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3D感测,你在意的是真相、速度OR距离?

本文作者:任苙萍       点击: 2019-07-23 12:30
前言:
尽管 iPhone X 褒贬不一,但其搭载的 Face ID 脸部辨识解锁功能却成功炒热 3D 感测话题。每当新兴市场萌芽之初,总免不了众家好手一番争奇斗艳。业界通常将 3D 感测技术分成三大类:利用双镜头 RGB 相机模块调校两部相机之间的像素并撷取深度信息的立体视觉 (Stereo Vision)、解析反射角度的结构光 (Structured Light) 和聚焦反射时间的飞时测距 (Time-of-Flight, ToF)。随着工作原理的不同,应用取向也有所差异:
 立体视觉:精度低、扫描速度慢、有效距离短,最类似人类大脑运作,好处是不易受环境光影响且成本低,适合环境光源不稳定/不足/过亮的影像拍摄或监控;
 结构光:扫描精度最高、速度中等,容易受环境光影响,苹果 (Apple)、意法半导体 (ST)、英特尔 (Intel)、高通 (Qualcomm)、艾迈斯半导体 (AMS,原名:奥地利微电子)、奇景光电 (Himax)、微软 (Microsoft) 皆已投入;
 飞时测距:响应速度最快、量测距离最大、能更有效感测环境光,减少应用处理器 (APU) 的工作负载,进而降低耗电量;缺点是成本偏高,索尼 (Sony)、德州仪器 (TI)、亚德诺 (ADI)、意法半导体 (ST)、英飞凌 (Infineon)、PMD Technologies、艾迈斯半导体、谷歌 (Google)、微软、潍景科技 (MicroVision)、VIVO 等是先进供货商。
 

图1:结构光 vs. 飞时测距 (ToF) 比较
资料来源:
https://www.semanticscholar.org/paper/A-New-Inspection-
 
应用取向为基准,高阶多采复合方案
虽说 3D 感测可广泛应用于生物辨识、机器人、无人机、穿戴装置、体感游戏、虚拟现实/扩增实境/混合实境 (VR / AR / MR)、Animoji 动态表情创作,乃至汽车安全驾驶等;但侦测要求不同,应对之道亦相异。以"存在侦测"(Presence Detection) 为例,若是户外定点巡检,且旨在粗略发现有无障碍物、不细究是何种物体,立体视觉已够用。但若是严谨的身份验证,结构光较具优势;例如,用于解锁或移动支付的人脸辨识。若是安防围篱、工安防护或手势辨识,飞时测距因抗干扰能力佳且可依据目标距离多段设定警示或致动,无疑是最佳解。
 
简言之,目标应用是判断景深、人物或确切距离,将是首要考虑。事实上,高阶应用不会只单用某一种技术,而是采取复合式方案实现,iPhone X 脸部解锁也不例外:ToF 相机发射红外光 (IR) 激光侦测位于有效距离内的面容后,会启动结构光的点投射器 (Dot Projector) 绘制、存储脸谱,再由 IR 镜头接收、读取位图像 (点云),传到 APU 做人工智能 (AI) 演算。因此,不少芯片商奉行多轴同步发展策略,苹果供应链的重要成员 ST 就是一例;在发展基于单光子雪崩光电二极管 (SPAD) 的 ToF 传感器之余,亦在结构光组件下足工夫。
 

图2:使用苹果 iOS 应用程序扫描真实世界物体示例:准备扫描、定义边界框、扫描、调整原点、测试及输出
资料来源:
https://developer.apple.com/documentation/arkit/scanning_and
 
ToF 反应快且准,但精细扫描+验证仍须仰赖"结构光"
ST 名为"FlightSense"的 ToF 传感器包括激光驱动器、940 nm 非可见光第一级 (Class 1) 发射器、实体红外光滤镜、SPAD 光接收器和超快速的光子侦测阵列,可用于趋近 (Proximity) 感应、自动对焦、机器人防撞、无人机起降、环境光感应开关电器、手势识别、库存管理等,共有三个系列:2015 年的第一代 VL6180X 将红外发射器、测距传感器和环境光传感器 (ALS) 三者整合在一个即用型的可回焊封装中,不需繁复的光学和机械设计工序、就能依用户定义分段执行测距和 ALS 量测为其特点,距离极限为 40 公分。
 
随后问市的 VL53L0X / VL53L1X 是完全集成的一维单点测距 (1D ranging) 微型模块;前者有效距离 2 公尺,后者测距频率高达 50Hz、距离达 4 公尺。不需额外光学组件的辅助,用户可自行编程接收阵列上的"感兴趣区域"(Region of Interest, ROI) 的大小和位置——矩形定义区域范围,要求感光组件只针对该区域处理影像,再依设计所需自由缩减传感器的视场 (Field of Vision, FOV),且可提供多区域操作控制。此外,FlightSense 先进的嵌入式光学串扰补偿机制,给予设计者更多玻璃外盖材质选择。
 

图3:ST"FlightSense"ToF系列产品
资料来源:ST官网
 
VCSEL 成 ToF 主流光源,微波将取而代之?
为解决投射光束发散及耦合性欠佳的问题,发散角度小的"垂直腔面發射激光器"(VCSEL) 是现阶段 ToF 主流红外光源。然而,激光对人体伤害极大,依其危险性分成四个等级;第一级是安全系数最高者,激光及其光束完全封闭于护罩内部,输出功率极低、可安全目视,不会对眼睛、皮肤造成伤害。AMS 的 ToF 传感器——TMF8701 1D,也是单点测距的高规产品,内建极窄脉宽的时间—数字转换器 (TDC),可实时量测 VCSEL IR 投射到物体距离;在测距频率 60Hz 下,趋近检测为 0~10 公分、感测为 10~60 公分。
 
TMF8701 1D 亦具有 940nm VCSEL 一级眼睛防护机制;一旦 VCSEL 故障,安全电路会停止 VCSEL 驱动器,避免伤害视力。其基于"直方图"(histogram) 架构和算法的 SPAD 像素设计,同样可对抗玻璃防护罩的污迹或串扰,可容忍大气隙 (air gap) 结构、抵消磁阻,还能量测多个物体的视场。以算法为后盾,其光学滤波器可实现高环境光恢复能力,阴暗和阳光环境的距离测量误差在 ±5% 以内。为力求物体映像的逼真,今年初,AMS 再与 AI 软件商旷视科技 (Face ++) 宣示将共同加速部署 3D 光学感测技术。
 

图4:TMF8701 1D 可从多个物体的视场量测距离
资料来源:AMS官网;
https://ams.com/time-of-flight1
 
关于 VCSEL,前阵子财经界有个有趣的传闻:微波 (microwave) ToF 将取代现行 VCSEL ToF。理论上,微波 ToF 的有效量测距离会较激光更大,但要全盘吃下 VCSEL 市场却未必可行。因为对于需做"影像比对"的应用而言,像素分辨率的需求顺位仍高于一切;否则欧司朗 (OSRAM) 也不会在今年一月,锁定机器视觉、人脸辨识和物体/建筑扫描再推两款新型 VCSEL 产品——PLPVCQ 850 和 PLPVCQ 940,以相机红外光照亮目标物,然后将记录图像与存储在系统中的图像进行比对。或许,微波 ToF 更适合功能单纯的防撞雷达。
 

图5:OSRAM VCSEL 红外光束借助特殊微透镜阵列,实现视场 (FOV) 均匀照明及易于安装
资料来源:OSRAM 官网;
https://www.osram.com/os/press/press-releases/osram-enters-the-3d-sensing-market-with-two-new-vcsels-plpvcq-850-and-plpvcq-940.jsp
 
CAPD 与 SPAD 争辉,"背照式"ToF 图像感测异军突起
有别于 SPAD 架构,Sony 于 2017 年推出的"背照式"ToF 图像传感器,结合自有电流辅助光子解调器 (CAPD) 与背照式 CMOS 图像传感器像素技术,将光电探测器下方的电路分层优化、动态创建电位梯度 (电子传输的斜率),利用像素中的漂移电流做高速调制,加速距离测量所需的相位差检测。相较于传统前照式,背照式在加倍调制频率的同时,依然保持反射光效率,意即:相同距离量测可获得更好的深度图。另一方面,其像素间距只有 10μm,号称业界最小,亦可提高有效"像素孔径比"和光收集效率,实现高速距离测量处理并降低光源。
 
这是 Sony 于 2015 年收购 Softkinetic 公司后的心血结晶,据悉有效量测及深度图采集的距离可达 5 公尺。Sony 采用 CAPD 技术的 ToF 系列产品统称为"DEPTHSENSE",德州仪器 (TI) 和迈来芯电子 (Melexis) 亦是循此路线发展:前者偏重工业机器视觉 (Machine Vision) 应用,尤其是更小的分辨率传感器 (resolution sensors),涵盖机器人导航、手势识别和楼宇自动化,为摄像头定制化设计提供极大灵活度;后者专注于汽车领域,所有传感器均经认证,主要客户群为一阶或二阶汽车供货商。
 
表:TI ToF 相关产品

型号

产品描述

特色

OPT3101

用于连续波趋近感应和测距的高速、高分辨率模拟前端 (AFE)

1.      集成完整的深度处理管道,包括 ADC、时序序列器和数字处理引擎;

2.      具有内置照明驱动器,可覆盖大部分目标 效率;

3.      高环境抑制比,即使 130klx 全日照条件仍可正常运作;

4.      时序序列器具有高度可配置性,能针对特定应用提供功耗与性能之间的折衷;

5.      提供包含相位、振幅和环境测量结果的深度资料;

6.      校准子系统支持相位数据校准,可校准温度和串扰导致的不准确性。

OPT8241

3D ToF 图像传感器

1.      ToF 感应与经优化设计的 ADC、通用可编程定时发生器 (TG) 结合;

2.      以高达 150 f/s 帧速率提供 QVGA 320 x 240 视频图形阵列;

3.      内建 TG 控制复位元、调制、读出和数字化序列;

4.      TG 可编程,能灵活优化各项深度感应性能指针,如:功率、运动稳健性、信噪比和环境消除。

OPT8320

3D ToF 图像传感器

1.      高性能、高度集成的完整单芯片 (SoC),用于阵列深度检测,包括:通用 TG、优化设计的 ADC、深度引擎和照明驱动器;

2.      内置 TG 可灵活优化各种深度感应性能指针;

3.      内置深度引擎根据数字传感器数据计算深度数据;

4.      除相位数据外,深度引擎还提供每个像素的幅度、环境和标志及直方图形式的全阵列统计信息。

OPT9221

飞行时间控制器 (TFC)

1.      可根据数字化传感器数据计算深度并通过可编程互补金属氧化物半导体 (CMOS) 并行接口输出;

2.      提供每个像素的幅度、环境和标志等辅助信息,可实现过滤器和掩码并动态控制系统配置以实现预期性能;

3.      支持各种分级和"感兴趣区域"(ROI) 选项,有助于优化必须处理的数据吞吐量;

4.      9 mm×9 mm NFBGA 封装,可嵌入各种终端设备。

 
"非苹"阵营急起直追 3D 感测
3D 感测在去年西班牙世界移动通信大会 (MWC) 已刮起旋风。奇景光电率先展示与高通合作开发的"SLiM"(结构光影像模块) 成果——基于高通 3D 算法,以及奇景绕射光学组件和近红外光 (NIR) 传感器,推出具备 3D 感测和脸部辨识功能的 Android 智能手机样品,为"非苹"阵营树立新的里程碑,并随后在 10 月底,宣布 SLiM 获终端 AI 芯片商耐能智能 (Kneron) 用以发展 3D 感测监控方案。有以下几大卖点:
1. 点投射器可将超过 33,000 个隐形点投射到物体上,建构复杂的 3D 深度图 (Depth Map);
2. 深度图误差率<1%,有效操作距离为 20~100 公分;
3. 以最复杂的 3D 深度图建构独特的脸部特征,可用于实时解锁及安全的在线支付;
4. 即使在完全黑暗或阳光明媚下,亦无碍辨识;
5. 通过国际激光产品标准 IEC 60825 一级认证,确保对人眼无害;
6. 玻璃破碎侦测机制,当点投射器玻璃破裂,会自动关闭激光。
 
今年的 MWC 就更热闹了,全球首款支持手掌静脉认证的智慧手机 LG G8ThinQ,前镜头即内建英飞凌 REAL3 ToF 影像感测芯片——携手 PMD Technologies 的 3D 点云 (Point Cloud,系指 3D 扫描所产生之空间中的数据点集合) 算法联合打造。展出期间,英飞凌也顺势发布第四代 REAL3 感测芯片——IRS2771C,样品于今年 3月供应,第四季量产;其尺寸仅有 4.6 x 5 mm,却有150k (448 x 336) 像素输出,几近 HVGA 标准。他们预言,未来五年内多数智慧手机都将搭载 3D 镜头,而英飞凌有信心将在其中占有相当大的份额。
 

图6:LG G8ThinQ前镜头内建英飞凌 REAL3 ToF 影像感测芯片
资料来源:英飞凌提供
 
ToF 当红,但"立体视觉+结构光"双镜头仍具潜力
无论结构光或 ToF 都需内嵌 IR 收发模块,且像素阵列对 940 nm 红外光极为敏感,须通过背景照明电路抑制,制程和成本自然高出一截。因此,虽然三镜头、五镜头在今年 MWC 频搏版面,但芯片厂并未抛却以基本双镜头实施 3D 感测的想法:AMS 与高通聚焦 3D 成像的前置应用,计划在 Snapdragon 平台发展"主动 3D 双目摄像解决方案"参考设计,实现安全在线支付及动态深度脸部扫描。无独有偶,联发科技 (Mediatek) 为兼顾良率和可量产性,抢先在去年 9 月面向刷脸支付发表基于曦力 P60 与 P22 的"立体视觉+结构光"混血产品。
 
它是基于奇景光电的 IR 发射器与两颗红外光镜头,辅以旷视科技的人脸辨识、美颜和建模的参考设计,借工艺与 AI 算法简化校准流程并强化环境光抗扰度。不过,诚如英飞凌官方所说,ToF 反应快速、且不受外部光源影响,无论室内、室外的辨识率都更为出色,能更广泛应用在各种生物验证和 AR/VR 等应用。近年因先进驾驶辅助系统 (ADAS) 水涨船高的"光达"(LiDAR),亦是 ToF 光学测距应用:以红外光脉冲波反射、扫描出物体轮廓,再经由已知光速计算脉冲光束从发射到接收的飞行时间,进而换算出物体的相对距离和速度。
 

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