艾邁斯半導(dǎo)體在dToF技術(shù)上有哪些優(yōu)勢？

世界移動通信大會（MWC）期間，全球領(lǐng)先的高性能傳感器解決方案供應(yīng)商艾邁斯半導(dǎo)體（ams AG）和計算機(jī)視覺成像軟件的領(lǐng)導(dǎo)廠商虹軟ArcSoft展示了一款用于Android移動設(shè)備在3D傳感系統(tǒng)領(lǐng)域的3D直接飛行時間（dToF）傳感解決方案。會后艾邁斯半導(dǎo)體召開了線上發(fā)布會，對這款產(chǎn)品進(jìn)行了詳解解答。

文章開篇，筆者想先為大家介紹艾邁斯半導(dǎo)體。艾邁斯半導(dǎo)體主要為消費(fèi)、通訊、工業(yè)、醫(yī)療和汽車市場的客戶提供包括傳感器解決方案、傳感器IC、接口及相關(guān)軟件在內(nèi)的產(chǎn)品?？偛课挥趭W地利，在與歐司朗整合后，其旗下?lián)碛薪?0000名員工，近5500名工程師。全球大概有30個左右的設(shè)計研發(fā)中心，遍布?xì)W洲、北美、亞洲，共獲授權(quán)和申請了15000多項專利，2020年度營業(yè)收入42億美元。

艾邁斯半導(dǎo)體作為所有半導(dǎo)體行業(yè)公司中唯一一家能在傳感、照明、可視化方面提供全平臺全方案的公司，在創(chuàng)新能力上倍受認(rèn)可。其本次帶來的全新的基于VCSEL技術(shù)的3D dToF解決方案，支持即時定位及地圖構(gòu)建（SLAM）與實時3D圖像處理能力，以增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）能力。

什么是dToF？dToF有何優(yōu)勢？

目前市面上常見的3D深度方案主要包括雙目、飛行時間和結(jié)構(gòu)光三個技術(shù)方向，三種方向各有優(yōu)劣。其中ToF技術(shù)（Time of Flight）中文直翻為飛行時間，相比較雙目和結(jié)構(gòu)光方案，ToF的精度取決于其脈沖持續(xù)的時間，在精度上不會隨著距離的增長而顯著降低，所以ToF技術(shù)在不同距離的誤差相對雙目技術(shù)和結(jié)構(gòu)光技術(shù)更加穩(wěn)定，在遠(yuǎn)距離也有著更好的精度。

ToF技術(shù)又可分為iToF間接飛行和dToF直接飛行，其中iToF通過發(fā)射特定頻率的調(diào)制光，檢測反射調(diào)制光和發(fā)射調(diào)制光之間的相位差測量飛行時間。目前 iToF分傳統(tǒng)的 iToF和 SPAD兩種， iToF是用相位測量距離，因此距離越遠(yuǎn)，測量精度越低。iToF在芯片的工藝和產(chǎn)業(yè)鏈雖然已經(jīng)趨于成熟，但達(dá)到的效果并不是很完美。

而dToF通過直接向測量物體發(fā)射一個光脈沖，然后測量反射光脈沖和發(fā)射光脈沖之間的時間間隔，從而得到光的飛行時間，從而取得待測物體的深度。在激光功耗、抗干擾、遠(yuǎn)距離精度等方面相較于iToF有著明確的優(yōu)勢。但dToF在工藝和生產(chǎn)鏈中均離成熟尚遠(yuǎn)，所以仍需較長時間的打磨。

dToF的未來應(yīng)用場景如何？

3D產(chǎn)品線的高級市場經(jīng)理Sarah Cheng表示：“3D ToF技術(shù)因為其結(jié)構(gòu)簡單、探測距離更遠(yuǎn)、精度更高更穩(wěn)定等特性優(yōu)勢，使手機(jī)后置3D相機(jī)的應(yīng)用場景更加多元化。ToF鏡頭主打的虛擬現(xiàn)實功能將在線上虛擬購物、虛擬游戲等體驗方面起到良好的作用。”

Sarah Cheng介紹到，在有用的距離和環(huán)境光范圍內(nèi)提供高精度、低噪聲、高可信度的深度信息是沉浸式AR的基礎(chǔ)。在室內(nèi)以及室外環(huán)境光條件下達(dá)到3-5米以上的距離，在這樣的距離范圍，尤其是在室外強(qiáng)光照條件下，只有dToF可以滿足這樣的要求。

從技術(shù)層面來說，iToF在真實場景中受限于存在復(fù)雜的漫反射甚至鏡面反射，會使得測量值變大，嚴(yán)重影響了3D重建的效果。另外iToF往往采用泛光投射，它和遠(yuǎn)距離和高精度這一對矛盾在原理上很難調(diào)和。

dToF由于直接測量飛行時間，它的誤差在正常工作范圍內(nèi)不隨距離而變化，并且受到多境等因素的干擾較小，在精度、距離、功耗及抗干擾能力等關(guān)鍵參數(shù)上都優(yōu)于iToF，在遠(yuǎn)距離、復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用有優(yōu)勢。

Sarah Cheng表示，ams dToF系統(tǒng)比市面上已有的iToF系統(tǒng)可覆蓋的范圍更廣，在3D渲染過程中渲染速度比iToF更快，覆蓋范圍更廣，在三維重建過程中對于整個系統(tǒng)運(yùn)行的時間和算法運(yùn)行的時間就會有一個非常大的優(yōu)勢。其次，它對于平面，也就是它的特征管理相對較少的情況下，表現(xiàn)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于iToF。

dToF在3D渲染過程中可提供更高質(zhì)量的深度圖，從而達(dá)到更精細(xì)的3D網(wǎng)格細(xì)節(jié)，同時使用高質(zhì)量的深度圖進(jìn)行掃面，以精準(zhǔn)還原對象的形狀，而且可以輸出即時深度，這些都為高質(zhì)量的場景重建奠定了基礎(chǔ)，成為AR應(yīng)用的一個重大關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)。

除應(yīng)用于智能手機(jī)市場外，現(xiàn)在3D在工業(yè)領(lǐng)域上和汽車領(lǐng)域也都開始了廣泛的應(yīng)用。大中華區(qū)應(yīng)用市場總監(jiān)Bing Xu博士表示：“dToF最大的優(yōu)勢就是它的測量精度不隨距離改變，而車載基本上要用到100米以外甚至200-300米，dToF的技術(shù)就非常適合車載。除此之外還有安防，我會說安防這塊并不是只局限于我們目前認(rèn)知的安防裝幾個安全攝像頭，安防包括所有的各種各樣跟安全相關(guān)的，包括比如我們馬路上的，馬路上車來車往的，對車進(jìn)行實時的監(jiān)測，比如交通監(jiān)測方面，還有電子消費(fèi)領(lǐng)域，比如我們刷臉，現(xiàn)在刷臉用的基本上是iToF或者結(jié)構(gòu)光的方案，我覺得dToF也是大有一展身手的空間。太多了，還有智慧居家等等，你回到家里面它馬上就能感知到有人進(jìn)到這里面來，比如你家里冬天冷了夏天熱了需要開空調(diào)，家里可能有三四個人，就根據(jù)這三四個人的分布來調(diào)節(jié)燈光，來調(diào)節(jié)空調(diào)室內(nèi)的溫度，等等等等，太多太多了?！?/p>

艾邁斯半導(dǎo)體在dToF技術(shù)上有哪些優(yōu)勢？

據(jù)了解，在ams集團(tuán)的產(chǎn)品平臺里面有著全套的各種各樣的光源產(chǎn)品，從光源發(fā)射器再到光學(xué)組件和微模組。3D dToF的方案實際上也就是從一個發(fā)射器光學(xué)器件、模組和一些算法和感測器綜合結(jié)合的一個組成。ams在3D傳感領(lǐng)域有著非常深入的學(xué)術(shù)研究和豐富的量產(chǎn)經(jīng)驗。針對3D系統(tǒng)的解決方案，包括光學(xué)器件、VCSEL等零部件，到模組封裝以及系統(tǒng)集成，包括集中涉及的各種算法及軟件，都成為ams提供差異化解決方案的重要基石。

ams憑借著其獨有的在各個構(gòu)件模塊的差異化技術(shù)，從光學(xué)器件到VCSEL再到自主封裝和獨到的人眼安全集成加上自主系統(tǒng)設(shè)計以及中間件和算法，推出ams自主研發(fā)的完整的3D dToF解決方案。

ams dToF解決方案是一套完整的技術(shù)堆棧，包含了高功率紅外垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列、點陣光學(xué)系統(tǒng)和高靈敏度單光子雪崩光電二極管（SPAD）傳感器；ArcSoft中間件針對艾邁斯半導(dǎo)體光學(xué)傳感器系統(tǒng)的特點進(jìn)行了優(yōu)化，并結(jié)合RGB攝像頭的輸出，將深度圖轉(zhuǎn)換為精確的場景重建。ArcSoft軟件還將3D圖像輸出與移動設(shè)備的顯示屏相結(jié)合，提供更身臨其境的增強(qiáng)現(xiàn)實體驗。

整個系統(tǒng)分為兩個模組，一個是高功耗的照明模組，而另外一個是SPAD 3D 攝像模組，手機(jī)廠商設(shè)計整個系統(tǒng)的時候，有更多的靈活性在主板上去做零部件的排位和設(shè)計，這樣它們的靈活性會更高。

ams dToF的解決方案在差異化上的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：第一，它在所有光強(qiáng)條件下（強(qiáng)光，弱光，室內(nèi)，室外，較復(fù)雜的環(huán)境光等），在恒定分辨率下可實現(xiàn)較大的距離檢測范圍和較高的（不變的）距離檢測精度。第二，它具有一流的高環(huán)境光抗擾性，其峰值功率比目前市面上提供的3D ToF解決方案高出20多倍，它可以在室外強(qiáng)光的環(huán)境下仍然保持非常好的精度和性能。最后，它針對移動設(shè)備優(yōu)化了最低的平均功耗，比如說像房間典型的3米掃描距離內(nèi)，在大約30幀/秒的運(yùn)行情況下可以達(dá)到最低平均功耗。

作為市面上現(xiàn)有的唯一一個dToF全套系統(tǒng)供應(yīng)商，ams其完整的3D dToF技術(shù)堆棧可以最大限度地降低手機(jī)廠商集成的復(fù)雜度和工作量，同時達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化。艾邁斯半導(dǎo)體傳感、模塊和解決方案業(yè)務(wù)線高級副總裁Lukas Steinmann表示：“我們預(yù)見，從2022年開始，高端Android移動設(shè)備將會更大范圍地采用3D dToF技術(shù)來改善后置AR用例和圖像增強(qiáng)功能。ams很榮幸能與ArcSoft合作，在這個市場上占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。通過結(jié)合雙方互補(bǔ)的一流技術(shù)，我們將共同為高端移動平臺用戶提供更優(yōu)化的AR用戶體驗。”
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