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苹果首次应用ToF,深感影像时代正在走来

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【摘要】:
近日,美国苹果公司在新发布的iPad Pro设备中首次应用ToF技术,ToF正式开启了在iOS和Android两大阵营的双行道发展,为3D成像技术带来前所未有的生态机遇。

近日,美国苹果公司在新发布的iPad Pro设备中首次应用ToF技术,ToF正式开启了在iOS和Android两大阵营的双行道发展,为3D成像技术带来前所未有的生态机遇。在5G和人工智能时代的大背景下,ToF技术的广泛应用为人们带来便捷的深感影像应用环境,具备3D属性的深感影像有望快速获得市场认可。面向正在走来的深感影像时代,市场参与者也将开辟发展新蓝海。

深感影像时代为什么需要ToF

深感影像是融合了3D成像技术的创新成像方式,通过3D深感摄像头辅助传统影像技术进行影像重构,影像信息从二维变成三维,影像体验环境变得更加真实。巨大的市场潜力让系统集成商、零组件厂商等纷纷加码深感影像的研发与应用。

面向深感影像信息获取,市场上较为成熟的光学技术解决方案包括双目立体视觉法(Stereo Vision)、结构光法(Structured Light)和飞行时间法(Time of Flight, ToF)。其中,飞行时间法(ToF)经过技术的不断完善,具备了成本适中、设备体积小、功耗低、响应速度快、工作距离远等综合优势,在多种技术解决方案中脱颖而出,获得主流智能终端厂商的追捧。

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ToF技术采用主动光源获取3D信息,与传统摄像头结合完成3D成像。ToF的3D信息收集过程主要有4个步骤,包括利用光源主动向被摄物体发送红外光脉冲(形态为面光),使用传感器接受从物体反射回的红外光,计算光脉冲的往返飞行时间来测算目标物体的距离,建立物体“Z轴”景深信息。由于ToF技术成像分辨率有限,ToF摄像头不直接参与成像过程,通过与常规摄像头组合形成完整3D影像。

直接飞行时间法(Direct-ToF, dToF)有望成为未来技术发展主流。ToF技术可分为直接飞行时间和间接飞行时间(Indirect-ToF,iToF)两种。其中,dToF发送的是离散的激光脉冲,可达到超低的占空比,相比iToF更省电,成像速度更快,但是技术壁垒较高、对硬件的要求较高。由于dToF相比iToF在信息快速获取、抗干扰、成像清晰度等方面具有优势,伴随算法技术、硬件设备的不断成熟与完善,dToF有望成为深感影像技术的主流解决方案。
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ToF驱动深感影像成为5G和AI时代典型用例

5G网络为深感影像应用提供了合适环境,ToF+5G有助于培育应用生态,让深感影像成为应用刚需。伴随5G网络部署的不断完善,电子设备用户对低延迟、高带宽、大容量的应用需求与日俱增,培育适应5G环境的创新型应用迫在眉睫。影像信息传输对网络环境具有天生的高要求,浏览视频影像已成为人们的生活日常,需要更高网络环境需求的深感影像创新,将成为5G时代视频消费升级的重要特征,深感影像也将同5G网络和设备一起快速融入消费者日常生活。在ToF技术的帮助下,个人录制高清深感影像的成本大幅降低,支持5G网络、具备ToF摄像头的手机就可以成为人们录制和体验深感影像的终端。在ToF+5G的支持下,人们在不远的将来就可以体验到身临其境般的实时互动传媒,届时的视频娱乐生态也将大不相同。

ToF助力人工智能数据收集和算法建设,人工智能场景加速深感影像应用。优化和改善人工智能深度学习算法需要大数据的“训练”,大数据信息源成为人工智能技术研发企业的“立业之本”。借助于ToF摄像头,影像信息从二维升级成三维,设备记录影像信息的精准度随之提升,大数据信息的收集能力成倍增加。深感影像的应用让平面信息变得立体,不但提升了数据的收集效率,还增加了信息密度,让有限时间和空间内收集到的数据就可以满足使用需求。ToF技术推动兴起的深感影像应用为大数据、人工智能的发展提供更加便利的条件,人工智能技术广阔的使用场景也将推动深感影像应用不断壮大。

ToF开启光电行业新蓝海

ToF技术的应用不仅有助于提升个人娱乐体验,未来工作生活的方方面面均可能见到ToF的身影。近期看,ToF技术将快速渗透到个人移动终端中。如果2020年款iPhone手机如市场所料搭载ToF技术,ToF在智能手机中的渗透率有望在2021年从2020年初的约5%提升至20%以上。未来,伴随ToF技术向中低端智能手机的持续渗透,ToF摄像头可望成为智能手机标配。此外,伴随ToF摄像头价格的走低、测量精度的提升,ToF技术将进一步成为智能支付、智慧家庭等应用场景的优质技术解决方案。在工业、医疗、汽车等领域,由ToF技术带来的三维动态体验让远程操作变得更加便利,助推相关领域应用的智能化、自动化和实时化。

光电行业将从ToF技术获利,ToF产业链容量可望达百亿美元。根据意法半导体的数据,公司ToF模块出货量在截至2019年11月底的约18个月时间内达6.5亿颗。未来,在ToF技术发散性应用渗透的作用下,ToF模块年出货量有望在不远的将来达到10亿颗级别。目前,整套ToF解决方案的应用成本在10美元以上,由此推算百亿美元可能只是ToF技术市场的“小目标”。在巨大的应用需求作用下,图像传感器、摄像头模组、镜头、VCSEL芯片、滤光片、扩散器等相关零组件厂商将迎来一场“狂欢”,光电行业企业将获得新的业绩增长点。

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作者王珺、麻尧斌、马晓凯供职于赛迪智库集成电路研究所

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