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ToF声势看涨,新技术加持下或出现“杀手级应用”

时间:2020-05-15 作者:Anthea Chuang 阅读:
ToF技术能够达到甚么样的“高度”,能走多长远,并创造出何种“光明”的未来?在智能型手机之外,ToF还有哪些应用领域值得关注?各种新技术将如何“加持”ToF打下江山?首先,就从ToF的发展现况谈起。
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3D影像传感技术自从获得智能手机制造商青睐以来,包括飞行时间(ToF)、结构光(Structured Light)…等技术也逐渐获得各家业者重视。其中,ToF由于较结构光技术具备了算法简易、帧(frame)率高、成本低…等特性,已经在智能手机以外的应用市场攻城略地。再加上,人工智能(AI)、5G…等新技术的加持,ToF势必能在开创更多新应用,甚至也可能进一步出现“杀手级应用”。vMIEETC-电子工程专辑

究竟,ToF技术能够达到什么样的“高度”,能走多长远,并创造出何种“光明”的未来?在智能手机之外,ToF还有哪些应用领域值得关注?各种新技术将如何“加持”ToF打下江山?首先,就从ToF的发展现况谈起。vMIEETC-电子工程专辑

ToF发展现况

自从2018年8月OPPO发表首支搭载ToF镜头的智能手机R17 Pro,揭开智能手机导入ToF的序幕后,智能手机一直是ToF最主要的应用市场。而随着ToF在智能手机上的优势逐渐被挖掘,ToF也已开始以智能型手机为中心向外渗透到其他的应用中。市调机构即预测,2019与2020年全球搭载ToF模块的智能型手机出货量,分别为4,300万支和1亿5,000万支。vMIEETC-电子工程专辑

手机应用再下一城

不仅如此,据了解,现阶段华为(Huawei)、三星(Samsung)部分高端智能手机的前后镜头,皆采用ToF模块;近期,市场更是传出苹果(Apple)计划在2020年推出的新iPhone与iPad Pro机种中,采用ToF后置镜头的消息,可望带动其他手机业者群起效尤。众多利多,不仅奠定了ToF在智能手机市场的地位,也推升内建ToF智能手机的出货量。vMIEETC-电子工程专辑

英飞凌科技(大中华区)电源与传感系统事业部总监麦正奇表示,2019年时,多家手机品牌厂商发表了多款采用ToF技术的智能手机,也吸引更多后继者在新机种中导入ToF技术。ToF在智能手机的应用包括:前置及后置镜头用于解锁手机或安全支付的脸部辨识,以及拍照功能的提升。可以说,目前智能手机的市场已经起飞,短期内可望成为ToF应用的大宗而为提升智能手机的销售,业者也不断求新求变,积极利用ToF技术,拓展智能手机可能的新应用。其中,扩增实境(AR)/虚拟现实(VR)将成为一个重要的应用发展方向。vMIEETC-电子工程专辑

意法半导体ToF FlightSense应用原理。 (数据源:意法半导体)vMIEETC-电子工程专辑

另外,业者也认同ToF不仅可让照相功能的景深表现更细致,还能够强化智能手机的AR游戏效果,以及实现手势辨识…等。意法半导体(ST)营销经理朱振盟说明,ToF可协助手机中,对影像需求较低的应用,若未来ToF分辨率提升到百万画素或ToF多点侦测更加成熟,将可望开发出更多新颖的应用,例如透过多点ToF提供景深图供AR系统作更精确的判断,或是利用百万画素等级的ToF以实现更精细的侦测功能。vMIEETC-电子工程专辑

不仅如此,苹果的走向也将使ToF技术更“夯”。事实上,目前ToF模块大多是Android阵营手机业者导入,耐能(Kneron)智慧创办人暨首席技术官刘峻诚表示,根据媒体披露,苹果有意在下一代iPhone机型中使用ToF替代结构光作为Face ID的解决方案,并在后置镜头中使用,以改善肖像模式的深度拍摄,以及增强AR功能的游戏和Snapchat等应用。若此“传言”实现,可以想见,ToF技术成为智慧手机的标配将成为一股新趋势。vMIEETC-电子工程专辑

手机之外

不仅在智能手机市场,ToF在非手机领域也大有斩获。意法半导体营销经理林国志表示,ToF在个人计算机(PC)、工业或消费性市场都有商机。若将ToF应用分为两类—用户接近辨识与对象侦测,则在个人计算机、白色家电、智慧家庭门锁、自动开盖垃圾桶、水龙头或照明控制…等应用中,ToF可用来侦测使用者是否靠近或离开,进一步开启或关闭个人计算机显示器或其他家电,以达到节约能源的效果。vMIEETC-电子工程专辑

此外,在个人计算机、笔电中,也已有业者使用ToF进行Face ID功能;或是侦测到人员接近时,若是拥有者,则在脸部辨识之后不唤醒待机中的个人计算机,同时也启动休眠中的计算机操作系统,或是周边设备。vMIEETC-电子工程专辑

在对象侦测的应用则是包括扫地机器人立即寻址/避障,工厂产在线判断零组件是否疏漏、库存检测,以及让投影机具备自动对焦、平行校正等功能。刘峻诚认为,除了提高AR的性能外,机器人(清洁、交付)和使用手势控制与用户互动,例如游戏、售货亭的控制台等案例也将从ToF技术中受益。vMIEETC-电子工程专辑

克服难题 ToF大显身手

即使ToF受到各应用领域的青睐,但没有一项技术是完美的,该技术目前仍有些瓶颈待突破。麦正奇说明,目前市场上的需求渐过渡至3D ToF传感,不过,这项技术存在着种种挑战,例如优化功耗和可侦测距离及分辨率之间的两难。就像早期数字相机发展史一样,拍摄越高画质的照片,就越耗电,然而这只能凭借半导体制程技术不断的演进,才能克服这之间的矛盾。vMIEETC-电子工程专辑

除了功耗的问题,朱振盟认为,热与尺寸也是ToF技术需要解决的问题。他进一步解释,ToF的画素比其他成像技术来得大,再加上需要搭配垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)光源,因此整体尺寸较大,将限制该技术在体积较小设备上的机会。不过,画素尺寸的问题,亦可利用制程技术持续微缩,目前已有业者已启动40奈米(nm)8×8多点ToF产品的研发。vMIEETC-电子工程专辑

刘峻诚则从3D成像技术方面来分析。他表示,3D成像技术一般常见问题是对光干扰的敏感性,亦即来自返回路径讯号的串扰,以及基于表面光洁度的讯号衰减、视角(FOV)重迭…等,不过,这些问题都不是ToF独有的,是与其他3D成像技术相比,程度不同的差别。vMIEETC-电子工程专辑

克服了硬件的挑战,ToF就能从此“一飞冲天”吗?林国志认为,如何应用ToF软件算法,打造出最符合需求的应用,比解决硬件制程问题还重要。举例而言,现在市面上有多家ToF供货商推出3D ToF高分辨率方案,但厂商的应用真的需要吗?更何况应用是否“真的”需要3D ToF高分辨率方案?手上的资源,应用软件、算法开发能力,是否真的能将3D ToF高分辨率方案发挥到淋漓尽致?这些都是业者需要思考的问题,否则,不但内建ToF技术的成品无法获得市场认可,同时还将面临高成本、设备散热…等问题。vMIEETC-电子工程专辑

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英飞凌ToF影像传感器、立体视觉与结构光的比较。 (数据源:英飞凌)vMIEETC-电子工程专辑

朱振盟建议,业者要导入ToF技术前,先正视自家的应用需要何种等级的ToF技术,并与合作厂商密切讨论应用需要怎么样的软件算法,以发挥ToF设备最佳效果。而不是一味的追求市场上最新的ToF硬件,最终无法“皆大欢喜”。vMIEETC-电子工程专辑

总而言之,硬件的挑战在半导体业者的努力下,势必有拨云见日的一天;而软件算法,则是需要设备、半导体与软件业者合作无间。如此一来,才能使ToF技术的优点发挥的淋漓尽致,进一步开创出更多应用与商机。vMIEETC-电子工程专辑

新技术为ToF锦上添花

除了ToF自身技术的新进展为其带来更多的市场机会,近期讨论度很高的人工智能与5G技术,也成为ToF的新助力。众所周知,人工智能的应用范畴相当广泛,而人工智能又会如何协助ToF技术呢?麦正奇认为,人工智能算法的发展有助于传统RGB和ToF两种影像信息的同步,缩小2D+3D影像同步所需要分辨率间的差距。由于3D ToF的影像分辨率远不及现有的RGB技术,因此如何利用人工智能算法填补ToF在物体边缘所缺少的深度信息,将可望加速普及3D ToF的各种应用。vMIEETC-电子工程专辑

“人工智能绝对可以增强ToF的使用方式。”刘峻诚强调,从边缘人工智能解决方案的角度来看,将ToF与人工智能芯片或NPU搭配可以降低设备制造商的总成本,并提供更加安全的组合。ToF通常需要更高功率的主芯片来处理其运算,但是由于CPU处理各种任务,例如通讯、网络管理、内存管理等,因此存在更多的漏洞,这些漏洞使从ToF传感器收集的成像数据易受到黑客攻击。相比之下,与NPU或人工智能芯片配使用,可确保这些影像的安全性。因为NPU更加注重其功能,并且与NPU一起,可以使用价格更便宜的CPU来处理设备的其余运算要求。更何况与ToF传感器配对的高阶芯片相比,通用主处理器配对的人工智能系统单芯片(SoC)将更实惠。vMIEETC-电子工程专辑

意法半导体也认为,搭配人工智能,可以让ToF衍生出更多应用。朱振盟举例,包括手势侦测、手部或脸部追踪,都是ToF加上人工智能后的成果;不仅如此,由于ToF主要是提供距离信息,结合人工智能技术的分析能力,可望进一步辅助与强化客户开发的应用。vMIEETC-电子工程专辑

至于5G技术,刘峻诚认为,借助5G,越来越多的产品正在变得越来越机动性。机动性越来越强意味着对汽车、机器人等应用更快、更准确的响应需求也越来越大。因此,如果ToF达到预期的强大特性,有机会一跃成为主流技术。vMIEETC-电子工程专辑

麦正奇则表示,5G逐渐商用化,带来更多的带宽与更加安全的网络联机,让大量的用户和应用进行更快速的连结,因此催生了更多需求快速传输大量信息、多点对多点、更安全的物联网(IoT)及3D传感应用。除了在手机上的应用,5G环境也将促成更多ToF的应用场景,例如:生物辨识应用于安全支付、汽车驾驶及乘客状态侦测的安全应用、侦测车辆周边障碍物的辨识,以及智慧建筑、智慧家居、工业自动化及医疗领域等。vMIEETC-电子工程专辑

竞争还是合作?

由于3D成像技术大行其道,一些能够实现3D成像的技术如ToF、结构光、立体视觉(Stereoscopic Vision)…等也纷纷被比较各自的优势。刘峻诚表示,每项3D成像技术的可制造性、坚固性、成本和性能将推动市场采用主流技术,将ToF与轻量级3D (Lw3D)脸部/物体辨识人工智能模型等技术配对,可以意味着更准确和速度更快的人脸辨识与重建,或者可以用于更强大和准确的物体检测。vMIEETC-电子工程专辑

华晶科技(altek)首席技术官夏汝文指出,3D传感主流技术为立体视觉与ToF。两种传感技术从原理上决定了其应用领域的不同,从测量距离、深度精准度、算法复杂度、扫描与响应速度、各类环境适应性、硬件成本进行对比分析,可阐明两种技术各自适用的应用领域。vMIEETC-电子工程专辑

ToF引用原本成熟的技术、组件,所以在短距离的测距精准度会优于其他技术,但跟所有纯主动式测距技术相同,经常受环境光强或物体材质影响,而降低精确度甚至失效。夏汝文进一步说明,ToF技术的缺点在于其3D成像精准度和深度图分辨率相对较低、功耗较高。另一方面,主动立体视觉(Active Stereo Vision,ASV)系统如人的双眼,可以清楚辨识物体的远近,这现今是最接近人眼的技术。因此华晶科技认为主动式立体视觉,加上人工智能技术的强化,可模拟人类的双眼,甚至人眼无法判断或在距离远近的视觉深度都可以做到。有鉴于此,结合类似人眼的双目视觉镜头,搭载散斑成像(Speckle imaging),即使在暗处看着无纹理的物体,也能做出好的深度地图,就如同人们在晚上就会打开电灯,辅助原来无法辨识物距的问题。vMIEETC-电子工程专辑

麦正奇则从应用领域分析。他认为,就智能手机市场应用来看,ToF对结构光的排挤效应比较大,因为从技术面来说,结构光采用发展已超过20年的CMOS技术,具提供高分辨率IR图优势。但是ToF在体积、极端场景光线变化的抗干扰性、算法的复杂度,以及成本上,都有更好的表现。而从市场面来看,结构光技术的专利多为苹果所拥有,很容易会有侵权问题,因此Android阵营若要走向欧美市场,就必须要发展其他技术…vMIEETC-电子工程专辑

2020年5月21日上午10:00-11:10,EE直播间“手机的3D感知能力”--消费电子ToF技术与市场概括,欢迎届时观看,点击立刻报名vMIEETC-电子工程专辑

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责编:Yvonne GengvMIEETC-电子工程专辑

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