2017年3D成像行業(yè)深度研究報(bào)告

120173D21光學(xué)的升級(jí)一直停留在二維的像素提升................................................................................................51.23D成像包含像素景深信息的疊加6.........................................................................71.3.2TOF原理及技術(shù)實(shí)現(xiàn)81.3.3雙目測(cè)距，傳統(tǒng)的3D感知方法81.43D成像是開(kāi)啟AI和AR時(shí)代的感知鑰匙92.1交互向三維升級(jí)，想象空間巨大 9 2.2.2GoogleProjectTango,全球首款A(yù)R智能手機(jī)15現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)生物識(shí)別的替代，性價(jià)比極高 172.3.1成本增加較少，安全性更強(qiáng) 172.3.2手機(jī)可以做到屏幕占比很高 18 3.2.3從iPhone7的TOF傳感器窺探蘋果的3D成像布局21 4.2發(fā)射(LDM)：高端光源被鎖定，準(zhǔn)直鏡頭HEPTAGON擁有專利23Lowpassfilter家供應(yīng)商，充分享受行業(yè)爆發(fā)25 3圖表2：IPHONE1-IPHONE6的成像效果對(duì)比(微距、強(qiáng)光、弱光條件下)5 DD .......18 ......................204圖表51：LED和VCSEL光源對(duì)比24圖表53：LED和VCSEL光源對(duì)比2551.1光學(xué)的升級(jí)一直停留在二維的像素提升拍照一直是智能手機(jī)的重要賣點(diǎn)，像素和拍照性能是換機(jī)的主驅(qū)攝像頭配置e雖然光學(xué)性能提升幅度巨大，但是仍然沿用著最傳統(tǒng)的原理：二6D加普通攝像頭都是2D平面成像的，丟失了物理世界中的第三維信息(尺寸和距離等幾何數(shù)據(jù))，計(jì)算機(jī)只能實(shí)現(xiàn)影像記錄和平面圖像特征識(shí)別，分析算法難度極大，目前能夠?qū)崿F(xiàn)的智能分析功能十分有3D成像能夠識(shí)別視野內(nèi)空間每個(gè)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)信息，從而使得計(jì)算機(jī)得到空間的3D數(shù)據(jù)并能夠復(fù)原完整的三維世界并實(shí)現(xiàn)各種主流的3D成像技術(shù)有三種：1)結(jié)構(gòu)光(StructureLight)。結(jié)構(gòu)光投射特定的光信息到物體表面后，由攝像頭采集。根據(jù)物體造成的光信號(hào)的變化來(lái)計(jì)算物體的位置和深度等信息，進(jìn)而復(fù)原整個(gè)三維空間2)TOF(TimeOfFlight，飛行時(shí)間)。通過(guò)專有傳感器，捕捉近3)雙目測(cè)距(StereoSystem)。利用雙攝拍攝物體，再通過(guò)三角TOF雙目測(cè)距技術(shù)成熟度☆☆☆☆☆☆硬件成本☆☆☆☆☆☆模組大小☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆強(qiáng)光性能☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆☆額外光源熱要求☆☆☆☆☆☆☆軟件復(fù)雜度☆☆☆☆☆71)結(jié)構(gòu)光的原理結(jié)構(gòu)光顧名思義就是有特殊結(jié)構(gòu)的光，比如離編碼結(jié)構(gòu)光等。將這樣的一維或二維的圖像投影至被測(cè)物上，根據(jù)圖像的大小畸變，就能判斷被測(cè)物的表面形狀即深度信息。舉個(gè)例子，拿一個(gè)手電照射墻壁，站近或站遠(yuǎn)，墻上的光斑是不同大小的，從不同角度照射墻，光斑也會(huì)呈現(xiàn)不同的橢圓。這就是結(jié)構(gòu)光的基礎(chǔ)。而深度計(jì)算的方式也有多種，如我們這里重點(diǎn)說(shuō)一下被蘋果公司收購(gòu)的的描述，紅外激光生成器射出準(zhǔn)直后的激光束，通過(guò)光學(xué)衍射元件而得到所需的散斑圖案。這些散斑具有高度的隨機(jī)性，而且會(huì)隨著距離的不同而變換圖案。也就是說(shuō)空間中任意兩處的散斑圖案都是不同一個(gè)物體放進(jìn)這個(gè)空間，只要看看物體上面的散斑圖案，就可以知道射940nm波長(zhǎng)的近紅外激光，透過(guò)diffuser(光柵、擴(kuò)散片)將激光均勻分布投射在測(cè)量空間中，再透過(guò)紅外線攝影機(jī)記錄下空間中每個(gè)參考面上的每個(gè)散斑，形成基準(zhǔn)標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)取的參考面越密，則測(cè)后的激光散斑pattern。通過(guò)芯片計(jì)算，可以得到已知pattern與接收pattern在空間(x,y,z)上的偏移量，求解出被測(cè)物體的深度信息。2)技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)光的實(shí)現(xiàn)難度有如下幾個(gè)方面：1)首先是經(jīng)濟(jì)攝像頭遠(yuǎn)高于一般的攝像頭；2)攝像頭需要的空間和功率限制，手機(jī)攝像頭已經(jīng)可以做到很小的體積和很小的功率，但是深度攝像頭還很難，特別是如果希望能達(dá)到比較高的精度；3)很多深度攝像頭是需要額外光源的，因此還要專門的散熱設(shè)備。4)后端的軟件匹配。81)TOF原理記錄光線強(qiáng)度信息之外，也記錄下來(lái)光線從光源到該像素點(diǎn)的時(shí)間 (即TimeofFlight)。首先讓裝置發(fā)出脈沖光，同時(shí)接收目標(biāo)物的反射光，藉由測(cè)量時(shí)間差算出目標(biāo)物的距離。如上圖所示，假設(shè)脈沖波形的頻率為f，接收與發(fā)送脈沖波形的2)TOF技術(shù)實(shí)現(xiàn)F光采用編碼過(guò)的光pattern進(jìn)行投射，而TOF直接計(jì)算光往返各像素1.3.3雙目測(cè)距，傳統(tǒng)的3D感知方法雙目測(cè)距原理類似人的雙眼，在91.43D成像是開(kāi)啟AI和AR時(shí)代的感知鑰匙AI2D圖像上通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別，但是由于2D圖像本身包含的信息有限，即使算法再先進(jìn)，輸入信息將成為智能化的短板，如果能夠有全面的三維信息，每個(gè)對(duì)象的三維輪廓、物理特征將更為充分識(shí)別，提升導(dǎo)航、軌跡、識(shí)別等AI應(yīng)用能力。同樣的，AR應(yīng)用中3D成像也是必不可少。D互方式則開(kāi)啟了移動(dòng)互聯(lián)/能手機(jī)時(shí)代，而到了以AR為代表的下一代計(jì)算平臺(tái)，則需要三維的交互方式。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，觸摸屏和攝像頭成為主要的人機(jī)交互媒介。觸摸屏可以方便地實(shí)現(xiàn)各種操作，相比鍵盤和鼠標(biāo)更為自然和順暢。攝像頭實(shí)現(xiàn)了大量的內(nèi)容輸入，也是一種重要的人機(jī)交互媒介。但觸摸屏和攝像頭仍屬于2D的交互方式。在觸摸屏上，我們只能實(shí)現(xiàn)平面范圍內(nèi)的感應(yīng)和觸控，即使出現(xiàn)DTouch等新的觸控方式，人機(jī)交互也依然只局限在一個(gè)平面上。而現(xiàn)有的攝像頭則只現(xiàn)這是由AR設(shè)備的定義所要求的。AR技術(shù)是指借助計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)和人工智能技術(shù)產(chǎn)生物理世界中不存在的虛擬對(duì)象,并將虛擬對(duì)象準(zhǔn)效果更豐富的新環(huán)境。產(chǎn)生3D的虛擬對(duì)象，并把3D的虛擬對(duì)象疊加顯示在現(xiàn)實(shí)的物理中就要求AR設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)3D的輸入和輸出。方式并不滿足AR的要求，需要新的交互技術(shù)。三維交互的應(yīng)用廣泛：精確的臉部識(shí)別可以用于解鎖、支付；精確的手勢(shì)及動(dòng)作識(shí)別可以用于家庭游戲娛樂(lè)；精確的人形建?？梢宰尵W(wǎng)購(gòu)更有效率，讓移動(dòng)社交更真實(shí)。而全球生物識(shí)別(2015年130億美金)、游戲(2016年996億美金)、B2C電商(2015年2.2萬(wàn)億美金)加在一起粗略統(tǒng)計(jì)是一個(gè)超過(guò)2萬(wàn)億美金級(jí)別的市場(chǎng)。哪怕三2.2已實(shí)現(xiàn)商用，預(yù)計(jì)成為2017年頂級(jí)品牌手機(jī)殺手锏軟發(fā)布基于3D成像的游戲體感交互設(shè)備Kinect已經(jīng)有8年時(shí)間，而ARAI云涌，進(jìn)一步坐實(shí)了一個(gè)事實(shí)：3D成像已經(jīng)過(guò)了技術(shù)基礎(chǔ)期，即將進(jìn)入長(zhǎng)達(dá)5年以首日便超過(guò)了WII主機(jī)的發(fā)售數(shù)據(jù)，之后再以光速超越游戲市場(chǎng)上的所有記錄，讓微軟在北美乃至全球市場(chǎng)都可以揚(yáng)眉吐氣。不僅如此，這樣具備著強(qiáng)大潛在實(shí)力的技術(shù)吸引了多達(dá)世界上8成左右的游戲廠商加盟，為后續(xù)的游戲產(chǎn)業(yè)鏈奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Kinect徹底顛覆了以往游戲的人機(jī)交互方式，相比對(duì)手任天堂WiiWiiRemote戶動(dòng)作的限制，Kinect不需任何手持設(shè)備，能捕捉玩家全身上下的動(dòng)作，直接用身體來(lái)進(jìn)行游戲，帶給玩家“免控制器的游戲與娛樂(lè)體驗(yàn)”，也讓游戲類型更加豐圖表22：Kinect1.0拆機(jī)鏡頭位置：Kinect1.0配置微軟微軟KinectV1.0發(fā)布日期使用距離范圍骨骼點(diǎn)KinectV1采用PrimeSense(2013年被蘋果收購(gòu))結(jié)構(gòu)光方案，彩色圖像。左右兩邊鏡頭則分別為紅外激光發(fā)射器和紅外CMOS攝像頭所構(gòu)成的3D結(jié)構(gòu)光深度感應(yīng)器，用來(lái)采集深度數(shù)據(jù)(場(chǎng)景中物體到攝像頭的距離)。彩色攝像頭最大支持640*480分辨率成像，紅風(fēng)，由四個(gè)麥克風(fēng)同時(shí)收音，比對(duì)后消除雜音，并通過(guò)其采集聲音進(jìn)定位。三維縱深的“立體”編碼近紅外激光(光源通過(guò)準(zhǔn)直鏡頭和DOE器來(lái)的紅外光線。這種光斑具有高度的隨機(jī)性，而且隨著距離的不同會(huì)出現(xiàn)不同的圖案，也就是說(shuō)在同一空間中任何兩個(gè)地方的散斑圖案都都像是被做了標(biāo)記，然后把一個(gè)物體放入這個(gè)空間后只需要從物體的散斑圖案變化就可以知道這個(gè)物體的具體位置。圖表25：Kinect識(shí)別效果圖那么標(biāo)定下來(lái)我們就保存了30幅散斑圖像，需要進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，拍攝一副待測(cè)量的散斑圖像，作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息。將這幅圖像和我們保存下來(lái)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息依次做互相關(guān)運(yùn)算，這樣我們會(huì)得到30幅相關(guān)度圖像，而空間中的物體存在的位置，在相關(guān)圖像上會(huì)顯示出峰值，把這些縫制一層層疊加在一起，在經(jīng)過(guò)插值運(yùn)算就會(huì)得到整個(gè)場(chǎng)Tango在谷歌已存在4年時(shí)間，2013年初谷歌的ATAP(先進(jìn)科手相關(guān)的研發(fā)。ProjectTango的技術(shù)主要是使用傳感器和攝像頭來(lái)對(duì)室內(nèi)建筑進(jìn)行3D建模，同時(shí)還具備無(wú)限讓人們能利用家中的環(huán)境玩擬真的3D游戲等。鏡頭，分別是普通的400萬(wàn)像素RGB攝像頭，用于3D成像的紅外發(fā)射器和紅外接收器，以及一顆魚(yú)眼鏡頭用于動(dòng)作捕捉。這三顆攝像頭模組均由大陸模組廠商舜宇光學(xué)提供。另值得一提的是，硅谷初創(chuàng)公司Movidius(2016年9月被Intel收購(gòu))的處理器用于輔助CPU進(jìn)行圖像的運(yùn)算處理。整機(jī)配有一顆術(shù)進(jìn)行3D成像，設(shè)有三種攝像頭：最上方一顆是三星的1600萬(wàn)像素RGBCMOS攝像頭，用于常規(guī)拍照；最下方是OV魚(yú)眼鏡頭，用于動(dòng)作捕捉；兩者之間則是TOF系統(tǒng)構(gòu)成，有上方的Princeton提供三顆攝像頭模組均由大陸模組廠商舜宇光學(xué)提供。視覺(jué)處理器DRAM鋁合金機(jī)身核處理器重力感應(yīng)器,距離傳感器,加速度感應(yīng)器,電子羅盤，指紋識(shí)別前置單攝像頭后置單攝像頭紅外TOF(深度信息)魚(yú)眼鏡頭(運(yùn)動(dòng)追蹤)發(fā)布日期處理器存儲(chǔ)器傳感器為了提供三維場(chǎng)景，三種攝像頭各司其職，并與其它傳感器“合 (1)運(yùn)動(dòng)追蹤(MotionTracking)：通過(guò)移動(dòng)設(shè)備自帶的多種傳感器，在不通過(guò)外界信號(hào)的情況下，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的姿態(tài)與位置，追go性測(cè)量單位(IMU)結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)追蹤功能。 的誤差，識(shí)別重復(fù)環(huán)境。經(jīng)收集的環(huán)境信息。 設(shè)備在空間中的位置，與四周障礙物的距離。而后者目前BOM成本約在6-7美元，所以3D成像實(shí)際增加成本在幕占比很高3D成像除了更安全，實(shí)現(xiàn)更多功能以外，也符合蘋果持續(xù)追求的外觀目標(biāo)：增加屏幕在手機(jī)中的占比。從iPhone4開(kāi)始，通過(guò)窄邊框提升屏幕在手機(jī)正面占比，而OLED顯示的成熟更可以充分利用正面有效面積，而這時(shí)龐大的TouchID區(qū)域已經(jīng)顯的非常礙眼了，所以從我們產(chǎn)業(yè)了解到信息，手機(jī)廠一直有強(qiáng)烈的意愿取消掉前置的IX2.4廠商意愿：產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)大廠跟進(jìn)意愿極強(qiáng)向了TOF方案，但是仍然有方案公司繼續(xù)在結(jié)構(gòu)光領(lǐng)域探索。深圳的奧比中光便是其中的代表，目前其結(jié)構(gòu)光方案已經(jīng)較為成熟，可以商經(jīng)過(guò)我們的產(chǎn)業(yè)調(diào)研，目前國(guó)產(chǎn)手機(jī)大廠對(duì)于3D成像需求非常作商，而奧比中光正好彌補(bǔ)了這一缺口。3.1.1觸摸屏曾經(jīng)的輝煌，大陸電子產(chǎn)業(yè)的啟蒙010年以切入蘋果產(chǎn)業(yè)為標(biāo)志，享受下游需求快速增長(zhǎng)的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)臺(tái)灣供應(yīng)鏈的節(jié)節(jié)業(yè)的啟蒙者：1)自iPhone帶動(dòng)以后，觸摸屏在2010年以后實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式成長(zhǎng)；2)以萊寶高科為例切入蘋果產(chǎn)業(yè)鏈以后業(yè)績(jī)的突飛猛進(jìn)也讓市場(chǎng)記憶深刻；3)隨后國(guó)產(chǎn)手機(jī)的跟進(jìn)，造就了一批歐菲、合力泰、信利等觸控的大牛股。蘋果產(chǎn)業(yè)開(kāi)始推動(dòng)大陸資本市場(chǎng)對(duì)于電子的研究范式大為革新，市場(chǎng)認(rèn)識(shí)到電子行業(yè)也是成長(zhǎng)股的搖籃。7年以后的今天，雖然市場(chǎng)擔(dān)享受估值溢價(jià)。3.2預(yù)期差極大，產(chǎn)業(yè)和資本認(rèn)識(shí)不足極大震撼，但隨著銷量規(guī)模的飛速成長(zhǎng)和大陸臺(tái)灣公司越來(lái)越多的參是這次3D成像保密性可謂前所未有，消息源是來(lái)自于美股的公司業(yè)完全，至于具體的產(chǎn)業(yè)鏈細(xì)節(jié)和工作原理更是知之甚少，所以這次光明了此次3D成像保密的成功。PrimeSenseUSB2(利用三維信息完成合成)、US8933876B2(三維空間手勢(shì)識(shí)別)專利，諸多線索指向蘋果未來(lái)的3D成像意圖。而TOF成像延時(shí)較長(zhǎng)，圖像分辨率偏低；同時(shí)由于結(jié)構(gòu)光光斑較多，衍射范圍大，如果探測(cè)距離較遠(yuǎn)容易影響精度，所以探測(cè)距離是結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)光方案最主要的專利持有者。我們推斷蘋果的3D成像將會(huì)以前置的方式配置，考慮到在前置方案需要高精度、低延時(shí)，同時(shí)對(duì)于探測(cè)距離要求并不高，所以我們認(rèn)為蘋果的3D成像將會(huì)是前置結(jié)構(gòu)同時(shí)，我們判斷在該方案中除了傳統(tǒng)的前置RGB攝像頭以外，會(huì)在兩側(cè)增加發(fā)射和接收端用于探測(cè)景深信息，其中接收端是特殊制程的CMOS，用于接收窄帶紅外光，同時(shí)該CMOS也會(huì)結(jié)合虹膜識(shí)別的功能。AMS的距離傳感器放置在聽(tīng)筒附近，當(dāng)接電話的時(shí)候利用紅外光飛行時(shí)間(timeofflight)探測(cè)到臉部距離以后控制屏幕的亮度，實(shí)現(xiàn)更F利用高效率的VCSEL激光器和光子接收點(diǎn)陣SPAD作為發(fā)射和接收點(diǎn)距離傳感器更豐富的距離、臉型等特征信息。是對(duì)于TOF蘋果的態(tài)度也是開(kāi)放的，考慮到TOF在遠(yuǎn)距離景深探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，我們判斷在2018年以后TOF大概率將以后置攝像頭的形式臉識(shí)別、虹膜識(shí)別等短距精確的功能，后置實(shí)現(xiàn)AI、AR等長(zhǎng)距的功這所以，現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)面臨的問(wèn)題的快速爆發(fā)的需求和上游稀缺的產(chǎn)能，所以也不難理解國(guó)產(chǎn)品牌對(duì)此的深深憂慮，所以我們判斷現(xiàn)在的3D成像和去年的雙攝格局非常像，品牌廠為了追求新功能，只有不惜血本尋找有效產(chǎn)能，核心零組件公司將擁有充分定價(jià)權(quán)，坐擁數(shù)年的黃金成長(zhǎng)