一场“隔空操控”的营销背后:手机3D视觉产业链真相

智东西 · 2019-10-22
TOF三维视觉技术之困:手机厂商热捧、芯片厂砸钱、模组厂大干,为何还火不起来?

编者按:本文来自微信公众号“智东西”(ID:zhidxcom),作者:李水青,36氪经授权发布。

回顾今年的科技行业,有哪些原本小众的黑科技看起来火了?

TOF技术(Time of Flight/飞行时间法)当仁不让。

不仅安卓智能手机厂为此你追我赶,华为Mate 30 Pro、vivo NEX等十几款手机纷纷加持TOF技术;主张结构光技术的苹果也动作频频预计在明年的两款iPhone上首试TOF。

“TOF将在2019年迎来正式爆发”,这句去年在业内盛传的预言似乎已经成真。

一场“隔空操控”的营销背后:手机3D视觉产业链真相

▲华为Mate 30 Pro利用前置TOF镜头实现隔空操纵

预言确实“成真”了吗?据调查发现,TOF技术的真实落地进程在短期内令一些业内人士感到担忧。

首先,TOF技术缺乏刚需应用支持。随着手机成为TOF技术的最大市场,“相机优化”、“隔空操纵”等众多三维视觉功能看似丰富实则都不涉及刚需,当“鸡肋”应用被用户快速消遣完一阵后,TOF技术似乎失去了切入点和落脚点。

据业内人士介绍,目前TOF技术更像是手机厂商为了冲技术点的筹码,当下却没有足够的应用来继续支撑它走下去,明年手机厂商也许就转而追寻“毫米波雷达”等其它热点。

同时,TOF方法虽然已有百年历史,TOF三维视觉技术却依然不够成熟。模组功耗和发热量大、分辨率较低、成本较高等局限使得TOF技术在不久后依然容易被效用相近的结构光三维视觉技术、毫米波雷达等技术替代。

而从产业链角度来看,我国的TOF产业仍面临芯片卡脖子的问题。TOF技术对感光芯片、VCSEL(面射型激光)元件的要求较高,而目前它们基本来自国外的索尼、ADI、Lumentum等厂家供应;相对应的,国内供应TOF相机模组、元器件的厂商之间的价格战愈演愈烈,都不同程度地面临着生存难题。

困境也许酝酿着转机。面对应用乏力挑战,从业者在应用市场中找到了什么新着力点?当下产业链上下游的真实生存情况如何?国内厂家如何寻求自己的竞争优势?这些都是我们试图探寻的关键问题。

百年老技术TOF迎来新机遇,但可替代方案较多

边吃小龙虾,边用手隔空切歌;握住拳头,就可以进行截屏……“隔空操纵”就是TOF技术在手机上的重要应用场景之一。

TOF(Time of Flight)译为飞行时间法,是一个包罗万象的术语,指的是通过光、气体、液体等粒子的速度计算距离的一种技术,已有一百多年历史。

TOF三维视觉技术其实源于一种激光测距法。早在1887年,迈克尔逊就首次提出将光波作为测量长度的尺子。20世纪60年代,激光的发明让“以光测距”成为现实。

以“姿态感应”为例,TOF技术原理非常简单:

首先,手机的TOF组件会发射出了一面平整的“光墙”,“光墙”打到手机屏幕前的手指表面后反射回来被传感器接收。

然后,根据“光墙”飞行的时间,处理芯片可以构建出手部目前的位置和姿势。

接着,通过实时采集这些深度信息,中控系统会调用相应的数据库感知到用户正在进行的动作。

最后,根据该动作预先被定义的功能,一只手就能完成隔空“切歌”、“拍照”等操作。

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更进一步来看,TOF三维视觉技术主要包括光脉冲法和连续波法。前者是通过计算光脉冲的两段时间差来计算距离,后者是利用调制的连续波产生的相位差来获知距离差。

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▲连续波法通过相位差来计算距离

当前,TOF技术在三维视觉领域仍然有许多替代方案,在动态感知领域的替代方案就更多了。

TOF技术与结构光三维视觉法、双目RGB法并列当下三大流行三维视觉技术。结构光法采用主动投影已知图案的方法来识别物体,已广泛应用于手机人脸识别、支付宝刷脸支付等;双目RGB法则类似人的双眼,依靠拍摄的两张图片来计算深度,已应用于安防、智能货柜等领域。

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▲三种三维视觉技术的主要差异对比(图片来自网络)

当前,结构光三维视觉技术和TOF三维视觉技术的应用场景还存在较大的差异,但随着两者各自短板的补齐,它们的应用场景交叉领域将逐渐变大,这在“人脸识别”、“隔空操纵”等应用上已有苗头。

仍以“姿态感应”这一交叉领域为例,可以替代TOF技术的技术方案其实也已经取得不错的落地效果。谷歌近期发布的Pexil系列的隔空操纵功能采用了自研的Soli毫米波雷达;今年召开的CES Asia电子展上英特尔展出的“手势识别”三维实感技术,应用的则是3D结构光技术。

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▲通过毫米波雷达来探测手势动作

除此之外,”隔空操控”还能够借用第三介质实现,比如三星Galaxy Note10就是在S Pen笔内增添了陀螺仪跟加速度计,来实现隔空拍照、翻页等功能。

目前,虽然TOF技术具有探测距离较远、受物体纹理影响小、节省空间和算力等优势,但局限也很明显。TOF深度相机感光元件成本高、功耗和发热量较大、分辨率较低等问题还比较显著。

“缺乏应用支撑”成硬伤,扫地机器人等应用有潜力

如果说TOF技术本身的问题还不大,那么“应用乏力”的问题就直击了TOF技术的“切入点”和“落脚点”。

在2010年之前,由于半导体技术的局限,TOF技术多应用于“宇宙测量”、“高精显微镜”等科研领域。而近几年,随着发光元件性能的大幅提高、3D应用需求的扩大,TOF技术开始有了新的用武之地。

去年底到今年,各大手机厂商纷纷加持TOF相机。手机已成为TOF技术的最大市场,规模预计在今年将超过70亿元。

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▲国内推出的智能手机中TOF相机模组应用情况

但是TOF这壶酝酿百年的“老酒”似乎显得力道不足。

毋庸置疑,TOF技术在手机上支持很多功能。“TOF美图”功能能使手机的拍照的景深效果得到优化;“三维建模”功能可以对“布娃娃”等事物进行三维建模,并通过算法使它动起来;TOF三维视觉技术支持的人脸解锁已经被华为Mate 30 Pro采用,只不过目前仍需要结合指纹一起完成验证……

除此之外,TOF技术还支持MR(混合现实)游戏、体型测量、AR尺子、Emoji表情、三维抠图等功能。但这些功能给大家的感觉却是:“貌似丰富,但都有点鸡肋。”

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▲用TOF技术进行手机三维建模

TOF模组厂商欧菲光的相关人士对智东西说,TOF技术更像是华为、小米、三星等安卓厂每年都要推进的“科技卖点”提升目标,TOF成为了一个很好的科技点,但是它亟需充分的应用开发来支撑它。

就像全面屏技术使成像面积大幅扩大、屏下指纹技术让指纹解锁成为刚需,那么TOF技术为手机带了什么刚需?

一位TOF产业链核心模组供应商的工程师向我们表示,当把视线投向智能家居、VR/AR领域、智能驾驶、机器人、智能安防等领域,我们发现很多TOF技术应用仍处于起步阶段,却蕴藏着许多潜在的可能。

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在智能家居领域扫地机器人是目前最被看好的落地场景。石头、科沃斯等厂家将扫地机器人上的单线机械扫描式激光雷达替换为2-3个广角TOF深感相机,在成本相当的情况下,扫地机器人的体积能变得更加轻薄、高效。除此之外,索尼等厂商推出了集成交互式投影功能的智能音箱,虽然离铺开商用仍有一定距离,但也带来了许多场景想象……

在AR/VR领域,TOF深感相机能够增强VR头显中的手势控制功能,也能为双摄像头系统增强盲区监测,提供更加逼真的游戏体验或更高的工作效率。虽然目前VR/AR市场毫无几年前的那股热度,但在5G浪潮下,AR/MR设备有望借助云存储、边缘计算等技术迎来新的应用热潮。

在智能驾驶领域,车载激光雷达、车内人体识别、车内手势识别等重要元器件已经有进展;甚至在农牧业,ToF传感器也可用于测量并监控牲畜的生长状态……

芯片被外国卡脖子,国内研发力量在萌芽

2017年,iPhoneX的Face ID将结构光三维视觉的产业链整合起来,由于TOF的产业链与结构光比较一致,小型化的TOF三维视觉技术产业链也随之发展起来。

TOF三维视觉产业链中主要包括TOF传感器芯片厂商、模组厂商、算法厂商及VCSEL、DOE等元器件厂商。其中VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)译为垂直腔面发射激光器,简称面射型激光,是TOF技术方案所采用的光源。EDO(Diffraction Optical Element)就是衍射光学元件,用来使发出的光保持均匀,准确测距。这两者都是TOF三维视觉硬件的核心元器件。

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▲国内TOF三维视觉方案产业链中的部分玩家

以华为Mate 30 Pro为例,其TOF相机模组就选用了索尼的TOF传感器芯片,并选择舜宇光学和欧菲光作为摄像头模组的一供、二供。

据“摄像头观察”报道,立景创新、丘钛科技也参与了Mate 30 Pro的摄像机模组供应,VCSEL由纵慧、 Lumentum和Ams 供应,Diffuser 由 Viavi、舜宇光学供应。另外,华为还使用自己的标定系统来提高标定效率。

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▲华为Mate 30 Pro中的TOF方案供应链情况(图源“摄像头观察”)

TOF技术对光学传感芯片要求高,而目前国外传感器芯片厂商在国内TOF产业链中占据着主导地位。国外芯片厂商通过模组厂商牵线搭桥与手机厂商签订单,成为目前在国内TOF三维视觉方案在手机上的落地的主要模式。

有业内人士称,近来正是因为索尼、三星、英飞凌等大厂在往TOF芯片砸钱,进而推动了模组厂商提高相关的产能。例如索尼就在今年初宣布加大TOF投入,夏季将实现3D ToF图像传感器的量产。

据了解,国内超过一半的手机TOF相机方案都是采用的索尼感光芯片。索尼2015年收购了长于TOF影像技术的Softkinetic公司,之后逐渐凭借手机摄像头市场已有的领先地位,在我国占据了远高于TOF鼻祖pmd的市场份额。

除了索尼,ADI是国内被选择最多的芯片商之一。据了解,其TOF的感光芯片技术比较成熟,比如ADI早就研发出VGA(分辨率达到640x480dpi)感光芯片,只是近年随着3D应用的兴起才又将其从“箱底”启用。

不过,目前TOF传感器芯片在国内也有炬佑智能、歌尔等企业做的比较好。比如,炬佑智能公司自研了320x240dpi等多种分辨率的850nm和940nmToF传感芯片,已为扫地机器人、VR/AR、手机等应用提供完整的脉冲TOF方案,但是其VGA(分辨率达到640x480dpi)感光芯片仍在研发之中。

在TOF相机模组的封装与测评方面,舜宇光学、欧菲光、威豪等国内厂商都凭借各自的垂直领域优势占据着龙头地位。

如:舜宇光学具有镜头这一垂直领域优势,同时还拥有众多元器件的子公司,旗下的VCSEL供应商纵慧也进入了华为手机TOF方案供应链;欧菲光和豪威则是由于在滤光技术及手机摄像头模组上的渠道优势在国内TOF市场中占据一定份额。

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▲舜宇光学的“隔空操纵”方案

随着TOF相机模组产业的竞争日益激烈,一些国内的模组厂商也开始通过研发来建立自己的护城河。欧菲光、舜宇光学等企业都建立了自己的研究中心。

但国产模组厂商的研发进击之路并不好走。据相关人士爆料,由于研发基础薄弱、市场应用需求不足等问题,成立两年多的欧菲光北京研究所已经难以为继。

结语:TOF技术亟需“硬”用支持

小米副总裁卢伟冰曾说,TOF只是个噱头没有太大的实际效用,小米技术预研早就“Ready”却没有采用。荣耀发言人“荣耀老熊”却认为,未来TOF能够突破性的将现实世界物体、人像、空间虚拟化,必将是5G移动互联网最重要的应用场景之一。

近来,三维视觉业内人士逐渐发现TOF技术并没有像去年大家预想的那样高歌猛进。TOF技术虽然在手机应用上占据了大量的市场,但大多数应用由于比较“鸡肋”而难以支撑其进一步发展。同时,TOF技术本身也需要时间来自我进化,产业链中的核心技术也被国外厂家“卡脖子”。“卢熊”的争论似乎一时难有定论。

智东西认为,虽然TOF技术短期内在智能手机上显得应用乏力,但随着5G的来临、技术成本的降低,TOF技术在包括智能手机、智能家居、自动驾驶、AR/VR游戏等广阔领域的前景还是值得期待的。在不久的以后,三维视频通话、手机远程VR、AR扫描地标定位等虚景+实景的混合现实或许不再停留在想象中。而到那时,手机这一应用载体或许显得格外闭狭,AR或许也不再是手机的附属品了。

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