TOF深度視覺(jué)技術(shù)嶄露頭角 專(zhuān)業(yè)與消費級應用場(chǎng)景技術(shù)挑戰大不同

作為3D深度視覺(jué)領(lǐng)域三大主流方案之一，近年來(lái)ToF深度傳感技術(shù)逐漸嶄露頭角，在諸如智能手機后置攝像、VR/AR手勢交互、汽車(chē)電子ADAS、安防監控以及新零售等多個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)始大顯身手，應用前景十分廣闊。但由于硬件成本高昂，加之生態(tài)鏈不成熟等重要原因，目前來(lái)看ToF技術(shù)在各大領(lǐng)域的進(jìn)一步深化普及仍充滿(mǎn)挑戰。不過(guò)可喜的是，隨著(zhù)各大應用市場(chǎng)對ToF深度視覺(jué)技術(shù)需求的日益增長(cháng)，外加越來(lái)越多的國際和國內大廠(chǎng)們持續的“推波助瀾”，未來(lái)三年國內ToF產(chǎn)業(yè)及應用市場(chǎng)的發(fā)展將開(kāi)始加速沖刺。

需求端爆發(fā)抬高ToF市場(chǎng)熱度

隨著(zhù)體感交互與控制、3D物體識別與感知、智能環(huán)境感知以及動(dòng)態(tài)地圖構建等技術(shù)與市場(chǎng)的發(fā)展，如今各大應用場(chǎng)景都開(kāi)始對3D視覺(jué)與識別技術(shù)產(chǎn)生日益濃厚的興趣和日益旺盛的需求，在這波勢潮的帶動(dòng)下，作為主流方案之一的ToF市場(chǎng)也開(kāi)始加速成長(cháng)。

以現階段體量最大的兩個(gè)應用領(lǐng)域為例，一方面，隨著(zhù)智能手機進(jìn)入存量時(shí)代，微創(chuàng )新模式不斷持續并加速滲透，對深度攝像技術(shù)的強烈需求加之智能手機交互方式的不斷變化正促進(jìn)全球ToF市場(chǎng)快速擴張；另一方面，在汽車(chē)電子領(lǐng)域，以ADAS滲透率不斷提高為代表的汽車(chē)智能化趨勢也正加速演進(jìn)，而作為激光雷達、智能攝像頭等深度測距傳感器領(lǐng)域最主流的方案，ToF市場(chǎng)也正持續受益。

技術(shù)方面，相比3D深度視覺(jué)其他兩種方案而言，ToF在實(shí)際應用中的優(yōu)勢不言而喻。舉例來(lái)講，比如在畫(huà)面拍攝后計算景深時(shí)不需要進(jìn)行后處理，即可避免時(shí)間延遲又可節省采用強大后處理系統帶來(lái)的相關(guān)成本；而且，ToF測距規模彈性大，大多數情況下只需改變光源強度、光學(xué)視野以及發(fā)射器脈沖頻率即可完成；此外，由于具有不易受外界光干擾、體積小巧、響應速度快以及識別精度高等多重優(yōu)勢，使得ToF無(wú)論是在移動(dòng)端還是車(chē)載等應用領(lǐng)域日漸成為3D視覺(jué)的首選技術(shù)方案。

3月27日，由華強電子網(wǎng)主辦的“第三屆智能硬件創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)互動(dòng)論壇——3D視覺(jué)與人工智能”上，上海數跡智能科技有限公司銷(xiāo)售經(jīng)理關(guān)利光就預測：“從2016到2021年，整個(gè)深度視覺(jué)技術(shù)的市場(chǎng)將保持40%以上的年復合增長(cháng)率，預計2021年有望達到100億美元的規模。其中，深度數據應用類(lèi)的市場(chǎng)將突破5000億美元，且受惠于高速增長(cháng)的機器人及人工智能等萬(wàn)億級應用市場(chǎng)產(chǎn)生的大量B端需求，加之未來(lái)2年基于ToF的3D攝像頭在各大手機平臺更為廣泛的普及，我們認為2021年國內ToF模組的市場(chǎng)體量將達280億元，而相關(guān)數據應用類(lèi)的市場(chǎng)也將突破2000億元左右?！?/p>

市場(chǎng)起步階段 面臨成本與生態(tài)應用等難題

不過(guò)，就當前國內整體產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)來(lái)看，ToF技術(shù)要在應用層上更進(jìn)一步仍存挑戰。關(guān)利光認為，主要挑戰還是在于三方面，首先，由于ToF傳感技術(shù)太新，且目前的生態(tài)圈也尚未完善，主機廠(chǎng)們想要直接拿現有技術(shù)去實(shí)現高可靠性的應用及產(chǎn)品頗為困難；其次，面向B端的可定制ToF板卡、模塊以及平臺都處于市場(chǎng)起步階段，市面上真正可靠且成熟的方案相對較少；最后，就是3D數據處理與建模等軟件層面的技術(shù)以及人工智能算法門(mén)檻太高的問(wèn)題。

硬件成本居高不下也是現階段阻礙該技術(shù)的應用規模難以擴張的重要原因。有行業(yè)人士告訴記者：“無(wú)論是消費級還是專(zhuān)業(yè)級應用，ToF的成本問(wèn)題主要體現在器件的價(jià)格上，個(gè)中關(guān)鍵就在于光子探測陣列，比如目前主流ToF技術(shù)所使用的SPAD（single-photon avalanche diode）陣列。

此外，作為T(mén)oF方案中探測反射光線(xiàn)的核心傳感器，Sensor模塊還必須擁有極快的響應速度，比如需要加載非常高精度的計時(shí)器（一般在皮秒級別的測量精度），1cm的距離所需要時(shí)間為67皮秒，準確測量難度可想而知。對于激光器和檢測的傳感器來(lái)說(shuō)，也都需要非常高端的器件，并且在光學(xué)上也都有相當高的技術(shù)要求?？傮w算下來(lái)的話(huà)，光是硬件技術(shù)上耗費的成本就很高了，更不用說(shuō)加上軟件算法的成本，且目前能夠提供可靠硬件產(chǎn)能的廠(chǎng)商十分有限，這些都進(jìn)一步加劇了應用成本企高的態(tài)勢?！?/p>

專(zhuān)業(yè)與消費級應用場(chǎng)景 技術(shù)細節挑戰大不同

除上述以外，貼近實(shí)際場(chǎng)景，ToF技術(shù)的應用還會(huì )遭遇更多新的問(wèn)題，大多表現在系統穩定性、抗干擾能力以及靈活性等方面。比如在汽車(chē)這類(lèi)的應用場(chǎng)景中，技術(shù)層面上遭遇的挑戰非常多，實(shí)際應用中會(huì )更著(zhù)重考量ToF傳感系統穩定性、器件使用壽命、抗干擾能力以及系統靈活性等方面；而針對消費級應用市場(chǎng)，則會(huì )更看重整體方案的成本、功耗以及產(chǎn)品規格和體積大小等，對其他方面的要求并不會(huì )像汽車(chē)等專(zhuān)業(yè)級市場(chǎng)那般苛刻。

首先，從消費級應用場(chǎng)景來(lái)看，隨著(zhù)越來(lái)越多智能手機后置深度攝像功能的出現，加之手勢交互和環(huán)境定位感知漸成VR/AR等新型智能硬件的標配，未來(lái)幾年消費級領(lǐng)域的TOF應用及市場(chǎng)無(wú)疑將呈現出井噴態(tài)勢。

相比汽車(chē)等應用領(lǐng)域而言，手機后置攝像頭以及VR/AR手勢交互、環(huán)境測量等應用，在技術(shù)層面上面臨的性能挑戰難度通常要更小一些，而關(guān)注重點(diǎn)也主要是在低成本、規格大小以及功耗等方面，對于測量速度、壽命和分辨率等方面的要求并不強烈。

以當下比較火熱的VR/AR手勢識別為例，ToF方案基于高功率高FPS的特性令其非常適用于這類(lèi)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，既不用打平行光束和特定的光學(xué)圖案，也不需要準直鏡頭和DOE來(lái)做一些更為專(zhuān)業(yè)性的校正，高FPS即足以支撐ToF在動(dòng)態(tài)識別領(lǐng)域比如體感識別與手勢控制領(lǐng)域的應用。

但對于汽車(chē)這一類(lèi)的專(zhuān)業(yè)級場(chǎng)景來(lái)講，技術(shù)層面上的考究就相當嚴格了。業(yè)內某車(chē)載傳感器廠(chǎng)商研發(fā)總監告訴記者：“與消費級應用相比，針對汽車(chē)這類(lèi)的專(zhuān)業(yè)性很強的應用場(chǎng)景，ToF傳感系統的設計不僅需要在精度、范圍、響應時(shí)間、分辨率、成本、功耗以及可用封裝要求之間取得平衡，而且針對不同的實(shí)際情況中出現的各種不可控的因素，還需要對傳感系統的靈活性及抗干擾性等方面進(jìn)行一些定制化的冗余設計，比如添加一些高可靠性的濾波及抗干擾器件和模塊，并加載相關(guān)的軟件算法，從而保證系統有足夠的能力去應對不同類(lèi)型的突發(fā)狀況?！?/p>

除此，對應不同距離以及環(huán)境，信號處理上也需要針對性的做一些冗余，以保證整個(gè)系統的穩定及可靠性。他認為：“比如針對長(cháng)距離以及短距離等不同的應用方向，必須應對由于距離變化而引起的干擾能量源或減少的能量反饋，以及由空氣塵粒和潮濕等環(huán)境因素而引起的波束發(fā)散等問(wèn)題。這些情況下，可能還需要設計專(zhuān)門(mén)的接收器信號鏈來(lái)處理低信噪比、調制以及關(guān)聯(lián)方面的要求。這些挑戰在汽車(chē)領(lǐng)域應用較多的掃描式ToF技術(shù)中變得尤其突出，其中輸出能量還需要為目標物繪制一個(gè)很長(cháng)的掃描帶，以保證在目標場(chǎng)景中能夠創(chuàng )建出一個(gè)可靠且更全面的深度透視范圍?！?/p>

具體來(lái)講，以當前熱度較高的ToF激光雷達為例，他進(jìn)一步解釋到：“現有的激光雷達原理無(wú)非就兩種，三角測距以及ToF法，三角測距法測試距離在10米以?xún)?，與普通的視覺(jué)相比3D重建效果差不多，但魯棒性要更好一些；而ToF法的激光雷達雖然精度高且測距距離更遠，但缺陷是技術(shù)壁壘很高，比如目前最主流的脈沖式ToF激光雷達，方案雖然比較簡(jiǎn)單直接，主要是通過(guò)發(fā)射端發(fā)射一道激光脈沖，然后再檢測激光的相關(guān)信息然后回饋給接收端，能夠較好的達到汽車(chē)領(lǐng)域快速及遠距離測量的技術(shù)要求。

但該方案對于外部環(huán)境的抗干擾、環(huán)境光變化的穩定性以及色彩識別能力相對會(huì )較差一些，測量精度也比較一般，同時(shí)由于激光加熱作用和等離子體沖擊波作用等因素，CCD器件容易造成損壞，而且三維點(diǎn)云算法的設計難度也比較高?！边@些都給方案的應用和實(shí)施提出了新的挑戰，需要引起業(yè)內各大廠(chǎng)商的關(guān)注和思考。

總而言之，在各類(lèi)新型智能終端市場(chǎng)的持續催動(dòng)下，計算機視覺(jué)技術(shù)如今已然進(jìn)入了一個(gè)“大爆發(fā)”時(shí)代，我們也越來(lái)越地明顯感受到了全球各大應用市場(chǎng)對諸如ToF這類(lèi)的3D深度視覺(jué)技術(shù)的日益旺盛的需求。

不過(guò)，興奮之余也應更為理性地看待當前的市場(chǎng)過(guò)旺的“虛火”，正如前2年火遍全球的VR市場(chǎng)一樣，編者認為在ToF的硬件成本以及算法設計等技術(shù)門(mén)檻真正降下來(lái)之前，各大應用市場(chǎng)還應相對保守性地看待當前ToF技術(shù)與各大應用領(lǐng)域的結合能力及深入程度。

而對于業(yè)內方案商們來(lái)說(shuō)，無(wú)論是針對消費級還是專(zhuān)業(yè)級應用領(lǐng)域，當前仍需解決的基礎性問(wèn)題還很多，未來(lái)如何通過(guò)技術(shù)手段去真正實(shí)現成本、功耗、體積、速度、壽命、穩定性以及抗干擾能力等多方面的平衡，達到一個(gè)相對目前來(lái)說(shuō)更為優(yōu)化的水平，進(jìn)而實(shí)現ToF視覺(jué)傳感技術(shù)實(shí)際應用中可靠性的成倍提升，才是ToF技術(shù)普及乃至整個(gè)市場(chǎng)健康發(fā)展的前提。