根據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)Yole Développement的預(yù)測，受益于消費(fèi)電子市場可預(yù)見的爆發(fā)式增長，3D成像與傳感的市場規(guī)模將從2016年的13億美元增長至2022年的90億美元，其中用于消費(fèi)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，復(fù)合年均增長率(CAGR)達(dá)到158%。

2011-2022年全球3D成像與傳感市場收入預(yù)測

而比“驚人的”預(yù)測數(shù)據(jù)更有說服力的則是產(chǎn)品走入消費(fèi)市場。

2017年，蘋果公司在iPhone X中去掉Touch ID功能，轉(zhuǎn)而采用3D傳感技術(shù)的Face ID。今年，Android陣營廠商也陸續(xù)開始探索類似的3D傳感技術(shù)。

現(xiàn)階段，3D攝像頭演進(jìn)出了三條主流技術(shù)路線：結(jié)構(gòu)光(Structured light)、飛行時(shí)間(TOF, Time of Flight)和雙目視覺技術(shù)(Stereo Vision)。技術(shù)上雖各有千秋，但終極目的是相同的——構(gòu)建一個(gè)3D的生態(tài)帝國。

帝國之前——選什么槍炮，又從哪找彈藥？

不同于過去的“百萬像素戰(zhàn)爭”，大多數(shù)智能手機(jī)從業(yè)者可能會在3D傳感技術(shù)這條新戰(zhàn)線上打得更辛苦。

首先是方案的選擇問題。從技術(shù)角度來看，3D結(jié)構(gòu)光成像原理，是結(jié)構(gòu)光投射特定的光信息到物體表面后，由攝像頭采集反射信息，然后再根據(jù)物體造成的光信號的變化來計(jì)算物體的位置和深度等信息，進(jìn)而復(fù)原整個(gè)三維空間。該技術(shù)優(yōu)勢在于技術(shù)成熟，深度圖像分辨率比較高，但缺點(diǎn)是容易受光照影響。

而TOF成像原理，是發(fā)射一束經(jīng)過相位調(diào)制的紅外激光到被測物體，當(dāng)紅外激光被反射回?cái)z像頭時(shí)，會因?yàn)楣怙w行時(shí)間的延遲，導(dǎo)致相位與發(fā)射時(shí)的相位有微小的變化，通過計(jì)算相位的變化，就可以計(jì)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(xué)棱鏡，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(shí)現(xiàn)AR功能的體驗(yàn)并不太理想，業(yè)內(nèi)人士分析認(rèn)為這與設(shè)備不想占用太多CPU資源從而降低運(yùn)行速度有關(guān)。

雙目視距則利用雙攝像頭系統(tǒng)，通過兩個(gè)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(jīng)和快充一樣成為手機(jī)的標(biāo)配，所以這一方案理論上成本應(yīng)該最低。但整體系統(tǒng)的復(fù)雜性、高功耗、不理想的暗光環(huán)境表現(xiàn)，以及低精度卻會帶來較大的局限性。聯(lián)想曾在支持Project Tango的Phab2 ProAR手機(jī)上嘗試類似的方案，但體驗(yàn)并不樂觀。

雙目視覺、結(jié)構(gòu)光和飛行時(shí)間技術(shù)對比

其次，更重要的是3D傳感系統(tǒng)極高的復(fù)雜性以及關(guān)鍵組件的生產(chǎn)問題。因?yàn)?D攝像頭包含眾多需要運(yùn)作一致的零組件，還需要充分的供應(yīng)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(tǒng)攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈相比，3D攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈新增加了“紅外光源+光學(xué)組件+紅外傳感器”等部分，這使得垂直腔表面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)、準(zhǔn)直鏡頭(WLO)、光學(xué)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(dǎo)致光束更加發(fā)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(yōu)勢，所以現(xiàn)在常見的3D攝像頭系統(tǒng)均采用VCSEL作為紅外光源。

有分析機(jī)構(gòu)認(rèn)為3D傳感技術(shù)在Android陣營的大規(guī)模普及可能要到2019年，主要因?yàn)楝F(xiàn)階段3D感測模組的生產(chǎn)良率偏低：

第一，高效率VCSEL組件生產(chǎn)不易，目前平均光電轉(zhuǎn)換效率僅約30%；第二，結(jié)構(gòu)光技術(shù)的必要組件DOE以及紅外光鏡頭的CIS，都需要極高的技術(shù)底蘊(yùn)；第三，3D感測模組生產(chǎn)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(shè)計(jì)一臺支持3D結(jié)構(gòu)光的手機(jī)

Find X 3D結(jié)構(gòu)光相機(jī)的組成部分

6月19日OPPO Find X橫空出世，和雙軌潛望結(jié)構(gòu)一樣引人注目的則是集成在這一結(jié)構(gòu)中的OPPO FaceKey 3D結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)。5月初，OPPO就曾宣布過將在6個(gè)月內(nèi)將結(jié)構(gòu)光商用在OPPO手機(jī)中。而很多人沒想到的是，OPPO竟會在一個(gè)月內(nèi)就發(fā)布產(chǎn)品。這讓OPPO收獲了很多“第一”的名號。但更重要的是，OPPO讓整個(gè)產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)間表提前了一年。

OPPO FaceKey 3D結(jié)構(gòu)光

要在半年時(shí)間內(nèi)完成包括結(jié)構(gòu)光發(fā)射端、接收端和結(jié)構(gòu)光解碼芯片在內(nèi)的整個(gè)硬件方案的選型、預(yù)研、試產(chǎn)和驗(yàn)證工作，同時(shí)快速攻破結(jié)構(gòu)光模組選型、基線選型、結(jié)構(gòu)光深度圖出圖、深度圖校準(zhǔn)、深度相機(jī)與RGB相機(jī)校準(zhǔn)、人臉安全方案驗(yàn)證等重重難關(guān)，OPPO面臨的硬件開發(fā)難度可想而知。

與硬件方案同樣難啃的，是軟件方案的設(shè)計(jì)。安全人臉框架與方案的核心，包括硬件出圖、圖像校正、網(wǎng)絡(luò)算法驗(yàn)證等，必須全部運(yùn)行在安全的TEE環(huán)境中，以解決人臉信息、支付環(huán)境和算法的安全性。但在OPPO之前，3D人臉?biāo)惴ㄔ趪鴥?nèi)無成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒。在算法自研剛啟動時(shí)，OPPO算法團(tuán)隊(duì)在3D數(shù)據(jù)、服務(wù)器環(huán)境、算法方案上也均是零經(jīng)驗(yàn)。

然而在隨后短短的3個(gè)月內(nèi)，OPPO算法團(tuán)隊(duì)與硬件團(tuán)隊(duì)使用結(jié)構(gòu)光硬件完成了10萬人次的3D人臉數(shù)據(jù)采集，人臉數(shù)據(jù)分布覆蓋全球，并在此期間完成了500TFlops大型訓(xùn)練服務(wù)器的搭建。同時(shí)，為了達(dá)到百萬分之一的誤識精度，OPPO還與AI算法公司曠視科技Face++與商湯深入探討了3D人臉識別算法，并在人臉檢測、人臉識別與活體檢測算法上形成了一套屬于自己的算法方案。

OPPO 3D人臉支付所包含的安全技術(shù)

最終，通過4輪硬件方案迭代和10輪人臉?biāo)惴ǖ?xùn)練，OPPO成功完成了現(xiàn)今頂級體驗(yàn)的結(jié)構(gòu)光方案。對比數(shù)據(jù)顯示，在單張深度圖3D渲染、3D渲染精度、抗強(qiáng)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(nèi)首例3D人臉識別算法的面世，也標(biāo)志著OPPO在技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)是業(yè)界一個(gè)不可忽略的力量。

除了OPPO，安卓生態(tài)其他廠商也在摸索3D成像的技術(shù)未來。與Find X同期，小米在小米8發(fā)布會上推出了小米8探索版，在異形屏的劉海區(qū)集成了3D結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)。而就Find X發(fā)布后不久，vivo也在上海MWC期間演示了其ToF方案。

帝國發(fā)展——3D數(shù)據(jù)要安全到可以用于支付

生物識別技術(shù)最重要的因素就是安全，不應(yīng)該有“之一”。這也是3D結(jié)構(gòu)光人臉認(rèn)證相較于2D人臉識別最大的優(yōu)勢之一。雖然后者在過去一年也成為手機(jī)發(fā)布會上必提及的功能，但以算法為主要實(shí)現(xiàn)方式的2D人臉識別雖然實(shí)現(xiàn)了非常極速的解鎖速度，依然面臨非常嚴(yán)重的安全問題。一些評測機(jī)構(gòu)甚至發(fā)現(xiàn)僅僅通過用普通打印機(jī)打印一張A4的照片就可以解鎖很多2D人臉識別的手機(jī)。

比設(shè)備被解鎖更嚴(yán)重的，則是個(gè)人信息的安全性。這一方面指私人的敏感數(shù)據(jù)，包括個(gè)人身份信息、以及像銀行卡號、密碼等財(cái)務(wù)信息；另一方面則是是生物信息自身，比如說指紋數(shù)據(jù)以及面部信息。銀行卡丟失還可以補(bǔ)辦改密碼，但是指紋或者面部信息一輩子也無法更改，外泄之后的風(fēng)險(xiǎn)是永久的。因此，這也是支付機(jī)構(gòu)如果要支持人臉或者指紋認(rèn)證的時(shí)候，必須要經(jīng)過非常嚴(yán)苛認(rèn)證過程的原因。

從另一個(gè)角度來說，支付機(jī)構(gòu)對3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)認(rèn)可，一方面是可以對這一技術(shù)的安全性背書，另一方面則是肯定這一技術(shù)未來能否普及的重要因素。所以技術(shù)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(dá)成的戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系的一部分。除了支付以外，雙方還將成立聯(lián)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，探索硬件和軟件底層技術(shù)的深度整合，比如支持OPPO手機(jī)上支付寶的性能優(yōu)化和高頻支付場景的一步直達(dá)。

OPPO產(chǎn)品經(jīng)理李勝在Find X發(fā)布會介紹與螞蟻金服的合作

在聯(lián)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的推動下，F(xiàn)ind X就可以做到一上市即可支持支付寶的人臉支付。以結(jié)構(gòu)光為硬件基礎(chǔ)，并結(jié)合OPPO基于深度學(xué)習(xí)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(yuǎn)高于當(dāng)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(jī)中利用這一技術(shù)，放心地用面部替代指紋、密碼或PIN碼作為移動支付應(yīng)用的主要驗(yàn)證方式。

帝國初現(xiàn)——打通端到端的3D數(shù)據(jù)流通

3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)獲得的3D數(shù)據(jù)如果只用于解鎖和支付，那么對豐富數(shù)據(jù)的利用顯然不夠充分，手機(jī)廠商也不會只停留在這一層面。所以，雖然iPhone X和Find X 3D結(jié)構(gòu)光目前給用戶帶來了安全又新奇的體驗(yàn)，但更有意義的則是兩家廠商對整個(gè)3D數(shù)據(jù)潛在布局的想像。

就在Find X發(fā)布前不久的5月，OPPO宣布成功實(shí)現(xiàn)全球首個(gè)采用3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的5G視頻通話演示。通過OPPO手機(jī)的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)采集3D數(shù)據(jù)，利用高通的5G新空口終端原型機(jī)，最終在遠(yuǎn)端接收顯示器實(shí)現(xiàn)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(diǎn)介紹ARkit 2，更隆重推出“USDZ”的3D文件格式。有開發(fā)者評論稱“這一成就堪比秦始皇統(tǒng)一六國之后實(shí)施的‘車同軌’，這種3D文件格式讓跨App間的3D數(shù)據(jù)傳輸成為可能。”就在這一發(fā)布會上，蘋果演示了同一組3D圖像可以在Safari、新聞以及是相機(jī)中跨應(yīng)用呈現(xiàn)。從去年第一次在iPhone X上搭載3D成像系統(tǒng)，到今年發(fā)力3D圖像的呈現(xiàn)場景，不難看到蘋果在這一技術(shù)領(lǐng)域的布局。

作為計(jì)算機(jī)視覺的一個(gè)分支，3D成像功能提供了底層的技術(shù)能力，并由此讓設(shè)備具備了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、3D人臉這些新功能，而這些新功能又賦能了經(jīng)典的SoLoMo業(yè)務(wù)以及新興的短視頻、直播、游戲等等業(yè)務(wù)，給予用戶新鮮的體驗(yàn)。除了之前重點(diǎn)談及的安全支付外，三維重建、AR和游戲?qū)O有可能成為未來通過3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)實(shí)現(xiàn)的突破性應(yīng)用場景。

以AR應(yīng)用為例，在3D AR游戲中，利用結(jié)構(gòu)光對周圍的環(huán)境進(jìn)行精確3D建模，將模型實(shí)時(shí)導(dǎo)入游戲中，實(shí)現(xiàn)虛擬游戲與現(xiàn)實(shí)三維世界的緊密融合，實(shí)現(xiàn)逼真的三維效果。或是通過精確的結(jié)構(gòu)光雙攝相機(jī)拍攝的三維信息，可以實(shí)現(xiàn)精確的AR帖子與微表情效果。Gartner預(yù)測到2021年，40%的智能手機(jī)將會配備可用于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(rèn)為那是一種你絕不想落在后面的事情。”

OPPO Find X發(fā)布會介紹3D結(jié)構(gòu)光應(yīng)用場景

所以我們看到蘋果和OPPO都在布局AR。前者在近兩年的WWDC都把ARkit作為重點(diǎn)之一來介紹；后者也聯(lián)合商湯科技、浙江大學(xué)CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室攜手打造出名為ARunit的開發(fā)平面，能夠支持即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)、多平面恢復(fù)、非平面表面上放置虛擬物體、平面標(biāo)志識別、光照估計(jì)、地圖保存與狀態(tài)設(shè)置、遮擋處理等特性，可以幫助開發(fā)者打造出新一代的全新AR應(yīng)用。自3月19日發(fā)布，已吸引了包括京東、王者榮耀13家合作伙伴產(chǎn)品的入駐，并預(yù)計(jì)在2018年全年為8000萬臺OPPO手機(jī)提供AR支持。

OPPO ARunit

在OPPO看來，移動互聯(lián)網(wǎng)正在模糊現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界的邊界。虛擬圖像+虛擬圖像、虛擬圖像+實(shí)景圖像、實(shí)景圖像+實(shí)景圖像的兩兩結(jié)合將帶來泛在現(xiàn)實(shí)(Ubiquitous Reality, UR)的全新一代用戶體驗(yàn)。這遠(yuǎn)不是我們今天所看到的VR、AR這么簡單，而未來真正進(jìn)一步推動沉浸式用戶體驗(yàn)的，將是3D內(nèi)容和“即將來臨”的5G。因此，通過主動式結(jié)構(gòu)光感知目標(biāo)物體位置和深度信息，對整個(gè)三維空間實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精確度的復(fù)原，然后通過低延遲5G網(wǎng)絡(luò)對3D視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，將成為下一代移動用戶體驗(yàn)泛在現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵。

在5G網(wǎng)絡(luò)下實(shí)現(xiàn)3D視頻通話

通俗點(diǎn)說，OPPO是打算利用5G網(wǎng)絡(luò)高速率的特性，來支撐3D視頻信號的大數(shù)據(jù)傳輸，從而給用戶提供全新的通話體驗(yàn)。這顯然不再僅僅只是二維層面的視頻通話，而是在一個(gè)立體空間展示下得到的視頻通話體驗(yàn)。雖然現(xiàn)在因?yàn)轱@示技術(shù)的局限性，并不能直接呈現(xiàn)3D數(shù)據(jù)，但可以看到的是未來在3D數(shù)據(jù)呈現(xiàn)端的技術(shù)發(fā)展到位之后，我們就可以體驗(yàn)科幻作品中的“全息投影”一樣的數(shù)字生活。

總結(jié)

3D影像技術(shù)確實(shí)已經(jīng)成為諸多手機(jī)廠商的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)方向，其重要性在未來可能不亞于5G和AI。但因?yàn)榧夹g(shù)應(yīng)用規(guī)模化的問題，目前除了解鎖和支付，還沒有出現(xiàn)全新的殺手級應(yīng)用。

廠商們普遍認(rèn)為成本高、良率等問題會導(dǎo)致3D傳感攝像頭在2018年只適用于售價(jià)高于3000元的旗艦機(jī)型中，但從2019年初開始，會與指紋、雙攝等技術(shù)一樣，成為2000元以上智能手機(jī)的標(biāo)配，而到2020年，覆蓋面將進(jìn)一步擴(kuò)大，千元機(jī)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(yù)估

而隨著3D技術(shù)在智能手機(jī)這一最大消費(fèi)電子市場中的廣泛應(yīng)用，應(yīng)用場景必然會更加豐富。屆時(shí)，OPPO和蘋果的3D帝國又將表現(xiàn)出怎樣的活力？