2017年9月，蘋果推出了全球首款搭載3D結構光技術的智能手機——iPhone X，並且以實現了3D人臉識別Face ID徹底取代了Touch ID指紋識別，隨後眾多手機大廠開始跟進，3Dsensing市場被徹底引爆。
根據第三方權威市調機構Yole的預測數據也顯示，全球3D成像和傳感器的市場規模在2016–2022年的CAGR為38%，2017年市場規模18.3億美元，2022年將超過90億美元。其中，消費電子是增速最快的應用場，2016–2022年的CAGR高達160%，到2022年市場規模將超過60億美元。
數據來源：Yole Developpement（部門：百萬美元）
相比之下德銀的數據更為樂觀，根據德銀預測，3D sensing的滲透率有望從2017年的3%提高到2018年的6%，2019年的20%和2020年的38%，搭載3D sensing的智能手機出貨量有望從2017年的3800萬部提高到2020年的6.35億部。整個市場規模有望從2017年的7億美金提高到2020年的140億美金，4年間年複合增長率高達173%。
目前，主流的3D成像技術主要有三種，分別是雙目主動立體視覺，結構光和TOF（Time Of Flight）。
從技術上來看，雙目成像雖然有著3D成像分辨率高、精度高、抗強光干擾性強、成本低等優勢，但是其缺點也非常明顯，比如其算法非常複雜、容易受到環境因素干擾、依賴環境光源、暗光場景表現不佳等。因此目前在手機上應用相對較少。
3D結構光雖然識別距離相對較短（作用距離大約0.2米到1.2米，甚至更遠一點），模組結構也比較複雜，成像容易受強光干擾，成本也相對較高，但是其通過一次成像就可以得到深度信息，能耗低、成像分辨率高，非常適合對安全級別要求較高的3D人臉識別、3D人臉支付等方面的應用。而且由於蘋果iPhone X的率先應用3D結構光技術的帶動，該技術目前已經非常成熟。
除了蘋果之外，小米8透明探索版、OPPO Find X、華為Mate20 Pro/Mate 20 RS保時捷設計等眾多旗艦機型都有採用前置結構光方案來實現3D人臉識別。
不過，由於結構光在識別距離上的限制，使得目前結構光在手機上的應用，主要局限於前置，主要用作3D人臉識別解鎖、3D人臉識別支付以及3D建模等應用，相對來說應用面較窄。
而相比之下，另一種3D傳感技術——TOF雖然3D成像精度和深度圖分辨率相比結構光要低一些，功耗較高，但是其優勢在於識別距離更遠，可以做到0.4米到5米左右的中遠距離識別，抗干擾性強，而且FPS刷新率更高，這也使得TOF技術不僅可以應用於3D人臉識別、3D建模等方面，還可適用於環境重構、手勢識別、體感遊戲、AR/VR等多方面的應用，相比結構光技術應用面更廣。
所以，自去年下半年以來，不少手機廠商都紛紛開始推出基於後置TOF 3D技術的手機新品，比如OPPO R17 Pro、vivo NEX雙屏版、華為P30 Pro、三星S10 5G版等。
總結來說，雖然在蘋果的帶動下，3D結構光技術得到了快速的商用和放量，隨後眾多安卓手機廠商的跟進，也推動了整個3D結構光產業鏈的快速成熟，可謂是佔盡了先機。但是，得益於作用距離更遠、應用面更廣，可以為智能手機帶來更多更好玩的應用體驗，TOF大有後來居上之勢。
雖然，結構光適用於近距離的3D識別，而TOF更適合於中遠距離的3D識別，雙方存在著一定的互補關係，而手機前置採用結構光，同時配備後置TOF，也確實可以給用戶帶來更好的體驗（傳聞下一代的iPhone就將配備前置結構光+後置TOF），但是這必然帶來成本的大幅上升。
而且，從實際應用來看，相對於目前主要被應用於前置的結構光來說，適應性更強的TOF除了可被用在後置之外，其也可被用於前置，也能夠與3D結構光一樣進行3D人臉識別。而且，二者的成本也相差不大，所以結構光與TOF之間既有互補關係的同時，也不可避免的存在著較大的競爭關係。那麽在智能手機應用上，3D結構光和TOF 3D誰才會笑到最後？
近期芯智訊分別採訪了奧比中光、英飛凌、ams等3D sensing領域的重要玩家，來看看他們是如何看待這個問題的。
奧比中光：結構光成熟度更高，3D掃描效果更好
作為首家量產3D結構光的國產技術方案商，在2017年蘋果iPhone X推出之前就已經在3D sensing領域有了較深的積累。而在iPhone X引爆3D sensing市場之後，2018年6月，基於奧比中光自研的3D結構光技術方案的OPPO Find X也正式發布。
雖然定價高達4999元起，但OPPO Find X在京東上首銷就取得了47秒銷量破萬台，15分鐘銷售額破億元的好成績。2018年7月24日，丘鈦科技發布的公告更是顯示，丘鈦科技拿到了OPPO的超100萬顆3D結構光模組訂單。而作為OPPO Find X的3D結構光技術方案的獨家技術供應商，奧比中光也引起了業內更為廣泛的關注。
OPPO Find X的前置3D結構光模組
值得一提的是，奧比中光的3D結構光的算法及ASIC芯片均為自研。而在3D結構光市場取得成功之後，奧比中光此前也曾透露，正在進行TOF技術的研發，而且奧比中光在3D結構光算法芯片研發上所積累的經驗也能夠很好的應用在TOF方案上。
而對於3D結構光和TOF兩者誰更具前景的問題，奧比中光手機事業部總經理胡科峰表示：“結構光和TOF都是3D傳感方案，兩者各有優缺點，並不存在誰全面壓倒誰的情況。我們不會單純去對比不同技術的優缺點，而是從手機客戶的角度出發，去分析哪種技術更適合落地到手機的應用場景裡。”
確實，對於智能手機來說，選擇一項技術，需要要考量的因素有很多，其中比較重要的是技術的成熟度和穩定性。
目前結構光落地在智能手機上的主要應用是解鎖、支付。市面上採用結構光方案做解鎖支付的有好幾家，其中iPhone X / iPhone Xs系列和OPPO Find X都是將3D人臉識別作為唯一的生物識別方案。這意味著用戶平均一天要解鎖兩三百次，就得讓結構光輸出兩三百次的深度圖，一年365天，這個使用頻次是非常高的，而且是在各種環境下使用。另外用戶的基數也非常重要，目前結構光方案的出貨量都是千萬級以上，這也意味著結構光已經能夠應對這種千萬用戶以上的高頻次應用考驗，而TOF暫無對等數據，表現還有待觀察。
“不管最終是做什麽應用，3D傳感方案的核心功能都是一樣的，就是還原現實世界的三維特徵。對現實世界三維特徵的還原能力，就成了考量3D傳感方案的重要指標之一。現實世界的物體有不同的材質和不同的輪廓，結構光在材質和輪廓的一致性方面有明顯優勢。比如一些低反射率的材質，球體，容易出現多路徑反射的複雜表面，結構光都表現出更好的適應性。”胡科峰強調：“能讓普通用戶直觀地看到這種還原能力的應用之一就是3D建模（也叫3D掃描），結構光同樣也可以應用於手機後置，用來掃描3D物體，相比TOF，結構光掃出來的物體更加的真實，掃描體驗也更好。”
當然，TOF技術也有它的優點，比如遠距離的相對精度比較好。胡科峰表示，具體得看客戶的選擇，是否TOF的優點比“技術成熟度”和“3D還原能力”更重要。同時，兩種技術都在不停的演進。而奧比中光作為3D方案的提供商，目標是致力於給客戶提供最合適的3D方案。“我們會持續鑽研含這兩種方案在內的所有3D技術，全力將最合適的3D方案提供給所有客戶。”
英飛凌：TOF前景更加廣闊
雖然從目前來看，3D結構光的方案仍是市場的主流，採用的廠商較多（比如蘋果、OPPO、小米、華為等等），出貨量也很大。但是，從去年開始，在中遠距離上適應性更強的TOF 3D技術也開始備受市場關注。不少上遊廠商也順勢推出了可用於智能手機的解決方案。
在2018年的CES展會上，英飛凌攜手pmd technologies（以下簡稱pmd）首次展示了全球尺寸最小的TOF 3D攝影頭模組參考設計，其尺寸僅為12mm x 8mm。雙方合作推出的這款TOF解決方案，包括攝影頭、圖像傳感器、軟體驅動程序、3D深度處理管道、參考設計和定製支持、模塊製造商培訓和支持資源，以及參考生產裝置設置，以便模塊製造商和原始設備製造商進行校準和測試。其中，pmd負責TOF技術研發、像素研發等，英飛凌則負責裸晶成像器、以及半導體工藝的研發，以及跟模塊供應商做配合。
值得注意的是，在CES上pmd還宣布與集成光學器件和光學成像系統解決方案供應商舜宇光學建立合作，聯合為中國及全球的移動設備OEM廠商，開發並市場化的TOF 3D傳感攝影頭解決方案。
隨後在去年8月，OPPO在上海正式發布了OPPO R17系列手機。其中R17 Pro就首次搭載了後置的TOF 3D方案，其也成為了全球首個實現TOF 3D技術商用的機型。據了解，R17 Pro的TOF模組由舜宇光學供應，而其中的圖像傳感器芯片和TOF算法或由英飛凌和pmd提供。
OPPO R17 Pro的後置三攝，最右側的是TOF 3D模組
此外，在今年2月的德國慕尼黑展會上，LG發布的2019款新機LG G8 ThinQ就採用了前置ToF 3D攝影頭，同樣也是基於英飛凌的REAL3圖像傳感器芯片和pmd的算法，可支持手機解鎖和支付識別認證。
顯然，TOF 3D方案在手機前置上的成功應用，確實會對於前置結構光方案形成了一定的衝擊。那麽英飛凌如何看待TOF與結構光之間的競爭呢？
在近日的第八屆EEVIA ICT媒體論壇上，英飛凌電源管理及多元化市場事業部大中華區射頻及傳感器部門總監麥正奇在接受芯智訊採訪時表示，結構光模組複雜度更高，而TOF則相對簡單，並且可以做到非常小巧且堅固耐用。
此外，他還表示，TOF傳感器功耗雖高，但其深度信息計算量小，對應的CPU/ASIC計算量也低，所以整體的系統級功耗也能夠得到控制。因為，TOF的每個點都可以直接提供完整的深度信息，它在傳輸出來的數據就已經是可用的，並且光速等物理信息均為已知，因此只需通過相對簡單的算法就可以將掃描對象從背景當中分離出來，獲得3D圖像。不需要像結構光那樣，需要用大量的CPU/ASIC演算取得它的深度信息和幅度信息。
再加上TOF應用面更廣，英飛凌也是堅定看好未來TOF的發展。
而在當天的論壇上，麥正奇也介紹了英飛凌此前推出的TOF 3D圖像傳感器REAL3以及與pmd合作的基於REAL3的TOF模組。
REAL3 3D圖像傳感器芯片可以實現小巧的攝影頭模塊，便於輕鬆集成到小巧的電子裝置中
據介紹，REAL3 傳感器可以直接記錄深度圖和2D灰度圖，從實現又快又準確的3D成像。而且，即使是在明媚的陽光下REAL3也可全面運作，這主要是得益於其獨專利的背景照明抑製（SBI）電路，能夠在每個像素中擴展動態。
麥正奇還表示，基於REAL3的TOF 3D模組，採用的是緊湊式攝影頭設計，不含機械部件，堅固耐用，高度的集成，可實現最小巧的攝影頭模塊和最低物料成本。在生產方面，也比結構光方案更為簡單，可輕鬆完成一次性校準，無需進行機械調準和角度調整（已經批量生產驗證的校準概念，在保證高精度的情況下，校準時間
而除了英飛凌和pmd之外，TI、松下、ADI、ams等廠商也有推出針對TOF 3D的方案。
比如去年12月vivo推出的NEX雙屏版，其所搭載的TOF 3D攝影頭模組廠為信利，其中的ToF Sensor供應商為松下，驅動芯片及算法均由ADI提供，VCSEL由ams供應。
ams：可提供全面的成熟的3D方案
作為目前在3D sensing領域布局最為廣泛也最為全面的ams（艾邁斯半導體）來說，其不僅擁有TOF、結構光、主動立體視覺等3D傳感器，還可提供其中的各種關鍵器件。
以3D結構光方案為例，ams除了可以提供關鍵的VCSEL芯片之外，ams還擁有WLO、DOE、光傳感器等基於結構光技術的關鍵器件。
此外，ams還擁有TOF 1D/2D/3D技術的完整解決方案和主動立體視覺方案，以及其中眾多關鍵器件。
ams先進光學傳感器部門執行副總裁兼總經理Jennifer Zhao在第八屆EEVIA ICT媒體論壇上也表示：“我們在3D系統領域擁有很大的優勢。我們不僅有硬體，也有軟體和相關的應用軟體。在硬體方面，我們提供的有光源、光路和先進的光學封裝裝。另外也有NIR和TOF的攝影頭；軟體方面，我們也有很多的資源以及曠視科技等合作夥伴，可以提供更全面的軟體方案。”
那麽作為目前在3D sensing領域布局最為廣泛也最為全面的技術廠商來說，ams又是如何看待TOF與結構光之間的競爭呢？
在此前的慕尼黑上海電子展期間，ams大中華區3D方案和器件產品線市場總監CK Chua在接受芯智訊採訪時表示，“每一個技術在不同的距離跟應用場景下，它的性能是存在著差異的，結構光在近距離性能最佳，對於3D人臉識別等應用來說，結構光的識別距離、深度信息、安全性和適應性都是最佳的。而TOF則更適用於中遠距離。不過，由於TOF模組尺寸相對較小，系統集成也比較簡單，所以也有被用於前置。但是，在近距離的性能上，仍然是要比結構光要差。如果是用於3D人臉識別解鎖可能沒有大問題，但是如果是用於對安全性要求更高的支付，那麽就會有一定的難度。”
Jennifer Zhao也表示，結構光與TOF各具優勢，在智能手機市場將會長期並存。“除了智能手機市場之外，未來3D sensing技術還將在智能家居、工業自動化、汽車安全駕駛等各種不同的領域應用越來越廣。我們公司的理念就是，不管客戶選擇哪種3D sensing方案，我們都有成熟的解決方案提供給客戶。”Jennifer Zhao總結說到。
小結：
從上面介紹以及三家廠商分享的觀點來看，結構光和TOF技術確實有著各自的優點，以及各自不同的更為適合的應用場景，具有一定的協同和互補特性。但是在廠商的對於方案的選擇中，需要考慮的並不僅僅是技術效果上的問題，技術成熟度、成本、集成度、生產難度、各種關鍵器件的供應穩定性等等都是需要考慮的。
目前TOF的關注熱度似乎比結構光更高，但是在技術成熟度以及出貨量上，結構光更佔優勢。
所以，我們可以看到，雖然TOF更適用於中遠距離，更適放在手機後置，但是實際上，其模組尺寸小、易集成、成本相對較低的特性，也使得其被一些手機廠商應用到了前置，來做3D人臉識別解鎖和支付。同樣，適用於短距離，適合放在手機前置的3D結構光，也可以被應用到後置，因為其能夠在3D建模上提供比TOF更高的精細度。
特別值得一提的是，智能手機的一些較為新穎的設計方案也模糊了後置與前置3D sensing的區別，比如vivo NEX雙屏版，其配備的TOF 3D，即可當做後置，也可當作前置3D sensing來使用。
此外，結構光和TOF兩種技術同時也都在繼續向前演進，各自的優劣勢也並不是一成不變的。而且，市場也並非是簡單的由技術的優劣所決定的，更重要的還是要看主流廠商的方向性選擇和引導，用戶的選擇，以及應用生態的完善。
值得一提的是，隨著結構光和TOF成本的下降，當到達一個相對舒適點的時候，可能會走向共存。比如目前的市場上，一些旗艦機在採用前置3D結構光的同時配備有屏下指紋識別。
另外在不可逆的全面屏趨勢之下，未來屏下攝影頭也將是一個新的方向。ams先進光學傳感器部門執行副總裁兼總經理Jennifer Zhao告訴芯智訊，目前ams也在進行這方面的研究，不過具體實現還需要與屏廠緊密配合。未來屏下攝影頭一旦實現，那麽前置的結構光或TOF模組或可被放置在屏下，無需在屏上開一個瀏海或打孔，而這也必將進一步推動3D sensing在智能手機上的應用。
作者：芯智訊-浪客劍
香港九龍灣馬來街興發大廈15樓D室