3D 感测大厂、甫完成收购欧司朗 (OSRAM) 的艾迈斯半导体 (ams)，在主动立体视觉 (ASV)、结构光 (SL) 与飞时测距 (ToF) 皆有布局。ams 台湾区总经理李定翰表示，现阶段结构光因有消费电子加持、出货量最大，工业应用则以立体视觉为主——预估不久后，外加一个投射器的 ASV 料将全面跃起；即使是全自动化的＂关灯工厂＂，确认打件位置仍少不了 ASV 的辅助。ToF 则可视为长距离的结构光 (虽然分辨率远不如正统结构光)，成长力道正在增强；以前影像拍摄只在乎单点距离，如今讲究的是＂多区域＂(Multi-Zone)、对比多层，意境已大不相同。
照片人物：ams 台湾区总经理李定翰
ToF 测算景深，画面生动、拉大可视距离
李定翰以数字单眼相机为例，虽然更换大光圈 (光学组件) 也能拍出景深，却无法随即再抓取平衡。此时，借助 ToF 演算便可达阵；且过去软件只能针对单帧影像修图，ToF 可提供很多信息让应用程序 (APP) 开发商利用，在直播中就可动态美化，例如，在位于画面中的两人＂背后＂营造某人走过的景象。工业应用因多为平面作业、且已知组件具体形象，实做上只须上／下二维运动、确定是否就定位即可，场景变动不大、毋需深度补偿，但日后料将逐渐加入深度信息，有助于拉大可视距离。3D 感测另一个应用是模具制作，一分钟就能完成扫描建模。
他补充说，ASV 不是做不到上述要求，惟组件组成过于繁复，无法塞到空间有限的光学感测器件中，而这正是 ToF 的魅力所在；动辄须＞200 公尺的汽车应用，ToF 更是基本元素。李定翰回顾 3D 感测真正受瞩要归功于苹果手机的领航，吸引业界认真发想相关应用——机场将行李依材积大小分类便是一例。在航程中，行李堆栈必须把重的垫底或是将不规则对象置顶，以保持平稳飞行、避免挤压损坏，并最大化可用材积空间的效率。早先缺乏深度信息时，需要根据不同场景做补偿才能辨识；直到加入＂红外线投光器＂组件的 ASV 出现，终于有解！
ASV 不受环境光限制，判读更精确
李定翰解释，立体视觉是依两个摄影镜头拉出基线，控制撷取影像的灯光，目的是让左右视觉差 (阴影) 更明显，便于后续推算尺寸；但 ASV 是将红外光打进目标物，产生均匀光点且会随材积大小变化，判读更精确，不必再为环境光源伤神，商用较一般消费产品拥有更强的需求。ams 用于 3D 立体成像的点图案红外照明器＂BELICE-SD＂，具备高对比度度点图案、高电光效率 (＞90%) 及小尺寸封装特性，可实现快速准确的深度感应、低功耗，易于在移动／物联网／机器人各种平台上实施。
图1：ASV 借助额外光图样光投影，能克服目标物颜色、纹理或表面特征不明显的问题
资料来源：ams 提供
＂原有立体视觉也能查看，但前提是对象本身要够立体、且环境不能太暗才能清楚分辨，就像平放于桌面的纸张，除非有翘曲或色调区隔明显，否则机器不易判别＂，李定翰强调。机器视觉的另一个挑战是：看很多对象时，是否能辨识出细微差异？提高镜头的分辨率是手段之一，但这会消耗更多演算和存储资源，负载重。李定翰提到，对企业来说，重要的是如何在效益、成本、应用场景之间取得平衡，最高规者不一定最好、也未必会成为主流。在彩色影像如此盛行的今天，安防监控之所以仍坚持采用黑白 CCD 摄像头，就是着眼于＂影像补偿＂。
CCD vs. CMOS？Rolling Shutter or Global Shutter？
李定翰指出，全天候的光源表现落差大，要撷取的要件特征也不同，当色阶接近时，彩色渲染成像 (render) 易被误认成同一色块，不如黑白影像突出、清晰。这也是为何安控业宁可提高黑白分辨率，也不愿改用 RGB 镜头的原因。至于 CCD vs. CMOS 镜头何者较佳？李定翰直言，工艺和供应链是两大决定要件，随着两者效能趋近，CMOS 工艺相对成熟、容易复制且底噪 (背景噪声) 小，在黑暗 (低光源) 环境较有优势；CCD 虽然调色范围较大，但光学堆栈和材料工艺复杂得多，当分辨率提升，要把偌大画素塞在同一个器件，噪声就令人头痛。
更遑论同等分辨率下，两者售价有天壤之别！成像技术也是关键，有卷帘快门 (Rolling Shutter) 和全局快门 (Global Shutter) 两种：前者感光组件是逐一线性扫描，后者是一次抓取整幅图像后再迭加，特别适合动态摄影。李定翰形容，全局快门拍摄风驰电掣的赛车时有瞬间凝结 (freeze) 效果，细节非常清楚；用于大量量产或打件速度快的工厂产线，可完美抓到每帧影像。例如，表面贴装 (SMT) 从模具倒出的组件位置、顺序不一，要让机器手臂捡起后顺利转向、放到卷带 (reel) 上，且后面的机器手臂可实时接棒，就得用 global 一眼扫过才来得及。
图2：ams 首款可集成于 3D/ASV 之高量子效率 (QE) CMOS 全局快门近红外 (NIR) 图像传感器 CGSS130，可实现高性能的脸部识别和 AR/VR 应用
资料来源：ams 提供
从＂应用场景＂切入，找到最佳解决方案
这在每秒须拍摄 120 帧图像的工业应用是必备条件。ams 很早就洞悉此趋势而着手并购相关厂，其所有 CMOS 皆是全局快门，且每个画素尺寸较同类产品大，意味着感光能力较佳、对环境光要求没那么严苛，亦即：同样分辨率下，画素 2μm 在低光源环境中的＂视力＂会优于 1μm。ams 的策略是针对客户的应用场景提供最佳方案，而非盲目向高规发展；再者，成像技术的选择与后续处理环环相扣，须做整体考虑。另一方面，为加速处理，上述 SMT 混线生产会将撷取到的 120 帧图像放在 CPU 暂存区。
近来业界兴起的整合式＂智能相机＂，亦是仿效当初 PC 分散处理概念，既减轻中央主机的负载、又兼顾隠私和风险。李定翰认为，投资决策者 (客户) 最在意的其实是＂某个时间点的性价比＂，通常比所谓数年后的投资报酬率更有说服力。因为：时间就是最大的变量，市场和技术随时有翻转可能。他透露，许多企业在评估投入成本时，会细拆成很多零碎的面向；如何在供应链中找到立足点，协助客户最大化效益、最小化成本，就挥棒得分了。供货商本身通过数据汇总 (Data aggregation) 不仅能赚取加工和时间所得，还能回头为自己精简工艺。
车用 3D 感测想象空间大
整体而言，机器视觉系统设计从镜头、滤光片、堆栈模块，每一层都是专业——操作场景？成本、重量、耐温？是否太厚重或有溢光、散光、绕射现象？例如，无人商店也会用到 3D 感测，但感测技术因用途而异。李定翰分析，辨识拿取、选购商品用 ToF 即可，ASV 可用来大范围侦测商场，判断商品的销售热度，而可细辨五官、穿着的高阶结构光，适合用于刷脸支付。他自评，光学组件与电子不同，需要长期累积，并购便成了立竿见影的快捷方式；逾二十年模拟组件经验加上先知的适时并购，正是 ams 成为手机厂首选 3D 传感器供货商的本钱。
图3：ams 新型 ToF 距离测量模块 TMF8801，可提供 2 公分～2.5 公尺的精确测量，让智慧手机相机的雷射检测＂零距离＂自动对焦
资料来源：ams 提供
放眼未来，ams 相当看好 3D 感测在汽车的应用。李定翰断言，就算车联网到位，有些需就地处理的突发事件仍十分需要光达 (LiDAR) 护持，两者将并行发展。光达系统乃经由发射激光脉冲来评估各种物体的反射光——根据 ToF 或反射的激光脉冲再次到达传感器所花费的时间，软件会计算到周围物体的距离，可并行处理许多激光脉冲，进而形成一个环境 3D 模型以识别碰撞障碍、道路标记、汽车、自行车骑士和行人的位置和动作。光脉冲发送和接收之间的时间，取决于光达系统和物体之间的距离，最简单的就是以＂直接飞时测距＂(dTOF) 测量。
不受光束转向制约，＂固态光达＂迅速崛起
李定翰剖析，不同波长、不同类型的光达，产业自会历经几番演进优化：置于车顶、360∘运转的机械光达仍有死角，且晃动大和极端环境温度将使组件可靠度备受考验，例如，天气太冷，马达轴承会半凝结，重新暖机需要时间恐造成空档，因而催生＂固态光达＂兴起。ams 自 2018 年携手 Ibeo 公司共同开发用于先进驾驶辅助系统 (ADAS) 的固态光达技术，近日宣布基于 ibeoNext 固态光达传感器将于今年 10 月向全球客户供样，拟于 2022 年量产。ams 强调，＂固态光达没有移动的光束转向机制，无论在可靠度和复杂性皆略胜一筹＂。
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 (参阅：《3D感测，你在意的是真相、速度 OR 距离？》http://compotech.com.cn/a/feature/catalog_feature/2019/0318/59797.html 一文)；特别一提的是，ams 的 VCSEL 对单一发射器故障不会过于敏感、温度范围内稳定且易于整合，更适合用于扫描和闪光 (flash)。他们的 VCSEL 还能组合成发射器数组、易于扩展，且这些 VCSEL 数组具有极佳功率密度，允许寻址 (addressability) 或为晶粒的选择性区域供电，实现真正的固态拓朴。
图4：结合远程和高空间分辨率的精确度，是光达技术的关键优势
资料来源：ams 提供
简言之，ams VCSEL 数组功率密度、转换效率和间距方面表现出色，其 VCSEL 制造工艺为布局设计留有极大的灵活性，例如：像素数量、尺寸与间距，以及共阳极／阴极与特定行、列、段的可寻址模式。ams 还提供整合功能安全标准和人眼安全功能等强化功能，使可靠度再升级。最后李定翰重申，汽车售价区间大、成本结构亦不同，很多技术彼此非单纯竞争、而是竞合状态，一如短、中、长距的无线通信技术互补。只要有本事预见商机就有获利机会，当然，更高竿的是做＂造市＂领头羊；换个角度思考，最可怕的敌人，往往不是当前所见者。
