安卓手机搭载dToF不再只是传说

艾迈斯半导体(ams)和计算机视觉成像软件厂商ArcSoft日前展示了一款3D直接飞行时间(dToF)传感解决方案，让制造商能够快速且更简单地在移动设备中实现包括即时定位与地图构建(SLAM)和3D图像处理在内的增强现实(AR)功能。除了AR，高性能、低功耗的dToF传感系统还支持其他有价值的应用，例如3D环境和物体扫描、摄像头图像增强，以及在黑暗条件下提供摄像头自动对焦辅助。

新3D dToF系统将多种一流技术组合在一起。ams提供了高功率红外垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列、点阵光学系统和高灵敏度单光子雪崩光电二极管(SPAD)传感器；ArcSoft中间件针对ams光学传感器系统的特点进行了优化，并结合RGB摄像头的输出，将深度图转换为精确的场景重建。此外，ArcSoft软件还将3D图像输出与移动设备的显示屏相结合，提供更身临其境的增强现实体验。

该系统预计将在2021年底之前开始投产，ams 3D传感产品线高级市场经理Sarah Cheng在接受媒体采访时表示，这套全新的3D dToF系统主要针对房间扫描距离范围内高帧率(>30fps)运行环境，在所有光强条件下（强光，弱光，室内，室外，较复杂的环境光等），在恒定分辨率下可实现较大的距离检测范围和较高的（不变的）距离检测精度。与当前市场上已有的3D ToF解决方案相比，其峰值功率高出20倍，具有一流的高环境光抗扰性。

值得一提的是，由于在完整的解决方案中集成了3D光学传感技术和ArcSoft软件，且本身能与Android操作环境集成，使得移动设备OEM能够直接集成新的dToF功能，集成工作量大幅减少。

dToF即将进军安卓阵营

目前市场上常见的3D深度方案主要包括双目、飞行时间(Time of Flight, ToF)和结构光三种类型。根据市场研究公司Yole Développement的最新调查显示，全球3D成像与传感市场将以20%的年均复合成长率(CAGR)从2019年的50亿美元成长至2025年达到150亿美元。手机和汽车成为其中最重要的应用场景，分别占到整个3D感知市场的54%与25%，而工业应用在整个市场上的占比预计收缩至11%。

图1：全球3D成像与传感市场将以20%的年均复合增长率发展

自2017年9月iPhone X上市后，苹果公司在消费领域为3D传感设立了技术与用例标准。两年后，Android手机制造商另辟蹊径，采用飞时测距(ToF)相机取代结构光，并将其置于手机背面。

相较于结构光，ToF模组在发射端只需一个垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)和一个扩散片，降低了复杂性。藉由背照式(BSI)感光技术，ToF传感现在已有了大幅改善，成熟的生态系统也为他们带来了成本优势，这就是ToF之所以能赢得Android手机厂商青睐的主要原因。

ToF技术的精度取决于脉冲持续时间，相比双目和结构光方案，其精度不会随着距离的增长而显著降低，所以更加稳定，精度更高。在此基础上，ToF又可细分为间接飞行(iToF)和直接飞行(dToF)两种技术，前者通过发射特定频率的调制光，检测反射调制光和发射调制光之间的相位差测量飞行时间；后者则直接向测量物体发射光脉冲，通过测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔得到飞行时间，从而取得待测物体的深度。

图2：至今没有安卓手机厂商可以加载3D dToF技术

“以当前ToF行业现状来看，iToF在芯片工艺和产业链上已经趋于成熟，具备像素成本优势，但效果并不完美，导致其应用受阻。而dToF技术在激光功耗、抗干扰、远距离精度等方面有着明显的优势，是远距离应用的关键技术，但需要在芯片设计、系统设计、制造工艺等方面全面突破，才能真正兑现该技术承诺的优势并实现普及。”Sarah表示，也正因为此，至今仍然没有安卓手机厂商可以在其手机平台上加载3D dToF技术。

图3将iToF与dToF关键规格进行了对比。可以看出，复杂多变的真实环境给深度测量引入了大量的干扰和噪声，存在复杂的漫反射甚至镜面反射，这样的多路径干扰使iToF测量值变大，严重影响了3D重建的效果。同时，由于iToF往往采用泛光投射，导致远距离和高精度这一对矛盾在原理上很难调和。相比之下，dToF在精度、距离、功耗及抗干扰能力等关键参数上都优于iToF，而这些正是AR等热门应用对3D视觉技术的要求。

图3：iToF与dToF关键规格对比

尽管相比iToF，dToF在深度点的数量，也就是我们日常所说的分辨率方面不占优势，但AR对3D摄像头的分辨率要求其实并不高，使其反而成为了非关键要素。这样，一方面可以减少和避免重建过高的时间和功耗，另一方面，低分辨率的弱势其实可以由帧累积的方式来进行补偿。

3D后置传感应用多元化

2020年，随着苹果公司最新版的iPad Pro和iPhone的出现，其搭载dToF技术的深度相机为3D视觉在消费场景的应用带来了新的机会。Sarah认为苹果的宣传语，“它的Pro级摄像头打通了真实和虚拟的交界……”，恰如其分地体现出了未来手机后置3D应用的大趋势和核心：逐渐融入现有的游戏、社交、网上购物、室内装潢、AR导游地图等线上应用平台和软件，为消费者提供更加沉浸式的AR用户体验。

Yole在其年度成像技术与市场分析《3D成像与传感》报告中也指出了同样的趋势，未来，3D传感的主要趋势是从手机前部到后部的转变以及ToF相机的大量采用，后置将超过前置，其市场渗透率将在 2025年达到近42%。除了智能手机，ToF相机模组还有着更广阔的应用市场，包括自动驾驶、机器人、智能家居、智能电视、智能监控和VR/AR等。

图4展示了几项最具代表性的应用场景。可以看出，如果我们对3D感知摄像头的分辨率、功耗、距离等关键指标进行排序的话，相关应用从左至右对分辨率的要求逐渐递减，但对低功耗和距离的要求逐步增加。以增强现实AR为例，低功耗和远距离是两项重要的技术指标，相比之下，其对分辨率的要求并不强烈。

图4：3D后置传感应用多元化

那什么样的3D技术才能支持完全沉浸式的AR体验呢？Sarah将票投给了高质量的深度图、低功耗操作和稳定的帧率三项。

• 高质量的深度图。在有效距离和环境光范围内提供高精度、低噪声、高可信度的深度信息，是沉浸式AR的基础。所谓的“有效距离”和“环境光范围”，指的是在室内/室外环境光条件下达到3-5米以上的距离，尤其是在室外强光照条件下，目前只有dToF可以满足要求。

• 低功耗操作。该条件对手机应用尤为重要，也就是要在保证连续流操作的同时需要确保正常的电池运行时间。

• 稳定的帧率。稳定的帧率允许3D摄像头与其他相机的图像融合，而高帧率同时也可以减少重建的时间。

作为拥有包含VCSEL阵列、点阵光学系统、高灵敏度单光子雪崩光电二极(SPAD传感器)、嵌入式处理灵活架构和完全校准深度图像输出在内的完整dToF解决方案的厂商，ams最新的dToF系统将会拥有1200个深度点，探测距离室内可达10米以上，即便在室外强光下也可以达到5米。帧率最高可达100帧/秒，当处于30帧/秒典型应用场景中，总功耗小于300mW，对手机平台非常友好。

Sarah强调称，ams dToF解决方案的独特性不仅在于它是一套完整的系统，同时，基于自有IP架构的点阵发射器、大功率VCSEL技术、VCSEL驱动器(VOD)系统和优化的封装设计，也都为整套系统的高性能奠定了基础。