5G技术将加快TOF普及速度 TOF替代结构光成未来趋势

来源:华强电子网 作者:Simon 时间:2019-11-21 11:21

5G 技术 TOF

在今年各大手机厂商的新机发布会中,可以看到一个很明显的趋势,即越来越多的厂家开始接纳使用TOF技术,如华为、OPPO、vivo、荣耀等品牌已经纷纷在自己的手机上搭载了TOF镜头。同时有消息传闻,苹果也将在明年发布的新机中使用上TOF技术。这个被厂商们热捧,消费者热议的技术,终于要迎来属于自己的风口?

随着国内手机行业进入存量市场,各厂商都开始对自身的产品寻找差异化,为此手机的镜头也开始不断增加,不止是后置的多摄,即便是前置镜头,其数量也开始有上升趋势。而手机中的这些趋势,为TOF技术留出了应用的空间。

面对这种趋势,炬佑智能CEO刘洋认为:“近年来TOF技术逐渐得到市场和客户的认可,特别是行业领军企业如华为,三星和苹果等不断导入TOF技术,也大幅加速了TOF技术和产品的演化及普及。”

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同时,刘洋补充到:“炬佑智能已经建立了一个完整的TOF技术产品的研发和生产体制,也开发了一批针对各场景的TOF系统算法,可以大幅度改善TOF系统的一些世界性技术难题。在今年推出VGA TOF系列的同时,我们已在布局和启动开发了下一代高动态混合型脉冲式DTOF,基于业内独创的像素技术,预计将在近期实现百万级像素的小尺寸TOF产品。我们期待与更多的行业和客户进行紧密的合作,支持各行业加速导入更先进有效的TOF技术和产品。”

面对TOF的逐渐普及,ADI系统应用工程经理李佳认为:“TOF摄像头在手机中的普及已经于2018年在安卓阵营中通过旗舰机的搭载慢慢开启。从应用端来看,TOF引入了比传统RGB二维相机又多了一维的信息,所以具有更广阔的应用空间。从另一个角度来看,5G技术的来临,对手机内容的需求更会促进TOF技术的普及。产业链的成熟化,硬件性能的稳定,以及应用端的多样性将会成为目前需要储备的方向。ADI作为硬件方案提供商,也积极从元器件以及硬件系统方面不断的做优化和提升性能的储备。”

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不过,TOF技术的普及趋势需要分开来看,艾迈斯半导体资深现场应用工程师张良表示:“TOF镜头的普及目前已是正在进行的事。但整体趋势主要分成两部分:一是3D TOF。华为早在其P20 pro机型上就发布了基于3D TOF景深摄像头技术的产品。从对成像效果的增强结果来看,效果十分显著,P20pro当时一举在DxOMark评分上拿到了第一名。另外,vivo在去年发布的NEX2机型上已经使用过3D TOF景深摄像头的技术。其它国产品牌也在积极研发。国外品牌方面,苹果要用3D TOF已经传闻多时,三星电子本身也已经有了3D TOF相关的芯片技术,三星手机在后续产品上使用到3D TOF技术也是顺理成章的事。”

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“二是1D TOF。鉴于3D TOF的高成本以及高技术要求,目前在可预见的将来,基本可以断定其只能成为旗舰机的选择。对于中高端乃至中端手机来说,1D TOF才是标配。目前国产品牌(华为、OPPO、vivo、小米)都已经或在研搭载1D TOF的机型。从趋势上来说,各家都是把其用在自家的高端机型上,然后再技术下沉到后续的中端甚至更低成本机型。”

为此,艾迈斯半导体方面已准备好了相应的解决方案,张良表示:“ams目前在3D TOF和1D TOF技术上都有解决方案。1D TOF方面,已发布了TMF8801这款产品。凭借业界最小尺寸且最强性能的优势,已经成功进入了国产手机的供应链。ams也在积极开发多区域对焦1D TOF和低成本单点1D TOF产品,以满足客户对更高性能和更广应用两个方面的需求。相关产品在明年应该就可以看到。3D TOF方面,ams也凭借自身在光学模组制造、光学器件设计、成像器件设计等全产业链的优势,在积极开发模组化的3D TOF产品,以帮助客户降低开发难度和生产成本。相关产品预计在2022年之前能进入量产。”


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早在去年,TOF技术便开始被厂商所应用,同时随着5G技术的逐渐推广,也加快了TOF技术的普及速度。具体来看,目前的3D TOF技术在成本和技术上还要求较高,即便应用也仅会在旗舰机型上,而在中低端机型上,1D TOF或许才是更优的方案。

尽管厂商们在大力推广TOF技术,但一些问题却还未得到妥善解决,如TOF在深度精度上要逊于结构光,相比前置镜头,似乎更适合作为手机后置摄像头。同时目前TOF技术在手机应用中最大的优势为景深,而景深效果可以采用算法来替代。但与认知不同的是,大多数厂商却开始逐渐接纳TOF技术,这其中显然有更深层次的原因。

对此,张良认为:“TOF技术和结构光比,确实存在近距离精度略逊一筹的状态。但结构光技术产业链长而复杂,成本一直居高不下。苹果华为之外的手机厂商曾经做过很多努力来理顺产业链,结果都不太好。再加上其在远距离应用上其又有先天限制和结构占用空间太长这两个问题,其被苹果之外的厂商放弃也是理性的选择。3D TOF在方案、设计、应用上都相对简单,供应也相对成熟,能满足远距离景深成像的需求,所以其成为手机后置成像辅助的选择是水到渠成的事。至于前置应用,经过几代产品的优化,目前3D TOF精度虽然仍然略差于结构光,但满足解锁和支付的精度已经足够。再考虑到其它优势,前置3D TOF替代结构光也是趋势(苹果除外)。”

炬佑智能方面也对TOF技术抱有极大的信心,刘洋表示:“我们一直认为TOF应该可以在动态精度上超越结构光,并且还拥有结构光所不具有的长距和高动态的优势。TOF将全面取代结构光,华为近期发布的产品也证明了行业领袖也已认可这个总体趋势。TOF将被全面导入手机的前置和后置摄像头,在后置,TOF可以用作增强拍摄效果,实现虚拟AR、三维互动、三维游戏和智能精密导航等,在前置,TOF可以完全取代结构光实现三维人脸识别,同时还可以实现三维手势和三维虚拟合成等多项崭新的应用。”

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ADI从另一个角度对此发表了看法,李佳表示:“严格来说,深度精度是相对一个比较复杂的测评过程,与使用环境,参数配置等等都有相关性。而TOF和结构光是属于两种原理上完全不同的技术,很难做一对一的对比。很多手机厂商将TOF作为了前置摄像头,也从实际应用端得出,TOF是具备前置摄像头的性能以及产品化的能力的。特别值得强调的是,TOF对于中远距离的性能的确是结构光无法超越的。从而对多应用的开发提供了硬件基础。”

对于TOF在前置镜头上的应用,李佳也发表了一些见解,“具体而言,TOF图像传感器技术有较高的深度分辨率和强光下的抗干扰性能等主要优势,非常适合前置人脸识别的支付、解锁、手势交互控制应用等。具体到ADI公司的TOF方案而言,ADITOF方案具有业界领先的分辨率,ADI的TOF技术可感应30万个有效深度信息点——是3D结构光技术的10倍,TOF 模组的基线近乎为零,比结构光技术的25mm有大幅提升。此外,由于 ADI TOF方案集成了深度计算ASIC,高效的解放后端AP平台的负担。”

虽然在目前而言,TOF的主要作用在于帮助相机实现景深效果,但这种拍照效果可以被算法代替。刘洋也坦言:“如果把TOF作为简单的景深计算应用,TOF在性价比上并没有明显优势。”

而李佳则认为:“基于算法实现的景深信息在精度以及一些应用场景下的局限性促进了TOF技术的广泛使用。众所周知,TOF采用的是主动光源,不受外界光线的限制,扩展了手机基于TOF应用场景的开发。ADI TOF方案因为传感器的高感光度,为户外特别是强光下奠定了高性能表现的基础。”

同时李佳还举例说明了TOF在实际应用中的优势,“关于TOF方案在实际应用中的优势,这里可以从几个方面做进一步说明:在画面拍摄后计算景深时不需要进行后处理,既可避免延迟又可节省采用强大后处理系统带来的相关成本;TOF测距规模弹性大,大多数情况下只需改变光源强度、光学视野以及发射器脉冲频率即可完成;由于具有不易受外界光干扰、体积小巧、响应速度快以及识别精度高等多重优势,使得TOF无论是在移动端还是车载等应用领域日渐成为3D视觉的首选技术方案。”

张良认为,厂商之所以还会继续使用TOF,显然是有原因的,当前手机像素越来越高,单个像素尺寸越来越小。已经很难留出足够的空间给其用来做景深运算的PD(相位对焦)像素。而且利用超高像素的图像来计算景深,在系统负载和算法方面都有相当大的挑战。因此3D TOF做为厂商的选择其实是件合理的事情。其技术成熟,应用简单,系统负载小,可以独立工作,将来能开发更多应用,技术有扩展性。随着市场规模的扩大和新玩家的加入,3D TOF的成本会迅速下降。主要趋势方面,当前的3D TOF摄像头基本都是分立方案。ams认为模组化方案会是3D TOF摄像头的趋势。

相比结构光,3D TOF技术在方案、设计、应用上都相对简单,同时供应链也更加成熟,并且对于中远距离的性能是结构光所无法超越的。虽然在景深方面可用算法替代,但这样一来对于系统负载和算法方面有非常大的挑战,而这种局限性也反过来促进了TOF技术的普及。




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