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科学技术篇:从摄影增强到AR交互 艾迈斯首发3D dToF传感解决方案

时间:2021-04-08 08:00:54 来源:

  世界移动通信大会(MWC)期间,全球领先的高性能传感器解决方案供应商艾迈斯半导体(ams AG)和计算机视觉成像软件的领导厂商虹软ArcSoft展示了一款用于Android移动设备在3D传感系统领域的3D直接飞行时间(dToF)传感解决方案。会后艾迈斯半导体召开了线上发布会,对这款产品进行了详解解答。

  文章开篇,笔者想先为大家介绍艾迈斯半导体。艾迈斯半导体主要为消费、通讯、工业、医疗和汽车市场的客户提供包括传感器解决方案、传感器IC、接口及相关软件在内的产品。总部位于奥地利,在与欧司朗整合后,其旗下拥有近30000名员工,近5500名工程师。全球大概有30个左右的设计研发中心,遍布欧洲、北美、亚洲,共获授权和申请了15000多项专利,2020年度营业收入42亿美元。

从摄影增强到AR交互 艾迈斯首发3D dToF传感解决方案

  艾迈斯半导体作为所有半导体行业公司中唯一一家能在传感、照明、可视化方面提供全平台全方案的公司,在创新能力上倍受认可。其本次带来的全新的基于VCSEL技术的3D dToF解决方案,支持即时定位及地图构建(SLAM)与实时3D图像处理能力,以增强现实(AR)能力。

什么是dToF?dToF有何优势?

  目前市面上常见的3D深度方案主要包括双目、飞行时间和结构光三个技术方向,三种方向各有优劣。其中ToF技术(Time of Flight)中文直翻为飞行时间,相比较双目和结构光方案,ToF的精度取决于其脉冲持续的时间,在精度上不会随着距离的增长而显著降低,所以ToF技术在不同距离的误差相对双目技术和结构光技术更加稳定,在远距离也有着更好的精度。

  ToF技术又可分为iToF间接飞行和dToF直接飞行,其中iToF通过发射特定频率的调制光,检测反射调制光和发射调制光之间的相位差测量飞行时间。目前 iToF分传统的 iToF和 SPAD两种, iToF是用相位测量距离,因此距离越远,测量精度越低。iToF在芯片的工艺和产业链虽然已经趋于成熟,但达到的效果并不是很完美。

从摄影增强到AR交互 艾迈斯首发3D dToF传感解决方案

  而dToF通过直接向测量物体发射一个光脉冲,然后测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔,从而得到光的飞行时间,从而取得待测物体的深度。在激光功耗、抗干扰、远距离精度等方面相较于iToF有着明确的优势。但dToF在工艺和生产链中均离成熟尚远,所以仍需较长时间的打磨。

dToF的未来应用场景如何?

  3D产品线的高级市场经理Sarah Cheng表示:“3D ToF技术因为其结构简单、探测距离更远、精度更高更稳定等特性优势,使手机后置3D相机的应用场景更加多元化。ToF镜头主打的虚拟现实功能将在线上虚拟购物、虚拟游戏等体验方面起到良好的作用。”

  Sarah Cheng介绍到,在有用的距离和环境光范围内提供高精度、低噪声、高可信度的深度信息是沉浸式AR的基础。在室内以及室外环境光条件下达到3-5米以上的距离,在这样的距离范围,尤其是在室外强光照条件下,只有dToF可以满足这样的要求。

  从技术层面来说,iToF在真实场景中受限于存在复杂的漫反射甚至镜面反射,会使得测量值变大,严重影响了3D重建的效果。另外iToF往往采用泛光投射,它和远距离和高精度这一对矛盾在原理上很难调和。

  dToF由于直接测量飞行时间,它的误差在正常工作范围内不随距离而变化,并且受到多境等因素的干扰较小,在精度、距离、功耗及抗干扰能力等关键参数上都优于iToF,在远距离、复杂环境的应用有优势。

  Sarah Cheng表示,ams dToF系统比市面上已有的iToF系统可覆盖的范围更广,在3D渲染过程中渲染速度比iToF更快,覆盖范围更广,在三维重建过程中对于整个系统运行的时间和算法运行的时间就会有一个非常大的优势。其次,它对于平面,也就是它的特征管理相对较少的情况下,表现也远远优于iToF。

从摄影增强到AR交互 艾迈斯首发3D dToF传感解决方案

  dToF在3D渲染过程中可提供更高质量的深度图,从而达到更精细的3D网格细节,同时使用高质量的深度图进行扫面,以精准还原对象的形状,而且可以输出即时深度,这些都为高质量的场景重建奠定了基础,成为AR应用的一个重大关键创新技术。

  除应用于智能手机市场外,现在3D在工业领域上和汽车领域也都开始了广泛的应用。大中华区应用市场总监Bing Xu博士表示:“dToF最大的优势就是它的测量精度不随距离改变,而车载基本上要用到100米以外甚至200-300米,dToF的技术就非常适合车载。除此之外还有安防,我会说安防这块并不是只局限于我们目前认知的安防装几个安全摄像头,安防包括所有的各种各样跟安全相关的,包括比如我们马路上的,马路上车来车往的,对车进行实时的监测,比如交通监测方面,还有电子消费领域,比如我们刷脸,现在刷脸用的基本上是iToF或者结构光的方案,我觉得dToF也是大有一展身手的空间。太多了,还有智慧居家等等,你回到家里面它马上就能感知到有人进到这里面来,比如你家里冬天冷了夏天热了需要开空调,家里可能有三四个人,就根据这三四个人的分布来调节灯光,来调节空调室内的温度,等等等等,太多太多了。”

艾迈斯半导体在dToF技术上有哪些优势?

  据了解,在ams集团的产品平台里面有着全套的各种各样的光源产品,从光源发射器再到光学组件和微模组。3D dToF的方案实际上也就是从一个发射器光学器件、模组和一些算法和感测器综合结合的一个组成。ams在3D传感领域有着非常深入的学术研究和丰富的量产经验。针对3D系统的解决方案,包括光学器件、VCSEL等零部件,到模组封装以及系统集成,包括集中涉及的各种算法及软件,都成为ams提供差异化解决方案的重要基石。

从摄影增强到AR交互 艾迈斯首发3D dToF传感解决方案

 ams凭借着其独有的在各个构件模块的差异化技术,从光学器件到VCSEL再到自主封装和独到的人眼安全集成加上自主系统设计以及中间件和算法,推出ams自主研发的完整的3D dToF解决方案。

  ams dToF解决方案是一套完整的技术堆栈,包含了高功率红外垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列、点阵光学系统和高灵敏度单光子雪崩光电二极管(SPAD)传感器;ArcSoft中间件针对艾迈斯半导体光学传感器系统的特点进行了优化,并结合RGB摄像头的输出,将深度图转换为精确的场景重建。ArcSoft软件还将3D图像输出与移动设备的显示屏相结合,提供更身临其境的增强现实体验。

  整个系统分为两个模组,一个是高功耗的照明模组,而另外一个是SPAD 3D 摄像模组,手机厂商设计整个系统的时候,有更多的灵活性在主板上去做零部件的排位和设计,这样它们的灵活性会更高。

  ams dToF的解决方案在差异化上的优势主要体现在:第一,它在所有光强条件下(强光,弱光,室内,室外,较复杂的环境光等),在恒定分辨率下可实现较大的距离检测范围和较高的(不变的)距离检测精度。第二,它具有一流的高环境光抗扰性,其峰值功率比目前市面上提供的3D ToF解决方案高出20多倍,它可以在室外强光的环境下仍然保持非常好的精度和性能。最后,它针对移动设备优化了最低的平均功耗,比如说像房间典型的3米扫描距离内,在大约30帧/秒的运行情况下可以达到最低平均功耗。

  作为市面上现有的唯一一个dToF全套系统供应商,ams其完整的3D dToF技术堆栈可以最大限度地降低手机厂商集成的复杂度和工作量,同时达到系统最优化。艾迈斯半导体传感、模块和解决方案业务线高级副总裁Lukas Steinmann表示:“我们预见,从2022年开始,高端Android移动设备将会更大范围地采用3D dToF技术来改善后置AR用例和图像增强功能。ams很荣幸能与ArcSoft合作,在这个市场上占据领导地位。通过结合双方互补的一流技术,我们将共同为高端移动平台用户提供更优化的AR用户体验。”

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