这家中国独角兽打破了安卓阵营3D传感落后苹果一年以上的诅咒

  • 2018-07-25
  • DeepTech深科技


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这阵子大家一定很常听到一个词——3D 传感,打从去年苹果 iPhone X 问世,提供 Face ID人脸解锁的 3D 立体影像感测技术,就成了大热门,直到近几个月安卓阵营包括小米、OPPO 也终于跟上,发布了支持 3D 传感的产品。小米抢在 5 月公布了一款小米 8 透明探索版,强调是安卓阵营第一款 3D 传感手机,使用以色列公司 Mantis Vision 的 3D 编码结构光方案、奥地利公司 AMS 则提供红外光(IR)垂直腔面发射雷射器(VCSEL)阵列等,有网友放上开售的海报照片,显示将在 7 月 24 人开卖,一度遭网友讪笑是“PPT 造机”,反倒让 OPPO Find X 后发先至,抢了开卖的先机。

 

其实 Find X 一亮相就获得高度关注,除了机构设计有创意,采用双轨潜望结构,也就是可升降摄像头,意外扯出“照妖镜”趣闻之外,这支手机更像是汇集了近年来中国独角兽们技术之大成,像是商汤的 2 个 AI 技术:人脸 3D 重建和前置 3D 虚化,旷视 Face++ 的人脸识别应用,但在进行人脸识别之前,如何通过光学的手段获取信息,并将这些原始的数据处理成带有深度、距离的三维信息,靠的是 3D 传感硬件方案来实现,则是出自于一家位于深圳、低调的独脚兽公司“奥比中光”之手。

 

中国第一个实现 3D 传感模组量产的公司

 

早在去年 iPhone X 问世时,苹果供应链就已经传出,苹果与关键元件 VCSEL 供应商 Lumentum 签有一纸专利协议,在专利高墙的保护下,其他公司很难绕过苹果设下的门槛而使用类似的方案,知名的法国调研机构 Yole Developpement 的 MEMS 与成像技术研究主管 Pierre Cambou 就曾表示,苹果 TrueDepth 摄像机技术设立了高门槛,预计其他竞争对手可能需要超过 1 年时间才能提供可匹敌 iPhone X 的 3D 传感技术。

 

不过,这个诅咒已经被打破,OPPO Find X 于日前正式销售,让安卓阵营量产的时间提前了不少,身为供应商的奥比中光也在这一波 3D 传感浪潮中一战成名,让国内的手机公司能够在一年之内就推出实现 3D 传感的手机,断了苹果专美于前的路,更值得注意的是,在 3D 传感领域有三大巨头公司:苹果、微软以及英特尔,奥比中光作为中国第一个实现 3D 感测模组(光学镜头+发射器+ ASIC 芯片)量产的公司,带来关键零部件国产化的行业意义。

 

3D 感测技术方向

 

先简单科普一下,目前 3D 传感有三个常听闻的技术方法:


立体视觉(Stereo Vision):利用两个摄像头让 2D 图像加了深度,创造立体成像,类似人眼的原理。


飞时测距(ToF,Time of Flight),亦有人称飞行时间法:利用 LED、雷射二极体(LD)打出光源,照射到物体后光反弹回来,由于光速已知,所以能用红外光感测器量测反弹回来的时间,进而算出物体的距离。


另一个就是当今的主流的3D 结构光(Structured Light):利用 LD 等打出不同的光源图形,光接触到物体后反射回来的会是形变或扭曲的光线图形,再利用红外光感测器,判断该物体的立体结构。是苹果 Face ID、OPPO FaceKey 采用的主要技术。其中结构光包括条纹结构光、编码结构光和散斑结构光。

 

不论是从苹果或 OPPO 所公开的结构,都可以看到使用了红外光摄像头、点阵投影器(Dot Projector),其中点阵投影器有几个关键元件,如 VCSEL 、绕射光学元件(DOE)、晶圆级光学元件(WLO),WLO 又包括扩束组件、准直组件和投射透镜,进而产生出数万个“结构光点”,例如苹果打出大约 3 万个光点到用户的脸上,而 OPPO 则打出 1.5 万个光点。

 

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图|苹果 TrueDepth 相机结构

 

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图|OPPO 相机结构

 

奥比中光副总裁陈挚接受 DT 君采访时指出,在 3D 传感领域,很难有单一技术可以满足所有的场景需求,在不同的地方就会使用不一样技术,因此奥比中光在各种技术都有投入研发。但是,为什么手机最先使用结构光技术?主要在于技术成熟度、核心元器件的制造以及技术产生的效果。举例来说,“结构光具有高分辨率、高帧率的优势,现阶段 ToF 则有分辩率较低、成本较高,量产可能性还没有准备好,”他说。

 

由于手机人脸扫描需要高清度的识别,但目前 ToF 模组普遍的分辨率是 224X171,相较于结构光的 1280X800 有一大段差距,不过,ToF 仍有优点,不易受到背景强光的影响,故在户外环境表现较好。

 

绕开巨头专利凭本事

 

令外界好奇的是,在手机 3D 传感器实现大规模量产,当时就只有苹果一家,奥比中光是怎么做到安卓领域的第一、也是目前唯一的一家?简单来说,只有一件事——绕开苹果的专利。

 

大家应该都知道行业潜规则,想要跟苹果做生意,供应商很多时候都得遵守“排他”条款,技术不能给其他厂商使用,或者是某些型号的元件不能供货他人,但是 3D 感测技术较新颖且复杂,不像其他零组件有许多厂家能选择,可以供应 3D 传感关键零组件的厂商就少数几家,很难避免没有重合的部分,因此,如何回避苹果专利就得凭本事。

 

陈挚表示,作为 3D 感测模组公司,我们知道需要什么元器件、怎样的规格,“从光学镜头+发射器+ ASIC 芯片,都是我们自己设计”,一是在光学原理及技术设计找到突破口,以避开苹果的专利,二是同时做技术创新,以达到在性能上与对手旗鼓相当。

 

从技术概念来说,结构光是一项复杂的技术,涉及光学设计整体系统的优化算法又会与芯片有连动把一个你设计好的一个 Pattern(光源结构)投射出去,接触到外面的物体,反应了之后接收回来,再通过一些软件计算提取出深度。

 

这个 Pattern 可以说是各家比谁的方案比较强的重要关键!虽说结构光原理相通,但各业者都有自己的方式,设计出的 Pattern 也不尽相同,“这块可以是说专利里面很重要的一个范围”,每一家设计 Pattern 都有自己的方法,所以就看怎么设计、光学上怎么实现这个 Pattern,都会影响产生的效果。奥比中光在 3D 传感领域已申请专利近 400 件,这也是能够与苹果、微软等巨头展开竞争的一个关键。

 

OPPO 项目的挑战

 

为了实现 OPPO 这个项目可以分为三部分来谈,一是光学技术突破,毕竟 TrueDepth、Face ID 只有苹果自己知道怎么做,而结构光从过去大的东西做到小的东西,放在手机里,不光是数量级的问题,在全面屏的要求下,留给元件的空间越来越小,所以光学设计、激光衍射元件等核心元器件的设计,以及有了这些东西之后,模组怎么生产等,都是当初得克服的挑战。

 

二是手机上的应用,比如温度的变化是否会影响性能,手机摔了一下是否影响稳定性?如何维持性能、以及温度和结构的稳定性,都必须满足手机客户的要求。

 

第三部分则是算法,陈挚表示,有些难题要从算法上克服掉,硬件上面的算法会转化到芯片,所以“我们设计了专门给手机使用的 ASIC 芯片,由此独立芯片来支撑 3D 传感的工作”。像是奥比中光就专门有团队做芯片开发。他进一步解释,3D 传感使用的深度获取算法是属于光学测量领域,将其固化在芯片里,可以降低感测的功耗,维持手机的续航能力,同时还能通过此法提高手机的适配性。

 

前置有了 3D 传感,开始玩后置

 

现阶段看来,结构光方案暂时取得上风,但未来 ToF 阵营也不断努力,像是 vivo 就宣称看好 ToF 方案,并在今年世界移动通信大会(MWC)上展示了 ToF 3D 传感技术,宣称有效深度信息点与工作距离分别比结构光高了 10 倍和 3 倍,并可能在今年底推出。

 

陈挚认为,上述 3 种技术并不是完全隔离,可能会有融合应用如结构光+立体视觉。另外“TOF 也是一个非常大方向”。目前手机“前置摄像头”大部分是采用结构光方案,3D 传感进入手机必定是大势所趋,它会赋予手机越来越多功能,所以前置有了之后,“后置摄像头”会在未来的某个时间出现

 

“后置的 3D 传感就是意味着各种各样东西都可以进行扫描”,像是扫描房子、人体,帮助你去买家具、买衣服买鞋,同时帮助与 AR 做更多的结合,因此技术上得满足更多的需求,比如测量距离、使用场景的抗光、抗强光等,在这些情况下,ToF 有可能会更多参与到手机里,“后置很可能就是 ToF”,不过后置应用可能需要再过1~2 年时间,届时技术本身也会进化。

 

市场盛传苹果将在两个月后登场的年度最重要发布会上,让 Face ID 走入 iPhone 全系列机种,甚至连平板 iPad 也支持,随着苹果让人脸识别普及,不再是旗舰机种独有的功能,势必会带给安卓阵营更多的压力。预计今年年底到明年初 3D 传感手机将开始会渗透到主流机种,3D 传感商机也跟着大爆发。因此除了 OPPO 之外,预计奥比中光的方案也可能会在今年底其他品牌的机型上落地。

 

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图|奥比中光创始人兼董事长黄源浩


成立 3 年获利,又遇上了 3D 传感大潮

 

尽管现在 3D 感测大热,但在去年苹果推出 iPhone X 之前,手机行业对此技术并没有太多兴趣,陈挚回忆,“之前其实手机厂商都不太能接受这个东西,认为这个东西真的会用、这个东西靠谱?觉得太早了。一直到 2017 年下半年,明显感受到手机厂商态度转变,从观望变成非常进取。”


不过,奥比中光从 2015 年底开始投入手机摄像头的研发布局,隔年他们从行业、供应链的动态、消息里感受到有一家公司正在准备做一件大事,预测很可能是苹果要把 3D 感测放到 iPhone 里,意识到手机领域将发生大事,并且投入手机前置 3D 摄像头模组 Astra P 方案,也因为意识跟布局得早,是奥比中光能快速让技术量产、落地的原因。


而 2013 年可说是 3D 传感领域关键的一年,苹果在 2013 年收购了曾与微软一起合作制造第一代 Kinect 设备的以色列公司 PrimeSense,当时大家以为苹果为了 Apple TV 布局,结果是在 iPhone X 上大展拳脚。同年,奥比中光创始人黄源浩在深圳一间 260 平方米的办公室开始创业,师承麻省理工学院机械工程学系教授 George Barbastathis 的他,一直专注 3D 光学测量领域。


最初,奥比中光从工业领域切入,像是三维动态测量系统、工厂里零部件及整机的逆向工程和质量检测等,之后转向消费产品及机器人,包括与电视厂商跟盒子厂商搭配销售一个类似微软 Kinect 的 3D 传感摄像头。在商场的服务机器人,目前全球的机器人公司 70%以上与奥比中光有合作,在国内的服务型机器人领域,有 90%的企业使用奥比中光的 3D 结构光摄像头,可实现机器人自主导航(VSLAM)、避障、防跌落、自主跟随等功能。


2016 年奥比中光从英特尔 RealSense 手上抢下了惠普多功能计算机的订单,用户把一个物体放在该计算机的摄像头前,就能立刻 3D 扫描出该物体。奥比中光也在 2016 年开始获利。随着各种刷脸应用在国内蔚为风潮,不论是手机还是通路的刷脸支付,近一步把奥比中光推上了这一波 3D 识别的风口,今年 5 月完成由蚂蚁金服领投、超过 2 亿美元 D 轮的融资后,目前估值来到了 13 亿美元,因此,手机领域和实体通路的 3D 成像应用如刷脸支付、试衣购物,是从现在到未来几年重点推进的领域。

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