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一线手机厂力挺,ToF 市场 2019 年迎来大成长,三星将大军挥进

2018-12-03
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2018 年,全球手机市场销量迎来了一去不回头的下滑走势,根据市场研究机构 IDC 的统计,2018 年第 3 季全球手机销量出现了 6% 的跌幅,而这已经是连续第 4 个季度的销量衰退。除了因为手机普及率已然碰触到无法再向上增长的天花板以外,新购手机需求不可能再成为新的成长动能,必须靠换机刺激带动整体市场销量。而在过去几年,除了 5.5 寸以上的大尺寸手机曾经带动一波相对显著的换机需求外,不论是三星的 Note 系列,华为的 Mate 系列,甚或是最晚才推出的苹果(Apple)iPhone Plus 系列,都在当时成功的带动一波换机潮。


也就是因为如此,面对近年全球手机市场销量积弱不振的表现,许多人都在问:下一个带动换机需求的热点会是什么?不可否认的是,以近期各家手机厂的新产品发展方向来看,折叠手机无疑是最被看好的下一波带动换机需求的主角。但值得注意的是,折叠手机虽然备受瞩目,却也同时杂音不断,毕竟在产品推出初期仍有许多显然易见的技术问题有待克服,即使是在使用者体验上,过重或过厚等问题,也成为外界担忧折叠手机扛不起未来换机需求的可能原因。


展望 2019 年,折叠手机或许只是初试水温,还不足以真的撼动市场,但手机厂商并不会就此原地等待,在 2019 年的新机功能上,3D 成像传感已然成为一个新的战场,多家手机厂都已开始积极布局,希望以此结合应用刺激停滞许久的市场买气。


3D 成像传感市场起飞


近年图像传感器(Image Sensor)的趋势除了主要业者的焦点已从电荷耦合器件(CCD)转向互补金属氧化物半导体(CMOS)之外,另一个就是从二维(2D)迈向三维(3D)。过去,微软游戏机 Xbox 的 Kinect 技术、或是 Leap Motion 手势操作测试 3D 成像传感的商业潜力,在游戏领域算是一度取得成功,后来英特尔想要让平板、笔记本也有此功能,推出 RealSense 摄像头,结果却不如预期,一直等到近年 iPhone X 问世,以及机器人、车用市场的带动下,才使得市场真正爆发,让 3D 成像传感正变得无处不在。


提到 3D 成像技术,总免不了会提到三种主要方案:立体视觉如双摄像头或多摄像头结构光飞行时间(ToF)测距。苹果采用“结构光”原理设计出复杂的 True Depth 摄像头,让面部解锁、刷脸支付成为热门的功能,其他手机业者只好纷纷跟进,让结构光一举窜出,不过,在迈入 2019 年,市场焦点很可能转向到 ToF,原因就在于搭载 ToF 后置摄像头的新手机纷纷开案。


为什么要让后置摄像头也有 3D 成像传感能力,除了提升图像立体度之外,更在于创造更多新鲜的应用,包括增强现实(AR)/混合实境(MR)、对实体世界的物件进行 3D 扫描建模等功能,3D 成像传感的应用就不再局限于现有前置摄像头的面部识别、解锁、支付而已。


2018 年下半年 OPPO 推出 R17 Pro 手机,后置摄像头共有三个,除了两个传统 RGB 摄像头,还有一个 ToF 摄像头,让用户拍出立体图像。到了 2019 年,这股 ToF 后置风潮过更明显, 近来 vivo 被爆出即将推出一款重量级手机 NEX2,特色在于双屏幕设计,主屏幕采用屏下指纹解锁,背屏幕则会搭载 ToF 摄像头。另外,韩国媒体 ET News 报道,三星规划的高端手机 SAMSUNG Galaxy S10,在前置及后置摄像头都采用了 ToF 技术。


图 | vivo 海外市场部高级副总裁冯磊曾在微博分享了网络上曝光疑似 NEX2 实机的图片,但现已刪除(来源:IT之家)


再来就是最重要的苹果,就在日前美国专利商标局(USPTO,The United States Patent and Trademark Office)公布了苹果新的专利申请,使用光学电子元件如 VCSEL 以及 ToF、单光子雪崩二极体(SPAD)为基础的激光 LiDAR 来改进深度摄像头。


图:苹果最新申请的专利,使用包括 VCSEL、ToF、SPAD 等技术来改进深度摄像头(图片来源:patentlyapple.com)


市场屡传苹果有意在 2019 年的 iPhone 采用 ToF 摄像头,但目前看来,谣言成分居多。反倒是 iPad 较有可能先采用,因为苹果一直在提升 iPad 用于工作办公的实用性,而且 iPad 其实获得不少设计创意行业的人使用,若进一步让后置摄像头提供 3D 建模功能,再搭配 Apple Pencil,商务市场会是一个不错的机会。


但先不论苹果到底会不会采用,ToF 至少获得了三星、vivo、OPPO 支持,在一线大厂力挺下,将带动整体 ToF 市场在 2019 年出现大成长。


三星将切入 ToF Sensor 领域


在整个 3D 成像传感的生态圈里,除了立体视觉使用两个或以上现有的 RGB 摄像头之外,结构光跟 ToF 还需要搭配发射及接收模块,架构相对复杂许多。


图|3D 成像传感的生态圈(图片来源:Yole Developpement)


ToF 的原理是测量摄像头和拍摄物体之间光信号来回通行的时间,再根据已知的光速,推算两者的距离有多远。在 ToF 方案有不少的关键零部件,在发射端部分,就有红外光(IR)LED、垂直腔面发射激光器(VCSEL),其中 VCSEL 的技术门槛及专利壁垒很高,全球能供货的厂商有限,因此到目前为止,业者的产能一直呈现吃紧状态。而接收端部分,则有摄像头、IR 传感器、ToF 传感器(ToF Sensor)。摄像头模块厂再把上述这些关键零部件组装起来,成为完整的 ToF 传感器模块。除硬件之外,软件算法、韧体、校正能力也是影响方案品质的关键。


目前来看,ToF Sensor 可说是掌握在日欧美业者手中,像是日本的松下(Panasonic)、索尼,欧洲则有 PMD、Infineon、ESPROS Photonics Corporation(EPC)、意法半导体(ST),美国的 TI。


不过,行业人士透露,以往供应 CMOS Sensor 的三星,将在 2019 年大军挥进 ToF Sensor 领域,与摄像头模块厂 Patron 合作,并将供货给三星自家的手机使用,由于三星目前仍是全球第一大手机公司,基于庞大出海口的支持下,三星有机会在 ToF Sensor 领域快速崛起。


图|三星向 USPTO 申请 ToF 技术专利(图片来源:GSMArena)


为什么 ToF 从后置镜头崛起?


上述三种 3D 成像传感方案各有其优缺点,举例来说,双目的成本比较低,提供立体视觉 3D 成像软件的硅谷初创公司 Lucid 业务拓展经理蔡承志对 DT 君表示,目前结构光模块报价约 20 美元,但 RGB 摄像头已经很成熟,所以双摄像头方案大约 10 美元左右,另一个优点就是不需使用 VCSEL 等零部件,例如好莱坞专业摄影器材品牌 RED 开发的 Hydrogen One 手机,采用双摄像头及 Lucid 软件,在没有任何附加的发射或以雷射为基础的硬件元件下,提供 3D 成像传感功能。


不过,双目的缺点就是精准度较差,同时会受到两个摄像头摆放位置之间的距离(baseline)来决定只能看远或看近,看的距离长远是固定的,另外,因采用两个摄像头,图像的计算量相对较复杂,且不适合昏暗环境使用。


结构光及 ToF 精准度高,但也有其缺点,比如成本高,结构光模块约 20 美元,ToF 模块报价约 15 美元,结构光仅适合短距离测量,这就是为什么 iPhone 将其用在前置摄像头做脸部识别,而不是后置摄像头。另外 ToF 的分辨率则比结构光低。


不过,专攻 3D 机器视觉的初创公司 LIPS 创始人刘凌伟表示,近几年 ToF 技术颇有突破,最初 ToF 只能在室内使用,但现在打上不同波长的激光如 940 nm,测距长度可达数公尺(各家方案不同),就可以在户外使用。另一个推力则是业界转进背照 BSI(Back Side Illumination)制程,提升感光效果及量子效率(QE,Quantum Efficiency)。


正因为 ToF 适合远距离,这就是为什么适合放在手机后置摄像头、无人机,甚至有不少人希望借由 ToF 来取代自动驾驶的激光雷达(LiDAR)。


像是索尼及松下都推出远程的 ToF 传感器,像是索尼新型 BSI ToF 传感器因灵敏度提高,可测量距离超过 10 米,另外,松下针对工业与车用市场,在 2018 年 7 月推出新的远程 ToF 传感器,能够在夜间前方 250 米处感测到物体。


手机成长大,工业及车用需求同样看好


ToF 之所以受到行业关注,一大原因在于如果被导入智能手机,需求量会快速爆增,因为手机的出货量很大,会是带动 ToF 市场起飞的关键。但除了手机之外,在工业领域跟车用市场潜力其实也很看好,“工厂用来检测产品的需求真的很强,”刘凌伟对 DT 君说。


目前工厂在生产线上执行瑕疵检测或外观检测,是采用自动化光学检测(AOI)技术,利用高精度跟高速度的光学镜头来协助检查产品是否有缺陷,不过,近来 AOI 的新趋势除了希望通过机器学习算法提高正确率之外,另一个就是迈向三维,因为传统 AOI 多是应用在“平面的”印刷电路板(PCB)、面板等行业,通过 ToF 3D 传感技术再搭配机器手臂协作,就可以快速检测曲面、立体的产品,因此许多制造业者都对此技术很有兴趣。


另一个潜在商机庞大的就是汽车电子,不论是先进驾驶辅助系统(ADAS)或是自动驾驶汽车,都需要许多的传感器作为“视觉”,感知空间和物体,进行实时的 3D 建模,随着 ToF 的测距距离增加,可应用的领域也有机会从倒车侦测,转移到前方或侧边,做 ADAS 或自动驾驶方案中的一部分,例如获得博世和三星旗下的风投机构 Robert Bosch Venture Capital 及 Samsung Catalyst Fund 与富士康投资的加州公司 TetraVue,针对自动驾驶开发的 3D 成像方案,深度感测器就采用了 ToF 技术。


整体来看,在今日技术与整个市场需求走向了三维之后,就很难再退回到二维世界,不同的 3D 传感技术基于效能特性、成本结构等因素,将被应用于在不同的场域,而值得跟关注的是,这一波在 2017 年由结构光技术领头带动的风潮,在 2019 年很可能由 ToF 接棒演出。


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