2021年03月03日 | 突破ToF技术瓶颈，ams 3D dToF方案问市

目前，3D深度方案主要包括双目、ToF飞行时间（Time of Flight）和结构光三大技术方向。ToF技术有两大路线: dToF(直接飞行时间，direct-ToF)和iToF(间接飞行时间，indirect-ToF)。dToF直接测量飞行时间，原理是通过直接向测量物体发射光脉冲，并测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔，得到光的飞行时间，从而直接计算待测物体的深度。iToF则是通过发射特定频率的调制光，检测反射调制光和发射的调制光之间的相位差，测量飞行时间。虽然之前不少安卓旗舰智能手机已经搭载了ToF 3D摄像头，但是基本都是基于iToF技术，比如华为Mate30、vivo NEX等机型，很少有dToF应用的机型，但随着iPhone12和iPad Pro浴霸双摄率先搭载了dToF激光雷达之后，dToF技术再一次引起来厂商的关注。

当前ToF行业现状来看，iToF在芯片工艺和产业链是虽然已趋于成熟，但效果并不完美，因为其精度会受测量距离影响，距离限制在5米以内，从而导致其应用体验不佳。dToF技术在激光功耗、抗干扰、远距离精度等方面有着明显优势，是远距离应用的绝佳候选。但在工艺和生产链中均离成熟尚远，同时也面临着一系列挑战，它需要在芯片设计、系统设计、制造工艺等方面全面突破，才能真正发挥潜能，实现在消费场景的普及。也正因为此，至今仍鲜有安卓手机厂商可以在其手机平台上加载3D dToF技术。如今这一技术难题有了新的突破。

近日艾迈斯半导体（ams）凭借在各个构件模块的差异化技术，并联手计算机视觉成像软件厂商虹软科技（ArcSoft），推出了自主设计的完整3D dToF解决方案。为手机厂商扫除其面临的一系列技术挑战，可以在最短的时间内推出搭载3D技术的手机。来自ams的3D感知资深市场经理Sarah Cheng为我们介绍了这款3D dToF解决方案是如何为安卓手机厂商带来全新的3D体验。

ams dToF解决方案是一套完整的技术堆栈，包含VCSEL阵列、点阵光学系统和SPAD传感器，这保证了远距离下在户外的最佳性能，而其点阵光学系统确保了整套方案的低功耗效果；灵活的嵌入式处理架构和完全校准的深度图像输出可以最大减少手机厂商的集成工作量。

ams dToF解决方案亮点体现在：

1.在所有光强条件下（强光，弱光，室内，室外，较复杂的环境光等），在恒定分辨率下可实现较大的距离检测范围和较高的（不变的）距离检测精度。

2.具有一流的高环境光抗扰性，其峰值功率比目前市面上提供的3D ToF解决方案高出20多倍，可以在室外强光的环境下仍然保持非常好的精度和性能。

Sarah介绍，整个系统分为两个模组：高功耗的照明模组和SPAD 3D 摄像模组。“把两个模组分开的好处是，当手机厂商设计整个系统的时候，他们在主板上去做零部件排位和设计的时候，灵活性会更高。”

ams dToF系统比市面上已有的iToF系统可覆盖的范围更广

iToF和dToF对于细节的处理方面的表现：dToF明显在墙角方面的过渡包括3D网格渲染精度优于iToF，iToF可能就会有一些误差，其误差将会比较高一点。

VCSEL技术赋予dToF更强的深度图像处理能力

ams dToF解决方案的独特性不仅在于它是一套完整的系统，而且ams特有的激光架构和独特的VCSEL技术，也为整套系统的高性能奠定了基础。细观整套系统，它基于ams自有IP的一个点阵发射器，这确保了系统的高功耗。其次ams自主研发生产的大功率VCSEL技术为整套系统提供了极高的峰值功率的能力，大大提高了系统的环境光抗扰性。而系统搭载的VCSEL驱动系统针对超短脉冲的优化，连续保证了远距离、高精度的同时，也降低了EMI辐射。最后ams利用其特有的封装设计使整套系统的传热性能达到最优化，同时也在dToF系统层面集成了人眼安全特性，增加了最终平台的人眼安全等级。

ToF：手机圈的下一个风口

如今伴随着疫情的影响，人们消费及生活方式加速向线上转变，ToF镜头主打的虚拟现实功能将在线上虚拟购物、虚拟游戏等体验方面起到良好作用。日益增长的线上需求将会进一步激发，未来会有更多内容厂商加速推动AR/VR的发展。而3D ToF技术也因为其结构简单、探测距离更远、精度更高更稳定等特性，使手机后置3D相机的应用场景更加多元化，也极大改善了其在特定极端应用场景，比如在低光环境下的快速自动对焦的亮点是增强用户拍照体验的重要特性之一。

那么AR对于3D感知摄像头的分辨率、功耗、距离有多高的要求？

Sarah表示，后置3D感知应用主要分为影响，扫描，增强现实和自动对焦这四类，从左到右其对分辨率的要求递减，同时也对低功耗的支持要求增加。以最近最流行的增强现实AR为例，对低功耗和远距离变成了更加重要的技术指标，而相比较之下对于分辨率的要求其实并非那么高。

dToF 将是未来AR的主力支撑技术

什么样的3D技术才能支持更沉浸式的AR体验？Sarah列举了三个技术指标：

1. 高质量的深度图

2. 低功耗操作

3. 稳定的帧率

较之，iToF已经被大多数人熟知，而且也已被相当一部分手机采用。但在实际应用中发现iToF技术面临着诸多的挑战，在复杂多变的真实环境中，会给深度测量引入了大量的干扰和噪声，这也是为什么iToF技术虽然已有数十年的时间，但实际应用却十分有限。iToF最大的局限是多径干扰，在真实场景中存在复杂的漫反射甚至镜面反射，而多径干扰会使得测量值变大，严重影响3D重建效果。另外iToF往往采用泛光投射，它和远距离和高精度这一对矛盾在原理上很难调和。

但是dToF在正常工作范围，误差不随距离而变化，并且收到多径等因素的干扰较小，在远距离、复杂环境的应用有很大的优势，此外，在精度、距离、功耗及抗干扰能力等关键参数上都优于iToF，而这些正是像AR这样的热门应用对3D视觉技术的要求。所以dToF是远距离应用的一个关键技术。

四大技术支柱构成三大平台核心竞争力

ams与欧司朗整合后，实力不容小觑。此前，ams的业务构成以消费电子为主导，合并后汽车、工业和医疗等领域占比均有所上升。ams大中华区销售和市场高级副总裁Pinglu Chen介绍到，传感、照明、可视化是ams三大核心技术平台。Pinglu：“特别在iToF、AR/VR以及5G带来的以云应用为基础的AI演进都离不开数据采集与传输，更不开传感器，其中光学基础的传感器是一个最直接最基本的单元。”

ams在3D传感领域有着很深的造诣，其自主设计生产的VCSEL在光空像上表现优于同类产品。光源发射器、光学器件+ 微型组件、感测器、集成电路+ 算法，是ams的核心技术。就是这四大技术支柱构成了在传感、光源和可视化领域上的三大技术平台的核心技术竞争力。此外，ams还具有微型化封装和独到的人眼安全集成工艺，加上自家的系统设计和与平台供应商的合作，通过每个构件块中的差异化产品结合，也构成了ams独特的3D系统产品。

下一波移动终端创新势必将围绕 AR 进行创新，这也必然会推动 ToF 产业的发展。随着高端消费电子领域的发展和延伸，我们也相信dToF技术将进入快速迭代的发展阶段，随着工艺和产业链的成熟，无论是dToF还是iToF，其优势也会逐步释放，有望成为智能手机摄像头的下一个风口。