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5G技術將加快TOF普及速度 TOF替代結構光成未來趨勢
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在今年各大手機廠商的新機發佈會中,可以看到一個很明顯的趨勢,即越來越多的廠家開始接納使用TOF技術,如華為、OPPO、vivo、榮耀等品牌已經紛紛在自己的手機上搭載了TOF鏡頭。同時有消息傳聞,蘋果也將在明年發佈的新機中使用上TOF技術。這個被廠商們熱捧,消費者熱議的技術,終於要迎來屬於自己的風口?

隨著中國手機行業進入存量市場,各廠商都開始對自身的產品尋找差異化,為此手機的鏡頭也開始不斷增加,不止是後置的多攝,即便是前置鏡頭,其數量也開始有上升趨勢。而手機中的這些趨勢,為TOF技術留出了應用的空間。

面對這種趨勢,炬佑智慧CEO劉洋認為:“近年來TOF技術逐漸得到市場和客戶的認可,特別是行業領軍企業如華為,三星和蘋果等不斷導入TOF技術,也大幅加速了TOF技術和產品的演化及普及。”

同時,劉洋補充到:“炬佑智慧已經建立了一個完整的TOF技術產品的研發和生產體制,也開發了一批針對各場景的TOF系統演算法,可以大幅度改善TOF系統的一些世界性技術難題。在今年推出VGA TOF系列的同時,我們已在佈局和啟動開發了下一代高動態混合型脈衝式DTOF,基於業內獨創的圖元技術,預計將在近期實現百萬級圖元的小尺寸TOF產品。我們期待與更多的行業和客戶進行緊密的合作,支援各行業加速導入更先進有效的TOF技術和產品。”

面對TOF的逐漸普及,ADI系統應用工程經理李佳認為:“TOF攝像頭在手機中的普及已經於2018年在安卓陣營中通過旗艦機的搭載慢慢開啟。從應用端來看,TOF引入了比傳統RGB二維相機又多了一維的資訊,所以具有更廣闊的應用空間。從另一個角度來看,5G技術的來臨,對手機內容的需求更會促進TOF技術的普及。產業鏈的成熟化,硬體性能的穩定,以及應用端的多樣性將會成為目前需要儲備的方向。ADI作為硬體方案提供商,也積極從元器件以及硬體系統方面不斷的做優化和提升性能的儲備。”

不過,TOF技術的普及趨勢需要分開來看,艾邁斯半導體資深現場應用工程師張良表示:“TOF鏡頭的普及目前已是正在進行的事。但整體趨勢主要分成兩部分:一是3D TOF。華為早在其P20 pro機型上就發佈了基於3D TOF景深攝像頭技術的產品。從對成像效果的增強結果來看,效果十分顯著,P20pro當時一舉在DxOMark評分上拿到了第一名。另外,vivo在去年發佈的NEX2機型上已經使用過3D TOF景深攝像頭的技術。其它中國國產品牌也在積極研發。國外品牌方面,蘋果要用3D TOF已經傳聞多時,三星電子本身也已經有了3D TOF相關的晶片技術,三星手機在後續產品上使用到3D TOF技術也是順理成章的事。”

“二是1D TOF。鑒於3D TOF的高成本以及高技術要求,目前在可預見的將來,基本可以斷定其只能成為旗艦機的選擇。對於中高端乃至中端手機來說,1D TOF才是標配。目前中國國產品牌(華為、OPPO、vivo、小米)都已經或在研搭載1D TOF的機型。從趨勢上來說,各家都是把其用在自家的高端機型上,然後再技術下沉到後續的中端甚至更低成本機型。”

為此,艾邁斯半導體方面已準備好了相應的解決方案,張良表示:“ams目前在3D TOF和1D TOF技術上都有解決方案。1D TOF方面,已發佈了TMF8801這款產品。憑藉業界最小尺寸且最強性能的優勢,已經成功進入了中國國產手機的供應鏈。ams也在積極開發多區域對焦1D TOF和低成本單點1D TOF產品,以滿足客戶對更高性能和更廣應用兩個方面的需求。相關產品在明年應該就可以看到。3D TOF方面,ams也憑藉自身在光學模組製造、光學器件設計、成像器件設計等全產業鏈的優勢,在積極開發模組化的3D TOF產品,以説明客戶降低開發難度和生產成本。相關產品預計在2022年之前能進入量產。”

早在去年,TOF技術便開始被廠商所應用,同時隨著5G技術的逐漸推廣,也加快了TOF技術的普及速度。具體來看,目前的3D TOF技術在成本和技術上還要求較高,即便應用也僅會在旗艦機型上,而在中低端機型上,1D TOF或許才是更優的方案。

儘管廠商們在大力推廣TOF技術,但一些問題卻還未得到妥善解決,如TOF在深度精度上要遜於結構光,相比前置鏡頭,似乎更適合作為手機後置攝像頭。同時目前TOF技術在手機應用中最大的優勢為景深,而景深效果可以採用演算法來替代。但與認知不同的是,大多數廠商卻開始逐漸接納TOF技術,這其中顯然有更深層次的原因。

對此,張良認為:“TOF技術和結構光比,確實存在近距離精度略遜一籌的狀態。但結構光技術產業鏈長而複雜,成本一直居高不下。蘋果華為之外的手機廠商曾經做過很多努力來理順產業鏈,結果都不太好。再加上其在遠距離應用上其又有先天限制和結構佔用空間太長這兩個問題,其被蘋果之外的廠商放棄也是理性的選擇。3D TOF在方案、設計、應用上都相對簡單,供應也相對成熟,能滿足遠距離景深成像的需求,所以其成為手機後置成像輔助的選擇是水到渠成的事。至於前置應用,經過幾代產品的優化,目前3D TOF精度雖然仍然略差於結構光,但滿足解鎖和支付的精度已經足夠。再考慮到其它優勢,前置3D TOF替代結構光也是趨勢(蘋果除外)。”

炬佑智慧方面也對TOF技術抱有極大的信心,劉洋表示:“我們一直認為TOF應該可以在動態精度上超越結構光,並且還擁有結構光所不具有的長距和高動態的優勢。TOF將全面取代結構光,華為近期發佈的產品也證明了行業領袖也已認可這個總體趨勢。TOF將被全面導入手機的前置和後置攝像頭,在後置,TOF可以用作增強拍攝效果,實現虛擬AR、三維互動、三維遊戲和智慧精密導航等,在前置,TOF可以完全取代結構光實現三維人臉識別,同時還可以實現三維手勢和三維虛擬合成等多項嶄新的應用。”
ADI從另一個角度對此發表了看法,李佳表示:“嚴格來說,深度精度是相對一個比較複雜的測評過程,與使用環境,參數配置等等都有相關性。而TOF和結構光是屬於兩種原理上完全不同的技術,很難做一對一的對比。很多手機廠商將TOF作為了前置攝像頭,也從實際應用端得出,TOF是具備前置攝像頭的性能以及產品化的能力的。特別值得強調的是,TOF對於中遠距離的性能的確是結構光無法超越的。從而對多應用的開發提供了硬體基礎。”

對於TOF在前置鏡頭上的應用,李佳也發表了一些見解,“具體而言,TOF圖像感測器技術有較高的深度解析度和強光下的抗干擾性能等主要優勢,非常適合前置人臉識別的支付、解鎖、手勢交互控制應用等。具體到ADI公司的TOF方案而言,ADITOF方案具有業界領先的解析度,ADI的TOF技術可感應30萬個有效深度資訊點——是3D結構光技術的10倍,TOF 模組的基線近乎為零,比結構光技術的25mm有大幅提升。此外,由於 ADI TOF方案集成了深度計算ASIC,高效的解放後端AP平臺的負擔。”

雖然在目前而言,TOF的主要作用在於幫助相機實現景深效果,但這種拍照效果可以被演算法代替。劉洋也坦言:“如果把TOF作為簡單的景深計算應用,TOF在性價比上並沒有明顯優勢。”

而李佳則認為:“基於演算法實現的景深資訊在精度以及一些應用場景下的局限性促進了TOF技術的廣泛使用。眾所周知,TOF採用的是主動光源,不受外界光線的限制,擴展了手機基於TOF應用場景的開發。ADI TOF方案因為感測器的高感光度,為戶外特別是強光下奠定了高性能表現的基礎。”

同時李佳還舉例說明了TOF在實際應用中的優勢,“關於TOF方案在實際應用中的優勢,這裡可以從幾個方面做進一步說明:在畫面拍攝後計算景深時不需要進行後處理,既可避免延遲又可節省採用強大後處理系統帶來的相關成本;TOF測距規模彈性大,大多數情況下只需改變光源強度、光學視野以及發射器脈衝頻率即可完成;由於具有不易受外界光干擾、體積小巧、回應速度快以及識別精度高等多重優勢,使得TOF無論是在移動端還是車載等應用領域日漸成為3D視覺的首選技術方案。”

張良認為,廠商之所以還會繼續使用TOF,顯然是有原因的,當前手機圖元越來越高,單個圖元尺寸越來越小。已經很難留出足夠的空間給其用來做景深運算的PD(相位對焦)圖元。而且利用超高圖元的圖像來計算景深,在系統負載和演算法方面都有相當大的挑戰。因此3D TOF做為廠商的選擇其實是件合理的事情。其技術成熟,應用簡單,系統負載小,可以獨立工作,將來能開發更多應用,技術有擴展性。隨著市場規模的擴大和新玩家的加入,3D TOF的成本會迅速下降。主要趨勢方面,當前的3D TOF攝像頭基本都是分立方案。ams認為模組化方案會是3D TOF攝像頭的趨勢。

相比結構光,3D TOF技術在方案、設計、應用上都相對簡單,同時供應鏈也更加成熟,並且對於中遠距離的性能是結構光所無法超越的。雖然在景深方面可用演算法替代,但這樣一來對於系統負載和演算法方面有非常大的挑戰,而這種局限性也反過來促進了TOF技術的普及。

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