TOF深度視覺(jué)技術(shù)嶄露頭角 專業(yè)與消費(fèi)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景技術(shù)挑戰(zhàn)大不同

作為3D深度視覺(jué)領(lǐng)域三大主流方案之一，近年來(lái)ToF深度傳感技術(shù)逐漸嶄露頭角，在諸如智能手機(jī)后置攝像、VR/AR手勢(shì)交互、汽車電子ADAS、安防監(jiān)控以及新零售等多個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)始大顯身手，應(yīng)用前景十分廣闊。但由于硬件成本高昂，加之生態(tài)鏈不成熟等重要原因，目前來(lái)看ToF技術(shù)在各大領(lǐng)域的進(jìn)一步深化普及仍充滿挑戰(zhàn)。不過(guò)可喜的是，隨著各大應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)ToF深度視覺(jué)技術(shù)需求的日益增長(zhǎng)，外加越來(lái)越多的國(guó)際和國(guó)內(nèi)大廠們持續(xù)的“推波助瀾”，未來(lái)三年國(guó)內(nèi)ToF產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展將開(kāi)始加速?zèng)_刺。

需求端爆發(fā)抬高ToF市場(chǎng)熱度

隨著體感交互與控制、3D物體識(shí)別與感知、智能環(huán)境感知以及動(dòng)態(tài)地圖構(gòu)建等技術(shù)與市場(chǎng)的發(fā)展，如今各大應(yīng)用場(chǎng)景都開(kāi)始對(duì)3D視覺(jué)與識(shí)別技術(shù)產(chǎn)生日益濃厚的興趣和日益旺盛的需求，在這波勢(shì)潮的帶動(dòng)下，作為主流方案之一的ToF市場(chǎng)也開(kāi)始加速成長(zhǎng)。

以現(xiàn)階段體量最大的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槔环矫?，隨著智能手機(jī)進(jìn)入存量時(shí)代，微創(chuàng)新模式不斷持續(xù)并加速滲透，對(duì)深度攝像技術(shù)的強(qiáng)烈需求加之智能手機(jī)交互方式的不斷變化正促進(jìn)全球ToF市場(chǎng)快速擴(kuò)張；另一方面，在汽車電子領(lǐng)域，以ADAS滲透率不斷提高為代表的汽車智能化趨勢(shì)也正加速演進(jìn)，而作為激光雷達(dá)、智能攝像頭等深度測(cè)距傳感器領(lǐng)域最主流的方案，ToF市場(chǎng)也正持續(xù)受益。

技術(shù)方面，相比3D深度視覺(jué)其他兩種方案而言，ToF在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)不言而喻。舉例來(lái)講，比如在畫面拍攝后計(jì)算景深時(shí)不需要進(jìn)行后處理，即可避免時(shí)間延遲又可節(jié)省采用強(qiáng)大后處理系統(tǒng)帶來(lái)的相關(guān)成本；而且，ToF測(cè)距規(guī)模彈性大，大多數(shù)情況下只需改變光源強(qiáng)度、光學(xué)視野以及發(fā)射器脈沖頻率即可完成；此外，由于具有不易受外界光干擾、體積小巧、響應(yīng)速度快以及識(shí)別精度高等多重優(yōu)勢(shì)，使得ToF無(wú)論是在移動(dòng)端還是車載等應(yīng)用領(lǐng)域日漸成為3D視覺(jué)的首選技術(shù)方案。

3月27日，由華強(qiáng)電子網(wǎng)主辦的“第三屆智能硬件創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)互動(dòng)論壇——3D視覺(jué)與人工智能”上，上海數(shù)跡智能科技有限公司銷售經(jīng)理關(guān)利光就預(yù)測(cè)：“從2016到2021年，整個(gè)深度視覺(jué)技術(shù)的市場(chǎng)將保持40%以上的年復(fù)合增長(zhǎng)率，預(yù)計(jì)2021年有望達(dá)到100億美元的規(guī)模。其中，深度數(shù)據(jù)應(yīng)用類的市場(chǎng)將突破5000億美元，且受惠于高速增長(zhǎng)的機(jī)器人及人工智能等萬(wàn)億級(jí)應(yīng)用市場(chǎng)產(chǎn)生的大量B端需求，加之未來(lái)2年基于ToF的3D攝像頭在各大手機(jī)平臺(tái)更為廣泛的普及，我們認(rèn)為2021年國(guó)內(nèi)ToF模組的市場(chǎng)體量將達(dá)280億元，而相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)用類的市場(chǎng)也將突破2000億元左右?！?/p>

市場(chǎng)起步階段 面臨成本與生態(tài)應(yīng)用等難題

不過(guò)，就當(dāng)前國(guó)內(nèi)整體產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)來(lái)看，ToF技術(shù)要在應(yīng)用層上更進(jìn)一步仍存挑戰(zhàn)。關(guān)利光認(rèn)為，主要挑戰(zhàn)還是在于三方面，首先，由于ToF傳感技術(shù)太新，且目前的生態(tài)圈也尚未完善，主機(jī)廠們想要直接拿現(xiàn)有技術(shù)去實(shí)現(xiàn)高可靠性的應(yīng)用及產(chǎn)品頗為困難；其次，面向B端的可定制ToF板卡、模塊以及平臺(tái)都處于市場(chǎng)起步階段，市面上真正可靠且成熟的方案相對(duì)較少；最后，就是3D數(shù)據(jù)處理與建模等軟件層面的技術(shù)以及人工智能算法門檻太高的問(wèn)題。

硬件成本居高不下也是現(xiàn)階段阻礙該技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模難以擴(kuò)張的重要原因。有行業(yè)人士告訴記者：“無(wú)論是消費(fèi)級(jí)還是專業(yè)級(jí)應(yīng)用，ToF的成本問(wèn)題主要體現(xiàn)在器件的價(jià)格上，個(gè)中關(guān)鍵就在于光子探測(cè)陣列，比如目前主流ToF技術(shù)所使用的SPAD（single-photon avalanche diode）陣列。

此外，作為ToF方案中探測(cè)反射光線的核心傳感器，Sensor模塊還必須擁有極快的響應(yīng)速度，比如需要加載非常高精度的計(jì)時(shí)器（一般在皮秒級(jí)別的測(cè)量精度），1cm的距離所需要時(shí)間為67皮秒，準(zhǔn)確測(cè)量難度可想而知。對(duì)于激光器和檢測(cè)的傳感器來(lái)說(shuō)，也都需要非常高端的器件，并且在光學(xué)上也都有相當(dāng)高的技術(shù)要求。總體算下來(lái)的話，光是硬件技術(shù)上耗費(fèi)的成本就很高了，更不用說(shuō)加上軟件算法的成本，且目前能夠提供可靠硬件產(chǎn)能的廠商十分有限，這些都進(jìn)一步加劇了應(yīng)用成本企高的態(tài)勢(shì)?！?/p>

專業(yè)與消費(fèi)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景 技術(shù)細(xì)節(jié)挑戰(zhàn)大不同

除上述以外，貼近實(shí)際場(chǎng)景，ToF技術(shù)的應(yīng)用還會(huì)遭遇更多新的問(wèn)題，大多表現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗干擾能力以及靈活性等方面。比如在汽車這類的應(yīng)用場(chǎng)景中，技術(shù)層面上遭遇的挑戰(zhàn)非常多，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)更著重考量ToF傳感系統(tǒng)穩(wěn)定性、器件使用壽命、抗干擾能力以及系統(tǒng)靈活性等方面；而針對(duì)消費(fèi)級(jí)應(yīng)用市場(chǎng)，則會(huì)更看重整體方案的成本、功耗以及產(chǎn)品規(guī)格和體積大小等，對(duì)其他方面的要求并不會(huì)像汽車等專業(yè)級(jí)市場(chǎng)那般苛刻。

首先，從消費(fèi)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，隨著越來(lái)越多智能手機(jī)后置深度攝像功能的出現(xiàn)，加之手勢(shì)交互和環(huán)境定位感知漸成VR/AR等新型智能硬件的標(biāo)配，未來(lái)幾年消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域的TOF應(yīng)用及市場(chǎng)無(wú)疑將呈現(xiàn)出井噴態(tài)勢(shì)。

相比汽車等應(yīng)用領(lǐng)域而言，手機(jī)后置攝像頭以及VR/AR手勢(shì)交互、環(huán)境測(cè)量等應(yīng)用，在技術(shù)層面上面臨的性能挑戰(zhàn)難度通常要更小一些，而關(guān)注重點(diǎn)也主要是在低成本、規(guī)格大小以及功耗等方面，對(duì)于測(cè)量速度、壽命和分辨率等方面的要求并不強(qiáng)烈。

以當(dāng)下比較火熱的VR/AR手勢(shì)識(shí)別為例，ToF方案基于高功率高FPS的特性令其非常適用于這類動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，既不用打平行光束和特定的光學(xué)圖案，也不需要準(zhǔn)直鏡頭和DOE來(lái)做一些更為專業(yè)性的校正，高FPS即足以支撐ToF在動(dòng)態(tài)識(shí)別領(lǐng)域比如體感識(shí)別與手勢(shì)控制領(lǐng)域的應(yīng)用。

但對(duì)于汽車這一類的專業(yè)級(jí)場(chǎng)景來(lái)講，技術(shù)層面上的考究就相當(dāng)嚴(yán)格了。業(yè)內(nèi)某車載傳感器廠商研發(fā)總監(jiān)告訴記者：“與消費(fèi)級(jí)應(yīng)用相比，針對(duì)汽車這類的專業(yè)性很強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)景，ToF傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅需要在精度、范圍、響應(yīng)時(shí)間、分辨率、成本、功耗以及可用封裝要求之間取得平衡，而且針對(duì)不同的實(shí)際情況中出現(xiàn)的各種不可控的因素，還需要對(duì)傳感系統(tǒng)的靈活性及抗干擾性等方面進(jìn)行一些定制化的冗余設(shè)計(jì)，比如添加一些高可靠性的濾波及抗干擾器件和模塊，并加載相關(guān)的軟件算法，從而保證系統(tǒng)有足夠的能力去應(yīng)對(duì)不同類型的突發(fā)狀況。”

除此，對(duì)應(yīng)不同距離以及環(huán)境，信號(hào)處理上也需要針對(duì)性的做一些冗余，以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定及可靠性。他認(rèn)為：“比如針對(duì)長(zhǎng)距離以及短距離等不同的應(yīng)用方向，必須應(yīng)對(duì)由于距離變化而引起的干擾能量源或減少的能量反饋，以及由空氣塵粒和潮濕等環(huán)境因素而引起的波束發(fā)散等問(wèn)題。這些情況下，可能還需要設(shè)計(jì)專門的接收器信號(hào)鏈來(lái)處理低信噪比、調(diào)制以及關(guān)聯(lián)方面的要求。這些挑戰(zhàn)在汽車領(lǐng)域應(yīng)用較多的掃描式ToF技術(shù)中變得尤其突出，其中輸出能量還需要為目標(biāo)物繪制一個(gè)很長(zhǎng)的掃描帶，以保證在目標(biāo)場(chǎng)景中能夠創(chuàng)建出一個(gè)可靠且更全面的深度透視范圍?！?/p>

具體來(lái)講，以當(dāng)前熱度較高的ToF激光雷達(dá)為例，他進(jìn)一步解釋到：“現(xiàn)有的激光雷達(dá)原理無(wú)非就兩種，三角測(cè)距以及ToF法，三角測(cè)距法測(cè)試距離在10米以內(nèi)，與普通的視覺(jué)相比3D重建效果差不多，但魯棒性要更好一些；而ToF法的激光雷達(dá)雖然精度高且測(cè)距距離更遠(yuǎn)，但缺陷是技術(shù)壁壘很高，比如目前最主流的脈沖式ToF激光雷達(dá)，方案雖然比較簡(jiǎn)單直接，主要是通過(guò)發(fā)射端發(fā)射一道激光脈沖，然后再檢測(cè)激光的相關(guān)信息然后回饋給接收端，能夠較好的達(dá)到汽車領(lǐng)域快速及遠(yuǎn)距離測(cè)量的技術(shù)要求。

但該方案對(duì)于外部環(huán)境的抗干擾、環(huán)境光變化的穩(wěn)定性以及色彩識(shí)別能力相對(duì)會(huì)較差一些，測(cè)量精度也比較一般，同時(shí)由于激光加熱作用和等離子體沖擊波作用等因素，CCD器件容易造成損壞，而且三維點(diǎn)云算法的設(shè)計(jì)難度也比較高?！边@些都給方案的應(yīng)用和實(shí)施提出了新的挑戰(zhàn)，需要引起業(yè)內(nèi)各大廠商的關(guān)注和思考。

總而言之，在各類新型智能終端市場(chǎng)的持續(xù)催動(dòng)下，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)如今已然進(jìn)入了一個(gè)“大爆發(fā)”時(shí)代，我們也越來(lái)越地明顯感受到了全球各大應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)諸如ToF這類的3D深度視覺(jué)技術(shù)的日益旺盛的需求。

不過(guò)，興奮之余也應(yīng)更為理性地看待當(dāng)前的市場(chǎng)過(guò)旺的“虛火”，正如前2年火遍全球的VR市場(chǎng)一樣，編者認(rèn)為在ToF的硬件成本以及算法設(shè)計(jì)等技術(shù)門檻真正降下來(lái)之前，各大應(yīng)用市場(chǎng)還應(yīng)相對(duì)保守性地看待當(dāng)前ToF技術(shù)與各大應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)合能力及深入程度。

而對(duì)于業(yè)內(nèi)方案商們來(lái)說(shuō)，無(wú)論是針對(duì)消費(fèi)級(jí)還是專業(yè)級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)前仍需解決的基礎(chǔ)性問(wèn)題還很多，未來(lái)如何通過(guò)技術(shù)手段去真正實(shí)現(xiàn)成本、功耗、體積、速度、壽命、穩(wěn)定性以及抗干擾能力等多方面的平衡，達(dá)到一個(gè)相對(duì)目前來(lái)說(shuō)更為優(yōu)化的水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ToF視覺(jué)傳感技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中可靠性的成倍提升，才是ToF技術(shù)普及乃至整個(gè)市場(chǎng)健康發(fā)展的前提。