自從蘋果(Apple)去年推出iPhone X以來,業界觀察家對於其3D感測(3D sensing)技術的看法兩極。3D感測技術在智慧型手機用戶中很流行嗎?它會是未來每一支智慧型手機的必備功能嗎?

答案是還沒有。當今智慧型手機業者的共識是——現在仍然是3D成像「時代」的早期階段。

20180821_3DSensing_NT01P1 Apple TrueDepth相機系統(來源:Apple)

業界對於智慧型手機搭載3D感測技術的看法紛歧——從「為什麼要這麼麻煩?」到「這就是未來」等各種解讀都有。反對3D感測的論點就來自於那些深信「螢幕內(in-display)指紋感測器就夠了」和「數位攝影勝過3D感測」的智慧型手機相機「鐵粉」。

雖然有些人認為iPhone X競爭對手就是因為缺少了成熟的3D感測技術而導致市場興趣缺缺,但其他人並不同意這樣的看法。Yole Développement成像技術與市場首席分析師Pierre Cambou解釋,這是因為「Apple在這方面的的發展更超前」。

此外,由於垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)等關鍵3D感測元件供應受限,導致搭載結構光3D感測技術的智慧型手機短缺——超過8個月以上。幾位業界人士指出,這些關鍵3D感測元件早就已經被Apple等公司鎖定了。

中國業者崛起

同時,中國當然也看準了3D感測市場。

過去幾個月來,當小米(Xioami)、Oppo和Vivo等中國智慧型手機OEM陸續發佈其3D感測計劃時,3D感測應用取得了積極進展。今年5月,小米宣佈推出Mi 8 Explore Edition新機,被譽為「全球首款支援3D臉部辨識的Android智慧型手機」。

而在6月,Oppo推出配備6.42英吋AMOLED顯示器的Find X智慧型手機,支援3D感測功能,價格高達750美元,同時也被視為Mi 8的直接競爭對手。

同樣在6月,Vivo表示其Face ID認證系統將採用新的3D感測技術。相較於使用結構光技術實現3D感測的Apple iPhone X,Vivo將會部署的是3D飛行時間(ToF)感測技術。

20180821_3DSensing_NT01P2 小米Mi 8 Explorer智慧型手機搭載Face ID(來源:小米)

業界一直密切關注這些中國OEM的3D感測技術合作夥伴。小米與以色列的迅聯光電(Mantis Vision)合作,打造基於結構光的3D技術。Oppo則與中國深圳奥比中光科技(Orbbec 3D Technology International Inc.)合作,同樣使用結構光。據報導,Vivo使用的ToF技術來自與德國錫根(Siegen)的PMD Technologies AG合作。然而,Cambou補充說,Oppo還可能會改與Sony合作。

加碼投入3D技術

Yole Développment最近發表了一份名為「3D成像與感測技術,2018年版」(3D Imaging & Sensing, 2018 edition)的報告,詳細介紹各種系統所使用的技術、3D感測生態系統中的關鍵參與者,以及3D技術的市場規模和預測。

Cambou是這份報告的共同作者之一,針對3D感測進行了深入分析。他告訴《EE Times》的記者,「Yole深信3D感測技術將快速發展。」

他指出,3D感測模組十分複雜,加上Apple為其TruDepth相機選擇的結構光技術成本高,這一部份解釋了為什麼Android手機必須要花將近八個月甚至更長的時間才能趕上Apple。

雖然Apple的TrueDepth在2017年之前就確立了3D前置相機的趨勢,但Yole坦言,[3D感測應用]的浪潮在量方面轉趨保守。

每一支新iPhone都有3D——包括正面和背面?

據坊間媒體猜測,今年秋季計劃發佈的Apple新款iPhone都將配備3D前置攝影機。

在iPhone X中,Apple僅將3D感測技術用於前置攝影機。現在更大的問題是3D是否也能翻轉以及支援後向攝影機。

儘管Cambou確信前置3D的發展,但對於後置攝影機採用3D仍抱持懷疑態度。他指出,擴增實境(VR)和虛擬實境(AR)一直欠缺市場動能,AR的銷售推廣和遊戲都尚未在市場起飛。因此,他質疑後置攝影機要搭載3D可能仍是「未來的一個利基市場」。

但Apple的3D感測供應商們似乎不這麼認為。Cambou承認,他們看好3D感測作為「通用介面」的前景。從意法半導體(STMicroelectronics;ST)最近召開的季度財報電話會議看來,據Cambou的觀察,「他們似乎過度看好3D感測將進入智慧型手機前、後相機市場」。

那麼有多少智慧型手機相機將會配備3D感測技術?滲透率如何?Yole預測,2017年約有1.4%的滲透率,並將在2023年成長至55%。至於營收呢?

Yole預測這一市場正強勁成長。2017年3D感測市場規模估計約有20億美元,包括用於消費、汽車、醫療、商業、科學、國防和航太等領域,並將在2023年達到180億美元。據Cambou指出,這一營收數字的貢獻來自於較「先前預測更高的平均銷售價格(ASP),以及消費裝置的3D採用率成長」。

事實上,在部署3D的所有細分市場中,Yole預測3D感測技術市場將以82%的複合年成長率(CAGR)成長,自2017年的3.75億美元成長至2023年約為138億美元。相形之下,他預測汽車市場的CAGR為35%,自2017年的3.91億美元成長至2023年約為24億美元。

3D感測的發展脈絡

很顯然地,3D感測讓Apple得以用Face ID取代指紋感測器。正如Yole所說的,iPhone X的3D感測應用實現了「輕鬆解鎖」、「透過臉部辨識實現安全性」、「遊戲」(如Avatar)以及「漸變」(morphing)等功能,包括在Facebook、Snapchat和Instagram等社群媒體的即時濾鏡(AR、臉部漸變與合成等)等。

但如果你只是在智慧型手機的發展背景下思考3D,很可能會錯過3D為市場帶來的更大機會。

Cambou:「想想亞馬遜(Amazon)的Echo如何透過連接語音與人工智慧(AI),並將語音提升為主要用戶介面(UI),從而改變了人機介面(HMI)」。同樣地,3D感測技術使得生物特徵辨識「萬無一失」,如臉部辨識等。因此,他強調,3D也開啟了通往AI的大門。

事實上,智慧型手機讓3D感測更加普及。但3D感測並不僅僅是智慧型手機的專屬功能。Cambou說,它還具有深遠的社會和政治影響力。

他在最近發表的「臉部辨識技術:亟需公共監管與企業責任」(Facial recognition technology: The need for public regulation and corporate responsibility)部落格文章中提到:「鑑於臉部辨識技術的廣泛社會影響力以及被濫用的可能性,政府實施週全的監管似乎特別重要,否則可能導致公共機構以帶有缺陷或偏見的技術方法來決定要追蹤或調查誰,甚至逮捕罪犯等。」

因此,3D感測的影響力更甚於在這裡討論誰家的智慧型手機搭載3D或使用哪一家的3D技術等。

3D感測技術生態

然而,從工程的角度來看,最耐人尋味之處在於揭密行動裝置中搭載的各種深度感測技術途徑。在即將來臨的3D感測時代,全球生態系統中的每一家參與業者都在爭搶設計訂單。

簡而言之,結構光和ToF技術是目前可用於深度感測的兩種不同方法。結構光透過將已知圖案投影到物件上再進行3D掃描。當光線照射到物體上,圖案會變形。這時再透過結構光分析已知圖案的變形情況,以推斷深度。

ToF則透過調變光源照射場景,並觀察反射光源。測量照明和反射之間的相移後,再將其轉換為距離。

雖然Apple為其前置深度相機選擇了結構光途徑,作為3D成像時代的起點,但Yole深信3D前端模組「未來可能會朝向ToF技術發展」。Cambou認為,ToF途徑「在陽光直射下更可靠,而且運算需求更低」。

20180821_3DSensing_NT01P3 行動裝置中的深度感測技術(來源:Yole Developpement)

Yole描述了三種不同的3D成像和感測技術——包括立體視覺、結構光到ToF。其中,ToF在技術上最不成熟。但可提供ToF解決方案的主要業者包括PMD、Sony 、ST和英飛凌科技(Infineon Technologies)。結構光技術則有Mantis、Vision、ams和ST、英特爾(Intel)、奇景光電(Himax)以及韓國的Namuga。ST同時投入兩大技術陣營。

Yole預期,短期內,Apple並不至於從結構光轉向ToF。Cambou認為,Apple至少要再過二到四年才可能推出新的硬體。同時,他補充說,ST是iPhone X基於結構光的3D技術供應商,「但它同時也推出了基於ToF的3D技術。」

數位攝影與3D感測

Apple如今面臨的一個窘境是對於3D感測博下重注,最後是否可能會因為犧牲傳統數位攝影品質反而傷害了Apple自己?

Cambou以華為(Huawei)為例指出,該公司現正斥重資於數位攝影。以主動矩陣(用於傳統攝影)的尺寸來比較,他計算出Apple僅用了52 mm²,而三星(Samsung)則有91 mm²,華為的是112 mm²。

誰在打造3D深度感測技術?

在Yole的協助下,《EE Times》列出了3D感測生態系統的關鍵業者,尤其是在3D軟體/運算和3D系統設計領域。

3D軟體與運算

  1. Faceshift (Apple旗下子公司)
    Apple在2015年底悄悄地收購了Faceshift——這是一家從瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)獨立出來的新創公司。這家瑞士新創公司開發了一種能即時捕捉角色的臉部辨識而打造動畫化身的技術。

20180821_3DSensing_NT01P4 Apple iPhone X提供Animoji動畫表情(來源:Apple)

聽起來很耳熟吧?沒錯!就是有了Faceshift的臉部追蹤技術,才成就了iPhone X Animoji動畫表情的基礎。

  1. Movidius (英特爾旗下子公司)
    英特爾子公司Movidius在今年初推出Myriad X視覺處理單元(VPU),被稱為「業界首款帶有專用神經運算引擎的SoC,可用於邊緣為深度學習推理進行硬體加速。」

Movidius在被收購之前,即展開3D感測的技術開發。其晶片最初用於作為3D渲染的引擎。Movidius曾與Google合作開發Tango (Google先進技術與專案)。

Google Project Tango的目標是使用電腦視覺,讓行動裝置能夠在沒有GPS或其他外部訊號的情況下,檢測其相對於周圍環境的3D位置。Movidius為Project Tango提供了一種用於電腦視覺定位與動作追蹤的晶片。

20180821_3DSensing_NT01P5 Project Tango (來源:Google)

Movidius的超低功耗視覺晶片最先出現在這一市場上,並成為3D感測在行動裝置上的先驅。大多數的視覺處理平台出現在2010年初,例如微軟(Microsoft)一開始的Kinect中搭載的PrimeSense晶片(比Movidius的視覺處理器功耗更高)。值得注意的是,PrimeSense於2013年底被Apple以3.6億美元收購。

  1. Softkinetic (現為Sony Depthsensing Solution)
    2015年10月,Sony收購位於比利時的3D感測電腦視覺技術製造商SoftKinetics。SoftKinetic的技術包括微軟的Kinect深度相機、CMOS深度晶片和手勢追蹤中介韌體。

從各種跡象來看,這家日本巨擘目前正積極地成為3D CMOS ToF感測器和相機的關鍵廠商,Sony並於去年底將SoftKinetics改名為Sony Depthsensing Solution。

20180821_3DSensing_NT01P6 Sony最新的娛樂機器人'aibo'採用DepthSense技術和手勢辨識軟體(來源:Sony)

據Sony表示,SoftKinetic開發CMOS 3D感測器、3D相機參考設計、SDK、演算法以及用於手勢辨識、物件掃描、汽車控制和AR/VR等應用,始終如一地提供3D感測和處理方面的先進解決方案。

由布魯塞爾團隊開發的DepthSense相機模組和軟體已經被設計用於Sony最新的娛樂機器人——aibo。

  1. Inuitive
    以色列無晶圓廠晶片公司Intuitive Ltd.專注於3D成像的發展。去年秋天,該公司推出了一款多核心視覺處理器NU4000,支援3D成像、深度學習和電腦視覺處理,適用於AR/VR、無人機、機器人和許多其他應用。

該公司聲稱,其新款處理器將實現「高品質的深度感測、晶片上SLAM、電腦視覺和深度學習(CNN)等——這些功能都整合於精巧的外形和最低功耗中。」

3D系統設計

  1. LIPS
    台灣立普思(LIPS)公司成立於2013年,是3D深度相機和3D完整解決方案的供應商,擁有專利的相機設計和軟體演算法。

20180821_3DSensing_NT01P7 LIPSedge M3是一款專為嵌入式系統設計的多功能ToF深度相機,可產生即時3D資料(來源:LIPS)

LIPS設計、建構和客製3D深度相機,同時還創建了辨識中介韌體和解決方案,以滿足OEM的各種應用,包括機器人真空吸塵器、AR/VR、家用機器人、ADAS和工廠自動化等。

  1. Mantis Vision
    以色列Mantis Vision將自家定位為3D視覺的重要推手,並為其技術繪製了3D視覺的美好未來——讓消費者可在智慧型手機上拍攝3D照片或使用平板電腦掃描物件,然後將其發送到3D印表機。該公司擁有所謂的「專用編碼結構光技術」。

20180821_3DSensing_NT01P8 Mantis Vision的模式採用獨特的程式碼,能在更小面積上辨識較標準方法更多的點。該公司聲稱,這種獨特的技術提供了更高的解析度和準確度,以降低最小的物件尺寸(來源:Mantis Vision)

Mantis Vision不久前還宣佈與小米合作,該公司執行長Gur Arie Bittan指出,該公司的團隊克服了許多挑戰,透過使用其內部IP,才使迅聯開發出市場上最具成本效益的3D結構光相機模組。

他指出,該公司還能夠將光學堆疊和尺寸從厘米(cm)縮小到毫米(mm),並採用當時仍處於新興技術的VCSEL雷射,滿足OEM廠商的功耗要求,並符合眼睛安全規定。他表示,Mantis Vision還能打造了一個與RGB現有相機同步的攝影機支架模組、定義並準備量產校準,以及開發一個可在Arm Core上執行的有效解碼模式演算法和管線。

  1. Orbbec
    深圳奥比中光科技是黃源浩在2013年成立的公司。他畢業於中國北京大學,並在美國麻省理工學院(MIT)的SMART Center取得博士學位。他以雷射散斑干涉、數位散斑相關、射彈結構光和電腦視覺等方面的研究而聞名。自2001年以來,他一直在研究和開發3D掃描技術。

據奥比中光表示,「過去三年來一直在努力實現3D——完善該公司的Astra 3D相機系列,並設計內建完備電腦功能的Orbbec Persee 3D相機。

20180821_3DSensing_NT01P9 Astra Mini有兩個版本。短程版Astra Mini S相機支援0.35~1公尺的追蹤範圍,Astra Mini遠程相機的範圍約為0.6~5公尺(來源:Orbbec)

Orbbec聲稱其Astra 3D相機「比當今市場上的其他相機更好」,提供「最高深度解析度、更卓越的範圍、卓越的準確性和最低延遲」。

Orbbec據稱是Oppo的合作夥伴——使用其基於結構光的3D感測技術。

  1. PMD
    德國PMD Technologies AG成立於2002年,致力於開發CMOS半導體3D ToF元件,同時為數位3D成像領域提供工程支援。

值得一提的是,該公司引以為榮的先進ToF技術——整合於晶片上,PMD稱其「十分精巧、可擴展且功能強大」。

20180821_3DSensing_NT01P10 德國徠卡(Leica)為PMD設計了專用的光學鏡頭,用於其行動裝置的3D深度感測成像器和相機模組。(來源:PMD)

PMD並為OEM的相機開發提供參考設計,包括標準和客製版。PMD聲稱擁有多年的ToF相機設計經驗,可協助系統設計人員加速其硬體開發過程,而該公司的可擴展技術「將符合各種不同的特定相機模組要求」。

英飛凌一直是PMD的長期合作夥伴。雙方共同開發了用於3D臉部辨識的ToF影像感測器。英飛凌的Real3 (或IRS238xC)尺寸還不到12mm x 8mm,包括接收光學系統和VCSEL照明,能將相機模組整合於智慧型手機中。

PMD據傳與中國智慧型手機供應商Vivo合作夥伴,為其提供配備基於ToF的3D技術。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Jury Still Out on 3D Sensing for Smartphones,by Junko Yoshida)