各大廠商紛紛推出新型ToF傳感器，ToF成為行業(yè)新寵

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

意法半導體推出首款64區(qū)ToF傳感器；英飛凌和PMD共同研發(fā)范圍擴大的3D ToF深度傳感器；光微科技推出國內首顆量產超小尺寸單點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，但大多數是飛行時間相機和激光掃描儀，他們使用稱為激光雷達（光檢測和測距）的技術，通過用紅外光照射來測量圖像中各個點的深度。

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

ToF相機是由光源、光源、光學部件、傳感器、控制電路以及處理電路等幾部單元組成，這與普通的機器視覺成像大致類似。根據其基本原理，ToF技術擁有實時感測、測量精度與誤差固定、抗干擾能力強等特點。ToF技術是3D感測的主流方案之一，現在不僅在逐步廣泛應用在手機設備上，也在智能投影中初現身影。

三星開始進軍ToF市場

繼9月份申請商標之后，三星終于要正式進軍ToF圖像傳感器領域 —— 三星推出了名為“ISOCELL Vizion 33D”的ToF傳感器產品。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米范圍內的對象。三星在描述產品時表示，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行三維傳感。

這是三星得首款ToF圖像傳感器，并且應該是鑒于智能手機不斷增長的ToF技術需求而選擇切入所述領域。盡管三星比蘋果更早開始在產品中搭載ToF技術，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技術應用于自家產品的跡象。三星預計將積極推進ToF傳感器的商業(yè)化，并首先將ISOCELL Vizion 33D應用于其產品，同時將其供應給中國的智能手機廠商。

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域的領頭羊，同時是ToF傳感器領域的領軍廠商，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，三星擴大了與索尼的戰(zhàn)場。

智能手機是ToF最大市場

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

在ToF傳感器逐漸成為智能手機標配的時候，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感知上的應用方向。行業(yè)人士表示，隨著AR/VR場景的不斷完善，這項功能也將成為智能手機與數碼相機最大的區(qū)別。

從終端市場來看，不僅有已經采用過這項技術的華為、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的加入也將進一步刺激手機市場需求的增長。據悉，持續(xù)推崇AR/VR這一發(fā)展趨勢的蘋果將借ToF實現相關功能。

擁有如此廣泛的應用場景，得益于ToF圖像傳感器相比于結構光和雙目RGB的優(yōu)點：實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探測距離可以達到100m，且可以調節(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結構光技術，iPhone X、OPPO Find X都是采用了3D結構光方案。與TOF不同，3D結構光通過利用點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，再經由處理系統(tǒng)計算物體深度信息。

不難看到，3D結構光在深度測算的精度更高，但工藝相對復雜，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)境光線的適應能力更強，識別距離可以達到10m，響應時間也更快，而且工藝難度也相對低，在識別精度上不如3D結構光。所以，廠商們在人臉識別方案的選擇上，更偏向于3D結構光，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。于此，索尼很快在智能手機市場成為最大的ToF傳感器與解決方案供應商：華為、三星近兩年的旗艦機都在用索尼的DepthSense方案。

3D感知市場目前仍然處在高速發(fā)展期，尤其是消費電子與汽車領域，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。考慮到立體視覺、結構光方案在3D感應技術中仍是主流，ToF傳感器可在其中分得半壁江山，已經體現出ToF技術的相當分量。

華為、LG、vivo等廠商為了追上3D面部識別的步伐，為自家智能手機選擇的3D感知技術皆為ToF。此后應用于3D感知的ToF產業(yè)鏈便開始了一路高歌猛進，不僅市場規(guī)模在未來5年內還將迅速擴張，而且供應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，主要供應商包括英飛凌/pmd、意法半導體、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含量的部分（ToF模組的發(fā)射端在技術要求上是小于結構光技術的，而接收端則相反）。當然還有將ToF所有組件構成模組和解決方案的廠商，典型如索尼、意法半導體、英飛凌/pmd等。

ToF的出現時間并不算短，產業(yè)鏈的硬件配套情況實際上已經處于較為成熟的階段，諸如索尼、松下、ADI、舜宇光學、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，在這一產品風口來臨之際，或許還會出現短期產能緊張的情況。

據業(yè)內人士稱：“目前傳感器芯片的資源就比較緊張，因為在3D視覺領域，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，且產能也有一定限制。相比之下，模組廠的數量就多很多，因此這些芯片廠對模組客戶目前也是‘擇優(yōu)供應’，這一點可能會對二三線廠商形成競爭劣勢?！?/p>

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

ToF實施中的挑戰(zhàn)與難點

在ToF技術的全套實施方案中，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、戶外強光場景產生的深度數據噪聲、場景拍攝對象的運動模糊、多徑干擾、對象邊緣模糊等。

· 多徑效應（Multipath Effects）：某些情況下 ，通過不同的反射路徑，入射光可能會抵達圖像傳感器同一個像素。也就是說一個像素內的信號，實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重。

· 對象邊緣模糊（Flying Pixels）：在立體角中，單個像素產生自不同距離的對象，就會產生所謂的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上是前景與后景不同對象的距離合成在一起的。

· 運動偽像：和傳統(tǒng)成像技術一樣，當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，成像就會產生運動偽像，且運動速度越快，錯誤就越大。

· 強度相關錯誤：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。

· 解調錯誤：在前文針對ToF原理的深度計算中，實際上都默認了完美的情況。但實際狀況會比較復雜，包括了場景對象的光散射；場景中對象材質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，則令深度數據幾乎不可用。

這類問題在不同的ToF實施方法中，都有相應的緩解方案；隨著技術的越來越成熟，ToF產品的成熟度越來越高，這些問題或許早已被解決。 

ToF技術應用現狀與前景

在智能手機之外，智能家居、AR/VR設備、家用機器人、智能電視都是其應用方向。就目前來看，這些領域的應用仍在發(fā)展初期。實際上這部分市場正從3D成像往3D感知轉換，如此一來AI驅動的設備、機器人就能理解其周圍環(huán)境，開發(fā)新的交互方式。

· 攝影輔助與強化：ToF攝像頭的場景深度數據往往要準確得多，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，場景深度數據也有助于模擬場景補光，實現影棚級的打光效果，意即為智能化的濾鏡、后期做準備。

· 面部識別、交互加強：LGG8 ThinQ、華為P30 Pro等手機都已經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屏幕，而借由前置ToF的3D感知，即可通過在手機前揮揮手這樣的操作來實現翻頁、滾屏等普通操作。不僅在手機產品中，如智能電視、交互輔助設備上，亦可實現肢體動作識別的交互方式。生物特征身份認證的人臉識別，也是ToF在手機、平板、智能電視、教育面板等設備上的重要應用方向之一，即便其精度暫低于結構光，但距離優(yōu)勢，以及技術發(fā)展中越來越高的精度，也為其這一領域的應用奠定了基礎。而交互方式的變化，更深入地可以體現在家庭娛樂中，比如配合娛樂外設的體感游戲等。

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

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

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