各大廠(chǎng)商紛紛推出新型ToF傳感器，ToF成為行業(yè)新寵

蘋(píng)果已經(jīng)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(lái)的其他產(chǎn)品。最近各大廠(chǎng)商也都紛紛瞄準ToF傳感器領(lǐng)域，推出了新型ToF傳感器：

意法半導體推出首款64區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(chǎn)超小尺寸單點(diǎn)ToF傳感器等等，ToF傳感器市場(chǎng)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(xiě)，直譯為飛行時(shí)間，簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)oF。ToF傳感器種類(lèi)繁多，但大多數是飛行時(shí)間相機和激光掃描儀，他們使用稱(chēng)為激光雷達（光檢測和測距）的技術(shù)，通過(guò)用紅外光照射來(lái)測量圖像中各個(gè)點(diǎn)的深度。

從原理來(lái)看，ToF其實(shí)也并不是什么高高在上的技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)它就是通過(guò)紅外發(fā)射器發(fā)射調制過(guò)的光脈沖，遇到物體反射后，用接收器接收反射回來(lái)的光脈沖，并根據光脈沖的往返時(shí)間計算與物體之間的距離。根據原理來(lái)看，ToF技術(shù)早期的應用相對簡(jiǎn)單，就是用來(lái)測距。

ToF相機是由光源、光源、光學(xué)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(jué)成像大致類(lèi)似。根據其基本原理，ToF技術(shù)擁有實(shí)時(shí)感測、測量精度與誤差固定、抗干擾能力強等特點(diǎn)。ToF技術(shù)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(kāi)始進(jìn)軍ToF市場(chǎng)

繼9月份申請商標之后，三星終于要正式進(jìn)軍ToF圖像傳感器領(lǐng)域 —— 三星推出了名為“ISOCELL Vizion 33D”的ToF傳感器產(chǎn)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(chǎn)品時(shí)表示，每個(gè)像素會(huì )在0°、90°、180°和270°方向發(fā)送四個(gè)衛星信號，從而允許組件對快速移動(dòng)的對象進(jìn)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(cháng)的ToF技術(shù)需求而選擇切入所述領(lǐng)域。盡管三星比蘋(píng)果更早開(kāi)始在產(chǎn)品中搭載ToF技術(shù)，但由于使用量較低，他們最終沒(méi)有選擇繼續采用，最近開(kāi)始顯露出再次將這項技術(shù)應用于自家產(chǎn)品的跡象。三星預計將積極推進(jìn)ToF傳感器的商業(yè)化，并首先將ISOCELL Vizion 33D應用于其產(chǎn)品，同時(shí)將其供應給中國的智能手機廠(chǎng)商。

三星推出ToF傳感器，將不可避免地與索尼展開(kāi)競爭。索尼除了是全球圖像傳感器領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，同時(shí)是ToF傳感器領(lǐng)域的領(lǐng)軍廠(chǎng)商，他們已為蘋(píng)果iPhone和iPad提供ToF傳感器。三星在圖像傳感器市場(chǎng)占據第二的位置，盡管差距巨大，不過(guò)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場(chǎng)。

智能手機是ToF最大市場(chǎng)

無(wú)論是哪一家手機廠(chǎng)商，最新的幾款智能手機配備的攝像頭數量至少有2個(gè)，可謂是在攝像頭數量上下足了功夫，這似乎也是廠(chǎng)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(hù)認為多攝像頭僅僅是廠(chǎng)家用于提升拍照性能，但是事實(shí)并非如此。

在ToF傳感器逐漸成為智能手機標配的時(shí)候，多攝像頭的目的就逐漸浮出水面，可用于多場(chǎng)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(zhù)AR/VR場(chǎng)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別。

從終端市場(chǎng)來(lái)看，不僅有已經(jīng)采用過(guò)這項技術(shù)的華為、OPPO在持續推動(dòng)，蘋(píng)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(jìn)一步刺激手機市場(chǎng)需求的增長(cháng)。據悉，持續推崇AR/VR這一發(fā)展趨勢的蘋(píng)果將借ToF實(shí)現相關(guān)功能。

擁有如此廣泛的應用場(chǎng)景，得益于ToF圖像傳感器相比于結構光和雙目RGB的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)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(huì )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(chǎng)合。

加上是主動(dòng)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(chǎng)商在面部識別上所采用的3D結構光技術(shù)，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(guò)利用點(diǎn)陣投影儀向外投射多個(gè)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(jīng)由處理系統計算物體深度信息。

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(xiàn)和識別距離都有比較高的限制。而TOF對環(huán)境光線(xiàn)的適應能力更強，識別距離可以達到10m，響應時(shí)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(chǎng)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(chǎng)參與者愈發(fā)活躍

索尼雖是傳統CIS圖像傳感器制造商，但原本在ToF市場(chǎng)并無(wú)涉足，2015年收購S(chǎng)oftKinetic，并推出DepthSense ToF感知技術(shù)。于此，索尼很快在智能手機市場(chǎng)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(chǎng)目前仍然處在高速發(fā)展期，尤其是消費電子與汽車(chē)領(lǐng)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(lái)越高?？紤]到立體視覺(jué)、結構光方案在3D感應技術(shù)中仍是主流，ToF傳感器可在其中分得半壁江山，已經(jīng)體現出ToF技術(shù)的相當分量。

華為、LG、vivo等廠(chǎng)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(shù)皆為T(mén)oF。此后應用于3D感知的ToF產(chǎn)業(yè)鏈便開(kāi)始了一路高歌猛進(jìn)，不僅市場(chǎng)規模在未來(lái)5年內還將迅速擴張，而且供應鏈參與者近兩年正持續著(zhù)十分活躍的市場(chǎng)動(dòng)作，還有企業(yè)正準備入市。

接收端的核心器件即常說(shuō)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(gè)ToF模組中相對最具有技術(shù)含量的部分（ToF模組的發(fā)射端在技術(shù)要求上是小于結構光技術(shù)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(chǎng)商，典型如索尼、意法半導體、英飛凌/pmd等。

ToF的出現時(shí)間并不算短，產(chǎn)業(yè)鏈的硬件配套情況實(shí)際上已經(jīng)處于較為成熟的階段，諸如索尼、松下、ADI、舜宇光學(xué)、丘鈦科技、信利國際、LG、夏普等上下游一線(xiàn)廠(chǎng)商都早有涉及。不過(guò)，上述提到的這些企業(yè)也并未將ToF作為主力業(yè)務(wù)，在這一產(chǎn)品風(fēng)口來(lái)臨之際，或許還會(huì )出現短期產(chǎn)能緊張的情況。

據業(yè)內人士稱(chēng)：“目前傳感器芯片的資源就比較緊張，因為在3D視覺(jué)領(lǐng)域，每一家芯片廠(chǎng)商主推的解決方案不同，有ToF資源的芯片廠(chǎng)并不算多，且產(chǎn)能也有一定限制。相比之下，模組廠(chǎng)的數量就多很多，因此這些芯片廠(chǎng)對模組客戶(hù)目前也是‘擇優(yōu)供應’，這一點(diǎn)可能會(huì )對二三線(xiàn)廠(chǎng)商形成競爭劣勢?！?/p>

在市場(chǎng)規模的擴張方面，在市場(chǎng)參與者的競爭方面，乃至在技術(shù)方向的趨勢方面，3D ToF都處在一個(gè)高速發(fā)展、競爭激烈且異常關(guān)鍵的時(shí)刻。未來(lái)一段時(shí)間內，這一市場(chǎng)預計還會(huì )產(chǎn)生很大的變化，尤其是市場(chǎng)參與者選擇的應用領(lǐng)域及技術(shù)方法賽道。ToF乃至3D感知市場(chǎng)進(jìn)入白熱化競爭已經(jīng)箭在弦上。

ToF實(shí)施中的挑戰與難點(diǎn)

在ToF技術(shù)的全套實(shí)施方案中，還需要克服許多方法本身可能存在的一些缺陷。包括系統深度誤差、戶(hù)外強光場(chǎng)景產(chǎn)生的深度數據噪聲、場(chǎng)景拍攝對象的運動(dòng)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(guò)不同的反射路徑，入射光可能會(huì )抵達圖像傳感器同一個(gè)像素。也就是說(shuō)一個(gè)像素內的信號，實(shí)際上來(lái)自多個(gè)場(chǎng)景中的反射來(lái)源，場(chǎng)景對象具備高反射率的時(shí)候這個(gè)問(wèn)題會(huì )格外嚴重。

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

· 運動(dòng)偽像：和傳統成像技術(shù)一樣，當場(chǎng)景中的被觀(guān)察對象以較快的速度移動(dòng)（或攝像頭本身就不穩定）時(shí)，成像就會(huì )產(chǎn)生運動(dòng)偽像，且運動(dòng)速度越快，錯誤就越大。

· 強度相關(guān)錯誤：場(chǎng)景中某個(gè)對象的不同區域有不同的明亮色彩時(shí)，可能造成錯誤。比如說(shuō)國際象棋棋盤(pán)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(shí)際上都默認了完美的情況。但實(shí)際狀況會(huì )比較復雜，包括了場(chǎng)景對象的光散射；場(chǎng)景中對象材質(zhì)反射率較低會(huì )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(huì )令像素過(guò)飽和，則令深度數據幾乎不可用。

這類(lèi)問(wèn)題在不同的ToF實(shí)施方法中，都有相應的緩解方案；隨著(zhù)技術(shù)的越來(lái)越成熟，ToF產(chǎn)品的成熟度越來(lái)越高，這些問(wèn)題或許早已被解決。 

ToF技術(shù)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(lái)看，這些領(lǐng)域的應用仍在發(fā)展初期。實(shí)際上這部分市場(chǎng)正從3D成像往3D感知轉換，如此一來(lái)AI驅動(dòng)的設備、機器人就能理解其周?chē)h(huán)境，開(kāi)發(fā)新的交互方式。

· 攝影輔助與強化：ToF攝像頭的場(chǎng)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(huà)面主體，并對背景做虛化，創(chuàng )作更具視覺(jué)震撼力的照片有幫助。另外，場(chǎng)景深度數據也有助于模擬場(chǎng)景補光，實(shí)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(jīng)開(kāi)始引入懸浮手勢識別功能。例如在下廚或吃飯時(shí)，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(guò)在手機前揮揮手這樣的操作來(lái)實(shí)現翻頁(yè)、滾屏等普通操作。不僅在手機產(chǎn)品中，如智能電視、交互輔助設備上，亦可實(shí)現肢體動(dòng)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(shù)發(fā)展中越來(lái)越高的精度，也為其這一領(lǐng)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(lè )中，比如配合娛樂(lè )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(diǎn)距離檢測的避障應用（以及如應用于智能門(mén)鎖的距離檢測，實(shí)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(shù)都有發(fā)揮的空間。這部分市場(chǎng)仍在起步階段，就機器人的3D環(huán)境感知能力來(lái)看，它在工業(yè)領(lǐng)域的應用或許會(huì )更早起步。

· 其他領(lǐng)域：在汽車(chē)領(lǐng)域即便不談?wù)搼糜贏(yíng)DAS系統的LiDAR，ToF在智能駕駛艙中的應用可用于手勢交互、駕車(chē)者狀態(tài)監測等；醫療健康領(lǐng)域，如MESA ToF攝像頭在交互式物理治療系統的應用是個(gè)典型；工業(yè)自動(dòng)化相關(guān)的例子有ToF電子圍欄、針對奶牛的自動(dòng)擠奶系統，工廠(chǎng)自動(dòng)運輸機通過(guò)ToF能夠實(shí)現在工廠(chǎng)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(shí)際上也有其他可行的解決方案，例如立體視覺(jué)、結構光都有在這些領(lǐng)域做應用的可行性。由于ToF技術(shù)本身的特點(diǎn)，它在這些領(lǐng)域的廣泛應用顯得更有潛力。而且即便只討論消費市場(chǎng)，以上列舉的應用領(lǐng)域都尚未完全開(kāi)發(fā)，ToF技術(shù)的未來(lái)是真正可期的。