伴著蘋果 iPhone X 的問世，3D 深度攝像頭也成為智能手機廠商追逐的熱潮，國內(nèi)華為、OPPO、小米等品牌均在與 3D 傳感器廠商接洽。11 月 28 日，華為推出最新款 AI 手機榮耀 V10 更是配備了 3D 面部識別功能，并自稱面部識別功強過蘋果的 Face ID 功能。

本文中，深圳灣（微信 ID：shenzhenware）對 3D 深度攝像技術(shù)原理、在智能手機端的應用和技術(shù)難點等問題、主流方案商及未來的運用趨勢等問題，做了深度解讀。

| 領(lǐng)跑安卓陣營，華為挑戰(zhàn)蘋果 Face ID

與 iPhone X 直接將 3D 深度攝像系統(tǒng)集成到了手機頭部不同，榮耀 V10 的 3D 面部識別功能需要依靠一款名為 Jupiter X 的配件——華為稱之為「點云深度攝像頭」的輔助，這是一款號稱是全球首款「散斑結(jié)構(gòu)光」手機配件。

據(jù)榮耀介紹，這款點云深度攝像頭與蘋果的 iPhone X 一樣，采用的是散斑結(jié)構(gòu)光技術(shù)。其點陣發(fā)射器可以發(fā)射出 30 萬的散板點陣（據(jù)說是 iPhone X 的 10 倍），可以支持 3D 人臉建模和 3D 人臉識別。在 400ms 內(nèi)即可完成 3D 人臉識別，3D 建模只需 10 秒，建模精度可以達到亞毫米級。

由于這款點云深度攝像頭的存在，使得榮耀 V10 可以體驗類似 iPhone X Animoji 一樣的 3D 面部表情。同時，點云深度攝像頭還可支持 3D 小物體建模。

單純從外形看 ，Jupiter X 只是一個獨立于手機系統(tǒng)之外的配件，但不可否認的是，這款配件是當下除了蘋果 TrueDepth 攝像頭之外唯一應用在手機上的 3D 人臉識別產(chǎn)品，可以說華為已經(jīng)是安卓陣營的領(lǐng)跑者了。

| 3D 深度攝像的三種主要方式，蘋果為什么獨愛紅外 3D 結(jié)構(gòu)光？

目前主流的 3D 深度攝像有結(jié)構(gòu)光、TOF、雙目成像 3 種主流方案：

• 結(jié)構(gòu)光（Structured Light）：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。根據(jù)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。
  
• TOF（Time Of Flight）：TOF系統(tǒng)是一種光雷達系統(tǒng)，可從發(fā)射極向?qū)ο蟀l(fā)射光脈沖，接收器則可通過計算光脈沖從發(fā)射器到對象，再以像素格式返回到接收器的運行時間來確定被測量對象的距離。
  
• 雙目成像（Stereo System）：利用雙攝像頭拍攝物體，再通過三角形原理計算物體距離。
  

這三種方案中，雙目測距成像有效率低、算法難、精度差、容易受到環(huán)境因素干擾等缺點；TOF 方案同樣有精度缺陷，傳感器體積小型化之后對分辨率影響大的不足。

而蘋果 iPhone X 采用的是紅外結(jié)構(gòu)光的方式，iPhone X 前置 3D 攝像頭模組配有 Dot Projecter（點投射器）和 Infrared Camera（紅外線相機）。

| Kinect 推出 8 年之后，為什么手機才開始引入 3D 深度攝像頭？

蘋果 iPhone X 和華為榮耀 V10 所使用的 3D 深度攝像頭均可以看作 Kinect 的微縮版——早在 2009 年，微軟便推出了 Kinect，將 3D 深度攝像頭大規(guī)模應用到消費電子產(chǎn)品上。但一直到了不久前，蘋果推出 iPhone X，才有了 3D 攝像頭在智能手機上的應用。

然而，這對蘋果來說依然是一次非常有難度的技術(shù)挑戰(zhàn)——先是了陸續(xù)收購 Prime Sense、Polar Rose、Faceshift、Flyby Media 等一大批 3D 感知識別相關(guān)的技術(shù)公司，同時也歷經(jīng)了 5 年的潛伏研發(fā)。（點擊鏈接，查看蘋果 3D 攝像頭的深度報道）

3D 攝像頭模組要想實現(xiàn)小型化并在手機上應用 ， RGB 模組相對來說比較容易，而激光投影模組，紅外投影模組和主芯片這三個核心部件則較為棘手。

蘋果的這一技術(shù)實現(xiàn)，首先要歸功于半導體技術(shù)的密度提升，使得微型紅外激光發(fā)射器可以做得很小，以 iPhone X 的公布的參數(shù)來看，其在不到 25 平方毫米的空間集成了 3 萬多個紅外激光投射點。

另一方面則是手機運算能力的提升，3D 深度成像除了器件本身以外，實時運算中資源消耗非常大。例如為了滿足運算力需求，Xbox 360 采用了 8 核處理器， 12 組 GPU 運算單元， 768 個流處理器，及 8G 內(nèi)存空間的硬件配置。

在早年手機芯片的運算能力還不那么強大的時候，要做這個實時運算手機很快就會崩潰，而 iPhone X 和華為榮耀 V 10 都是采用自家專門設(shè)計的 AI 芯片，特地針對 3D 深度成像設(shè)立獨立單元做運算，這就保證了在手機上做 3D 面部識別的效率。

上面也提到過，為了提高識別能力，蘋果采用的是 3D 紅外結(jié)構(gòu)光。但傳統(tǒng)紅外攝像頭基本不能感應到 940nm 波長的紅外線（為了避免陽光中紅外分量的影響 ，iPhone X 采用了與陽光中紅外線等波長的 940 nm 紅外線）。

為了做到這一點，蘋果曾在今年 7 月收購了一加名為 InVisage 的公司。這家公司具有一項名為 QuantumFilm （量子薄膜）的技術(shù)，能夠讓紅外攝像器感應范圍大大提升。

這大概是 iPhone X 是目前業(yè)內(nèi)唯一一家能將 3D 攝像模組小型化并集成到手機中的主要原因，其他公司只能暫時望洋興嘆了。

國內(nèi)：華為、OPPO、小米均在接洽 3D 傳感器廠商

在手機身份驗證技術(shù)方面，人臉識別已經(jīng)成為繼指紋識別之后新一波手機廠商追逐的熱潮。而像錘子，OPPO，vivo 等人臉識別解鎖方案其實是基于前置攝像頭的 2D 人臉識別，只能作為指紋及密碼解鎖的輔助功能，尚無法與 3D 深度攝像頭相提并論。

此前有爆料稱，華為 、OPPO 和小米已經(jīng)在與包括大立光電 （ iPhone 傳感器供應商之一）、舜宇光學、奧比中光和奇景光電在內(nèi)的多家公司接洽，商討為它們未來的產(chǎn)品生產(chǎn) 3D 感知傳感器事宜。

而由高通、奇景光電和信利光電聯(lián)合開發(fā)的 3D 感知模塊已經(jīng)在 OPPO 和小米進行評測，預計這兩家公司將嘗試為 2018 年發(fā)布的手機配置 3D 感知模塊。

另外也有業(yè)內(nèi)人士稱華為榮耀 V10 的 3D 成像模組是由舜宇光學提供。舜宇光學為華為提供了包括光學設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計 、ID 設(shè)計、圖像處理等嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)在內(nèi)的一整套解決方案（舜宇光學也是華為 P9 的鏡頭供應商）。

由于 Face ID 的人臉解鎖功能也有其局限性，例如：在黑夜中或有紅外線干擾的情形下很容易失靈，如果感冒戴了口罩也無法識別，以及相似度高的雙胞胎有誤判的可能性。

因而我們可以看到華為榮耀 V10 并沒有像 iPhone X 那樣去掉指紋識別，當屏下指紋技術(shù)成熟的時候，相信 Apple 還是可能會將指紋識別放回 iPhone 的。

目前制約結(jié)構(gòu)光模組在智能手機上應用的主要問題依然在于模組的小型化，此前有分析師預測，其他手機廠商可能兩年后才會用上與 iPhone X 一樣的 3D 結(jié)構(gòu)光模組。不過，從目前國產(chǎn)廠商的進度來看，華為已經(jīng)率先做出了嘗試，其他國產(chǎn)手機廠商也很可能在明年上半年推出內(nèi)置 3D 結(jié)構(gòu)光模組的智能手機。

幾家公司的解決方案的介紹：PrimeSense（蘋果）、微軟、Intel、奧比中光，算法各有差異

可以看到，蘋果、微軟 、Intel 等國外巨頭在近幾年都集中通過并購的手段獲取 3D 深度成像技術(shù)。下面介紹幾家主流的 3D 攝像公司及產(chǎn)品方案：

Prime Sense（已被蘋果收購）

Prime Sense 可以算是 3D 傳感技術(shù)「鼻祖」了，2005 年創(chuàng)立于色列；2006 年宣布完成 3D 感應芯片的研發(fā)，并推出一個裝載 Prime Sense 3D 傳感器的 RGB 紅外相機；2013 年發(fā)布了當時世界上最小的 3D 傳感器 Capri，同年，被蘋果以 3.6 億美元的價格收購。

微軟 Kinect 一代使用的就是 Prime Sense 提供的技術(shù) 。在被蘋果收購之后，Prime Sense 便停止對外授權(quán)，并銷聲匿跡多年，直到最近以 3D 深度攝像頭的形式出現(xiàn)在 iPhone X 上。可以看到并入 Apple 之后 ，Prime Sense 的技術(shù)得到了提升，同時 Face ID 算法也被整合到 Apple 的芯片中。

微軟 Kinect

2009 年，微軟推出了首款基于 Prime Sense 的 Kinect，用來作為 Xbox 360 的周邊輔助設(shè)備。這款產(chǎn)品上市后 60 天便賣出 800 萬臺，創(chuàng)造了吉尼斯消費電子銷售速度記錄。

Kinect 使用一種名為光編碼（Light coding）的技術(shù)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光方法不同的是，它的紅外光源拋射的不是一幅周期性變化的二維圖像編碼，而是一個具有三維縱深的「體編碼」，這種光源叫做激光散斑（laser speckle），是當紅外激光照射到物體后形成的隨機衍射斑點。

在蘋果收購 Prime Sense 后，微軟推出自研芯片的第二代 Kinect，開始采用 TOF 結(jié)構(gòu)光方案 。Kinect 在 Xbox 平臺運行了多年，并通過開放 SDK 積累了不少開發(fā)者。

遺憾的是，盡管曾經(jīng)風光無限 ， Kinect 卻伴隨體感游戲的衰落而日漸式微，已于今年 10 月宣告停產(chǎn)。

Intel RealSense

2014 年，Intel 在 CES 上推出 Realsense，并且提供了開發(fā)套件，目前已經(jīng)公布了 R100、 R200 及 F200 三種攝像頭。只是相較 Kinect 而言 ，Intel RealSense 精度不夠高，比起 LeapMotion 第二代（應用了紅外結(jié)構(gòu)光）還要差一些，只能近距離使用，建議不超過 1 米。

不同于 Kinect 的全身骨骼跟蹤 ，realsense 更注重近距離的臉部、手部跟蹤，所以可以毫無違和感地與筆記本、超極本捆綁在一起。

奧比中光 Astra

奧比中光成立于 2013 年，是國內(nèi)最早從事 3D 傳感攝像頭研發(fā)的企業(yè)之一，于 2015 年相繼量產(chǎn)了 Astra、Astra Pro、Astra mini 等 3D 深度攝像頭，據(jù)稱是目前繼蘋果、微軟、英特爾之后全球第四家可以量產(chǎn)消費級 3D 結(jié)構(gòu)光深度攝像傳感器的廠商。

奧比中光研發(fā)的 Astra 3D 體感攝像頭可實現(xiàn)人臉識別、手勢識別、人體骨架識別、三維測量、環(huán)境感知、三維地圖重建等數(shù)十項功能，相繼應用在天貓魔盒、惠普 Sprout 2 等產(chǎn)品中。目前該家攝像頭在電視機體感方面處于壟斷地位，創(chuàng)維、康佳、愛奇異、暴風影音 、TCL 等電視機廠商的 3D 體感游戲也都是用的奧比中光攝像頭。

結(jié)語：手機只是一個開始，未來 3－5 年是技術(shù)爆發(fā)期

人臉識別是人工智能最火熱的領(lǐng)域之一，在短短幾年里國內(nèi)便崛起了商湯科技、Face++ 等一批 2D 圖像識別獨角獸公司。而在 iPhone X、華為等手機廠商的推動下，深度視覺技術(shù)正向更加精準的 3D 人臉識別推進。

然而 3D 深度攝像頭的應用遠不止人臉識別，還有 AR。據(jù)外媒報道，除了保留前置 3D TrueDepth 攝像頭，蘋果還將在 2019 年為 iPhone 配備后置采用 TOF 技術(shù)的 3D 傳感器，用于提升 AR 體驗。

隨著巨頭的積極布局以及技術(shù)的逐漸成熟，在可預見的未來，3D 深度傳感技術(shù)還將應用到自動駕駛、電視 、AR/VR、機器人、無人機、智能家居、智能安防等多重領(lǐng)域。因而有業(yè)內(nèi)人士預測智能手機上的應用只是一個開始， 3D 深度傳感技術(shù)未來還將迎來 3－5 年的技術(shù)爆發(fā)期，目前正處在一個很好的時間窗口。

市場對于深度視覺技術(shù)的需求趨于井噴，但國內(nèi)能獨立提供 3D 深度攝像模組整機產(chǎn)品及方案的廠商卻寥寥無幾，大都是單一的傳感器配件廠商。另外國內(nèi)獨立廠商在軟件配套開發(fā)上也還比較落后，如果能夠進一步開放，在軟件上提供套件給到更多開發(fā)者，將會極大促進 3D 傳感產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。

特別感謝：

感謝深圳灣技術(shù)專家廖澤立（Jimmy Liao）為本文提供了 3D 結(jié)構(gòu)光相關(guān)技術(shù)解讀。

廖澤立，智能硬件超級玩家和資深技術(shù)專家，JIMTECH 創(chuàng)始人，同時擔任深圳灣特聘技術(shù)專家、華為 2012 實驗室合作伙伴、MIoT 合作伙伴。智能硬件領(lǐng)域連續(xù)創(chuàng)業(yè)者，擅長以產(chǎn)品經(jīng)理思維來整合技術(shù)專業(yè)知識。操手過不同品類智能硬件研發(fā)、制造工作，包含智能穿戴、智能家居、智能戶外產(chǎn)品等。

主筆：談?wù)?/ 深圳灣

編輯：小琳 / 深圳灣

技術(shù)顧問：廖澤立 / 深圳灣的好朋友