝像頭的場景深度數(shù)據(jù)往往要準(zhǔn)確得多，這對于輔助2D攝像頭攝影，突出畫面主體，并對背景做虛化，創(chuàng)作更具視覺震撼力的照片有幫助。另外，場景深度數(shù)據(jù)也有助于模擬場景補(bǔ)光，實(shí)現(xiàn)影棚級的打光效果，意即為智能化的濾鏡、后期做準(zhǔn)備。

· 面部識別、交互加強(qiáng)：LGG8 ThinQ、華為P30 Pro等手機(jī)都已經(jīng)開始引入懸浮手勢識別功能。例如在下廚或吃飯時，不需要用手去接觸手機(jī)屏幕，而借由前置ToF的3D感知，即可通過在手機(jī)前揮揮手這樣的操作來實(shí)現(xiàn)翻頁、滾屏等普通操作。不僅在手機(jī)產(chǎn)品中，如智能電視、交互輔助設(shè)備上，亦可實(shí)現(xiàn)肢體動作識別的交互方式。生物特征身份認(rèn)證的人臉識別，也是ToF在手機(jī)、平板、智能電視、教育面板等設(shè)備上的重要應(yīng)用方向之一，即便其精度暫低于結(jié)構(gòu)光，但距離優(yōu)勢，以及技術(shù)發(fā)展中越來越高的精度，也為其這一領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。而交互方式的變化，更深入地可以體現(xiàn)在家庭娛樂中，比如配合娛樂外設(shè)的體感游戲等。

· 智能家居：ToF在智能家居的應(yīng)用，除了前述單點(diǎn)距離檢測的避障應(yīng)用（以及如應(yīng)用于智能門鎖的距離檢測，實(shí)現(xiàn)使用體驗(yàn)加強(qiáng)）以外，對于家用智能機(jī)器人或者更多智能設(shè)備的環(huán)境感知和理解，3D ToF技術(shù)都有發(fā)揮的空間。這部分市場仍在起步階段，就機(jī)器人的3D環(huán)境感知能力來看，它在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用或許會更早起步。

· 其他領(lǐng)域：在汽車領(lǐng)域即便不談?wù)搼?yīng)用于ADAS系統(tǒng)的LiDAR，ToF在智能駕駛艙中的應(yīng)用可用于手勢交互、駕車者狀態(tài)監(jiān)測等；醫(yī)療健康領(lǐng)域，如MESA ToF攝像頭在交互式物理治療系統(tǒng)的應(yīng)用是個典型；工業(yè)自動化相關(guān)的例子有ToF電子圍欄、針對奶牛的自動擠奶系統(tǒng)，工廠自動運(yùn)輸機(jī)通過ToF能夠?qū)崿F(xiàn)在工廠或倉庫內(nèi)的自主導(dǎo)航，以及針對后勤/運(yùn)輸做運(yùn)輸工具空間優(yōu)化利用的尺寸標(biāo)注解決方案等。

以上列舉的部分應(yīng)用實(shí)際上也有其他可行的解決方案，例如立體視覺、結(jié)構(gòu)光都有在這些領(lǐng)域做應(yīng)用的可行性。由于ToF技術(shù)本身的特點(diǎn)，它在這些領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用顯得更有潛力。而且即便只討論消費(fèi)市場，以上列舉的應(yīng)用領(lǐng)域都尚未完全開發(fā)，ToF技術(shù)的未來是真正可期的。