根據諮詢機構Yole Développement的預測，受益於消費電子市場可預見的爆發式增長，3D成像與傳感的市場規模將從2016年的13億美元增長至2022年的90億美元，其中用於消費電子的3D成像與傳感市場將從2016年的2000萬美元增長至2022年的60.58億美元，複合年均增長率(CAGR)達到158%。
2011-2022年全球3D成像與傳感市場收入預測
而比“驚人的”預測數據更有說服力的則是產品走入消費市場。
2017年，蘋果公司在iPhone X中去掉Touch ID功能，轉而採用3D傳感技術的Face ID。今年，Android陣營廠商也陸續開始探索類似的3D傳感技術。
現階段，3D攝像頭演進出了三條主流技術路線：結構光(Structured light)、飛行時間(TOF, Time of Flight)和雙目視覺技術(Stereo Vision)。技術上雖各有千秋，但終極目的是相同的——構建一個3D的生態帝國。
帝國之前——選什麼槍炮，又從哪找彈藥？
不同於過去的“百萬像素戰爭”，大多數智能手機從業者可能會在3D傳感技術這條新戰線上打得更辛苦。
首先是方案的選擇問題。從技術角度來看，3D結構光成像原理，是結構光投射特定的光信息到物體表面後，由攝像頭採集反射信息，然後再根據物體造成的光信號的變化來計算物體的位置和深度等信息，進而復原整個三維空間。該技術優勢在於技術成熟，深度圖像分辨率比較高，但缺點是容易受光照影響。
而TOF成像原理，是發射一束經過相位調製的紅外激光到被測物體，當紅外激光被反射回攝像頭時，會因為光飛行時間的延遲，導致相位與發射時的相位有微小的變化，通過計算相位的變化，就可以計算出被測物體到攝像頭之間的距離。TOF方案基本不需要使用光學稜鏡，抗干擾性能好，視角更寬，不足是深度圖像分辨率較低。而且目前TOF方案實現AR功能的體驗並不太理想，業內人士分析認為這與設備不想佔用太多CPU資源從而降低運行速度有關。
雙目視距則利用雙攝像頭系統，通過兩個攝像頭的夾角形成3D圖像，原理類似人眼。目前雙攝像頭基本已經和快充一樣成為手機的標配，所以這一方案理論上成本應該最低。但整體系統的複雜性、高功耗、不理想的暗光環境表現，以及低精度卻會帶來較大的侷限性。聯想曾在支持Project Tango的Phab2 ProAR手機上嘗試類似的方案，但體驗並不樂觀。
雙目視覺、結構光和飛行時間技術對比
其次，更重要的是3D傳感系統極高的複雜性以及關鍵組件的生產問題。因為3D攝像頭包含眾多需要運作一致的零組件，還需要充分的供應鏈管理。有人甚至將3D攝像頭形容為“一堆子裝置(sub-devices)”。
與傳統攝像頭產業鏈相比，3D攝像頭產業鏈新增加了“紅外光源+光學組件+紅外傳感器”等部分，這使得垂直腔表面發射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)、準直鏡頭(WLO)、光學衍射光柵(DOE)等一躍成為核心器件。雖然3D攝像頭早期一般使用LED作為紅外光源，但LED不具有諧振器，導致光束更加發散，而VCSEL在精確度、耦合性、小型化、低功耗、可靠性方面都更有優勢，所以現在常見的3D攝像頭系統均採用VCSEL作為紅外光源。
有分析機構認為3D傳感技術在Android陣營的大規模普及可能要到2019年，主要因為現階段3D感測模組的生產良率偏低：第一，高效率VCSEL組件生產不易，目前平均光電轉換效率僅約30%；第二，結構光技術的必要組件DOE以及紅外光鏡頭的CIS，都需要極高的技術底蘊；第三，3D感測模組生產過程需考慮熱脹冷縮的問題，提高模組組裝的困難度。
帝國第一步——設計一臺支持3D結構光的手機
Find X 3D結構光相機的組成部分
6月19日OPPO Find X橫空出世，和雙軌潛望結構一樣引人注目的則是集成在這一結構中的OPPO FaceKey 3D結構光系統。5月初，OPPO就曾宣佈過將在6個月內將結構光商用在OPPO手機中。而很多人沒想到的是，OPPO竟會在一個月內就發佈產品。這讓OPPO收穫了很多“第一”的名號。但更重要的是，OPPO讓整個產業的大規模量產時間表提前了一年。
OPPO FaceKey 3D結構光
要在半年時間內完成包括結構光發射端、接收端和結構光解碼芯片在內的整個硬件方案的選型、預研、試產和驗證工作，同時快速攻破結構光模組選型、基線選型、結構光深度圖出圖、深度圖校準、深度相機與RGB相機校準、人臉安全方案驗證等重重難關，OPPO面臨的硬件開發難度可想而知。
與硬件方案同樣難啃的，是軟件方案的設計。安全人臉框架與方案的核心，包括硬件出圖、圖像校正、網絡算法驗證等，必須全部運行在安全的TEE環境中，以解決人臉信息、支付環境和算法的安全性。但在OPPO之前，3D人臉算法在國內無成熟經驗可借鑑。在算法自研剛啟動時，OPPO算法團隊在3D數據、服務器環境、算法方案上也均是零經驗。
然而在隨後短短的3個月內，OPPO算法團隊與硬件團隊使用結構光硬件完成了10萬人次的3D人臉數據採集，人臉數據分佈覆蓋全球，並在此期間完成了500TFlops大型訓練服務器的搭建。同時，為了達到百萬分之一的誤識精度，OPPO還與AI算法公司曠世與商湯深入探討了3D人臉識別算法，並在人臉檢測、人臉識別與活體檢測算法上形成了一套屬於自己的算法方案。
OPPO 3D人臉支付所包含的安全技術
最終，通過4輪硬件方案迭代和10輪人臉算法迭代訓練，OPPO成功完成了現今頂級體驗的結構光方案。對比數據顯示，在單張深度圖3D渲染、3D渲染精度、抗強光以及50cm-70cm距離識別方面，OPPO Find X方案較iPhone X更為成熟；在20-50cm距離識別、功耗、分辨率、幀速、體積等方面也毫不遜色。而國內首例3D人臉識別算法的面世，也標誌著OPPO在技術研發領域已經是業界一個不可忽略的力量。
除了OPPO，安卓生態其他廠商也在摸索3D成像的技術未來。與Find X同期，小米在小米8發佈會上推出了小米8探索版，在異形屏的劉海區集成了3D結構光系統。而就Find X發佈後不久，vivo也在上海MWC期間演示了其ToF方案。
帝國發展——3D數據要安全到可以用於支付
生物識別技術最重要的因素就是安全，不應該有“之一”。這也是3D結構光人臉認證相較於2D人臉識別最大的優勢之一。雖然後者在過去一年也成為手機發佈會上必提及的功能，但以算法為主要實現方式的2D人臉識別雖然實現了非常極速的解鎖速度，依然面臨非常嚴重的安全問題。一些評測機構甚至發現僅僅通過用普通打印機打印一張A4的照片就可以解鎖很多2D人臉識別的手機。
比設備被解鎖更嚴重的，則是個人信息的安全性。這一方面指私人的敏感數據，包括個人身份信息、以及像銀行卡號、密碼等財務信息；另一方面則是是生物信息自身，比如說指紋數據以及面部信息。銀行卡丟失還可以補辦改密碼，但是指紋或者面部信息一輩子也無法更改，外洩之後的風險是永久的。因此，這也是支付機構如果要支持人臉或者指紋認證的時候，必須要經過非常嚴苛認證過程的原因。
從另一個角度來說，支付機構對3D結構光技術認可，一方面是可以對這一技術的安全性背書，另一方面則是肯定這一技術未來能否普及的重要因素。所以技術OPPO在Find X上支持支付寶刷臉支付的意義就更加重大了。
Find X和支付寶的合作，是OPPO與螞蟻金服達成的戰略合作伙伴關係的一部分。除了支付以外，雙方還將成立聯合創新實驗室，探索硬件和軟件底層技術的深度整合，比如支持OPPO手機上支付寶的性能優化和高頻支付場景的一步直達。
OPPO產品經理李勝在Find X發佈會介紹與螞蟻金服的合作
在聯合創新實驗室的推動下，Find X就可以做到一上市即可支持支付寶的人臉支付。以結構光為硬件基礎，並結合OPPO基於深度學習的人臉智能識別自研算法，3D人臉支付可以精確比對用戶錄入與識別的信息，將誤識別率控制在百萬分之一的支付精度，遠高於當前約為五萬分之一的指紋識別誤識別率。用戶可以期待在未來更多OPPO手機中利用這一技術，放心地用面部替代指紋、密碼或PIN碼作為移動支付應用的主要驗證方式。
帝國初現——打通端到端的3D數據流通
3D結構光技術獲得的3D數據如果只用於解鎖和支付，那麼對豐富數據的利用顯然不夠充分，手機廠商也不會只停留在這一層面。所以，雖然iPhone X和Find X 3D結構光目前給用戶帶來了安全又新奇的體驗，但更有意義的則是兩家廠商對整個3D數據潛在佈局的想像。
就在Find X發佈前不久的5月，OPPO宣佈成功實現全球首個採用3D結構光技術的5G視頻通話演示。通過OPPO手機的結構光系統採集3D數據，利用高通的5G新空口終端原型機，最終在遠端接收顯示器實現三維人像畫面的還原。
3D視頻通話
在6月的WWDC 2018上，蘋果除了重點介紹ARkit 2，更隆重推出“USDZ”的3D文件格式。有開發者評論稱“這一成就堪比秦始皇統一六國之後實施的‘車同軌’，這種3D文件格式讓跨App間的3D數據傳輸成為可能。”就在這一發佈會上，蘋果演示了同一組3D圖像可以在Safari、新聞以及是相機中跨應用呈現。從去年第一次在iPhone X上搭載3D成像系統，到今年發力3D圖像的呈現場景，不難看到蘋果在這一技術領域的佈局。
作為計算機視覺的一個分支，3D成像功能提供了底層的技術能力，並由此讓設備具備了增強現實(AR)、3D人臉這些新功能，而這些新功能又賦能了經典的SoLoMo業務以及新興的短視頻、直播、遊戲等等業務，給予用戶新鮮的體驗。除了之前重點談及的安全支付外，三維重建、AR和遊戲將極有可能成為未來通過3D結構光技術實現的突破性應用場景。
以AR應用為例，在3D AR遊戲中，利用結構光對周圍的環境進行精確3D建模，將模型實時導入遊戲中，實現虛擬遊戲與現實三維世界的緊密融合，實現逼真的三維效果。或是通過精確的結構光雙攝相機拍攝的三維信息，可以實現精確的AR帖子與微表情效果。Gartner預測到2021年，40%的智能手機將會配備可用於AR的3D攝像頭，分析師Jon Erensen甚至表示，“這種功能對AR來講非常重要，我認為那是一種你絕不想落在後面的事情。”
OPPO Find X發佈會介紹3D結構光應用場景
所以我們看到蘋果和OPPO都在佈局AR。前者在近兩年的WWDC都把ARkit作為重點之一來介紹；後者也聯合商湯科技、浙江大學CAD&CG國家重點實驗室攜手打造出名為ARunit的開發平面，能夠支持即時定位與地圖構建(SLAM)、多平面恢復、非平面表面上放置虛擬物體、平面標誌識別、光照估計、地圖保存與狀態設置、遮擋處理等特性，可以幫助開發者打造出新一代的全新AR應用。自3月19日發佈，已吸引了包括京東、王者榮耀13家合作伙伴產品的入駐，並預計在2018年全年為8000萬臺OPPO手機提供AR支持。
OPPO ARunit
在OPPO看來，移動互聯網正在模糊現實世界和數字世界的邊界。虛擬圖像+虛擬圖像、虛擬圖像+實景圖像、實景圖像+實景圖像的兩兩結合將帶來泛在現實(Ubiquitous Reality, UR)的全新一代用戶體驗。這遠不是我們今天所看到的VR、AR這麼簡單，而未來真正進一步推動沉浸式用戶體驗的，將是3D內容和“即將來臨”的5G。因此，通過主動式結構光感知目標物體位置和深度信息，對整個三維空間實現高分辨率、高精確度的復原，然後通過低延遲5G網絡對3D視頻進行實時傳輸，將成為下一代移動用戶體驗泛在現實的關鍵。
在5G網絡下實現3D視頻通話
通俗點說，OPPO是打算利用5G網絡高速率的特性，來支撐3D視頻信號的大數據傳輸，從而給用戶提供全新的通話體驗。這顯然不再僅僅只是二維層面的視頻通話，而是在一個立體空間展示下得到的視頻通話體驗。雖然現在因為顯示技術的侷限性，並不能直接呈現3D數據，但可以看到的是未來在3D數據呈現端的技術發展到位之後，我們就可以體驗科幻作品中的“全息投影”一樣的數字生活。
總結
3D影像技術確實已經成為諸多手機廠商的技術發展重點方向，其重要性在未來可能不亞於5G和AI。但因為技術應用規模化的問題，目前除了解鎖和支付，還沒有出現全新的殺手級應用。
廠商們普遍認為成本高、良率等問題會導致3D傳感攝像頭在2018年只適用於售價高於3000元的旗艦機型中，但從2019年初開始，會與指紋、雙攝等技術一樣，成為2000元以上智能手機的標配，而到2020年，覆蓋面將進一步擴大，千元機型配備3D傳感攝像頭將不是一件令人驚訝的事情。
3D傳感攝像頭市場滲透預估
而隨著3D技術在智能手機這一最大消費電子市場中的廣泛應用，應用場景必然會更加豐富。屆時，OPPO和蘋果的3D帝國又將表現出怎樣的活力？
閱讀更多 EET電子工程專輯 的文章
