一．概述

結(jié)構(gòu)光（Structuredlight），通常采用特定波長(zhǎng)的不可見的激光作為光源，它發(fā)射出來(lái)的光帶有編碼信息，投射在物體上，通過一定算法來(lái)計(jì)算返回的編碼圖案的畸變來(lái)得到物體的位置和深度信息，鏡頭需要定制鏡頭或者特殊鏡頭設(shè)計(jì)。

光飛行時(shí)間法（TOF），利用測(cè)量光飛行時(shí)間來(lái)取得距離，簡(jiǎn)單來(lái)說就是，發(fā)出一道經(jīng)過處理的光，碰到物體以后會(huì)反射回來(lái)，捕捉來(lái)回的時(shí)間，因?yàn)橐阎馑俸驼{(diào)制光的波長(zhǎng)，所以能快速準(zhǔn)確計(jì)算出到物體的距離。

TOF技術(shù)主要是為了實(shí)現(xiàn)3D成像而生，X，Y兩維的手機(jī)拍照大家都非常熟悉了，TOF在其基礎(chǔ)上增加了Z軸的深度信息。實(shí)現(xiàn)3D的其他方案還包括，散斑結(jié)構(gòu)光、編碼結(jié)構(gòu)光、雙目視覺以及雙目結(jié)構(gòu)光等，iPhoneX使用的就是散斑結(jié)構(gòu)光方案，而 iPhoneXs同樣采用了結(jié)構(gòu)光方案。

相對(duì)結(jié)構(gòu)光方案，TOF的3D方案實(shí)現(xiàn)起來(lái)更為簡(jiǎn)單，主要包括投射器和接收模組，通過控制投射器發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光波，遇物體后反射，接收模組計(jì)算發(fā)射光波和接收光波的時(shí)間差或相位差，換算成被拍攝景物的距離，以獲取深度信息。

二．ToF方案的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)一，工作距離遠(yuǎn)，可以獲得5m內(nèi)的有效&實(shí)時(shí)深度信息。

優(yōu)點(diǎn)二，適用場(chǎng)景廣，無(wú)論被攝物體有無(wú)特征點(diǎn)，無(wú)論環(huán)境光較強(qiáng)（如：日光）或較弱，都可獲得有效的景深信息。

優(yōu)點(diǎn)三，較遠(yuǎn)距離精度高，ToF在手機(jī)與被攝物體的絕對(duì)精度，即被攝物體之間的相對(duì)精度，都可以達(dá)到厘米級(jí)的水平。

三．ToF方案的幾個(gè)缺點(diǎn)

缺點(diǎn)一：當(dāng)前手機(jī)端可用的主流ToF傳感器分辨率相對(duì)較低（180*240，240*320，240*480等），因此在近距離的精度和X/Y分辨率也會(huì)相對(duì)較低，大家感興趣可以自行了解前置結(jié)構(gòu)光的精度。

缺點(diǎn)二：元件在工作時(shí)的功耗與發(fā)熱量也相對(duì)較大，長(zhǎng)時(shí)間工作需要很好的散熱條件，在消費(fèi)類電子設(shè)備上使用還需要不斷優(yōu)化。

缺點(diǎn)三：目前基于ToF方案的解決方案還未完全成熟，相應(yīng)的內(nèi)容生產(chǎn)和開發(fā)群體較為薄弱，支持的應(yīng)用場(chǎng)景較少。

四．TOF技術(shù)的改進(jìn)

TOF技術(shù)由來(lái)已久，并不是近期火起來(lái)的新產(chǎn)品，今年應(yīng)用于智能手機(jī)端算是個(gè)突破，這也要?dú)w功于近幾年TOF技術(shù)的不斷進(jìn)步。

TOF這個(gè)3D模塊中最核心的器件在于TOF芯片，它集眾多功能于一身，包括驅(qū)動(dòng)投射器，接收反射光線，進(jìn)而生成raw圖，再送給軟件處理成深度信息。

前些年的TOF芯片多是CCD類型的，功耗和發(fā)熱在實(shí)際使用中是一個(gè)大問題，這也是TOF由來(lái)已久卻遲遲沒有應(yīng)用于手機(jī)端的原因之一。芯片廠商致力于技術(shù)的創(chuàng)新改良，使TOF芯片從CCD轉(zhuǎn)向CMOS，在功耗方面實(shí)現(xiàn)了很大的突破，使TOF應(yīng)用于便攜手機(jī)成為可能。而且CMOS芯片以其復(fù)雜的邏輯結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)將高速率多幀圖像合成單張圖像用以計(jì)算最終的深度，降低圖像噪聲以提高深度的精度。

方案上，3D結(jié)構(gòu)光投射的是散斑或編碼圖案，接收模組需要拍攝到清晰的圖案才能計(jì)算出深度。而隨著距離的增加，投出的圖案或出現(xiàn)模糊，或出現(xiàn)亮度能量上的衰減，導(dǎo)致深度圖不完整，出現(xiàn)破洞，甚至于失效，所以3D結(jié)構(gòu)光并不適用于遠(yuǎn)距離深度信息采集。

TOF技術(shù)發(fā)射的不是散斑或編碼圖案，而是面光源，在一定距離內(nèi)光信息不會(huì)出現(xiàn)大量的衰減，配合TOF芯片背照式的、大pixel size的設(shè)計(jì)，大幅提升了光線收集率和測(cè)距速度，使遠(yuǎn)距離應(yīng)用成為可能。這也是TOF可以被用作手機(jī)后攝，而結(jié)構(gòu)光無(wú)法用作后攝的原因之一。

五．TOF vs 3D結(jié)構(gòu)光

外形尺寸應(yīng)用

iPhoneX/Xs特色的長(zhǎng)留海一度被網(wǎng)友吐槽，其實(shí)這是3D結(jié)構(gòu)光結(jié)構(gòu)上的局限造成的。熟悉結(jié)構(gòu)光的朋友都清楚，結(jié)構(gòu)光的精度和Baseline（投射器和接收模組的距離）關(guān)系非常大，Baseline間隔越長(zhǎng)，精度就越高。常用的Baseline至少需要保證20mm以上，iPhoneX更是選擇了27mm的Baseline，所以長(zhǎng)留海也是不得已而為之的設(shè)計(jì)。

觀TOF就沒有Baseline的要求，投射器和接收模組可以緊挨在一起，尺寸上會(huì)更加緊湊。

在器件組成上，TOF投射器組成更簡(jiǎn)單，供貨也會(huì)更容易保障。

TOF投射器主要包括VCSEL+Diffuser。TOF的VCSEL并不像結(jié)構(gòu)光那樣對(duì)編碼圖案有一定要求，只是最常規(guī)的規(guī)則排列，器件制作上更為簡(jiǎn)單，可供選擇的VCSEL供應(yīng)商也會(huì)更多。結(jié)構(gòu)光的VCSEL需要制作成特定的圖案，對(duì)圖案表現(xiàn)的一致性、器件高溫漂移情況、發(fā)熱表現(xiàn)、耐環(huán)境高溫等都會(huì)有更高的要求，總體來(lái)說，對(duì)VCSEL供應(yīng)商的工藝及設(shè)計(jì)能力以及產(chǎn)品良率上考驗(yàn)更大。TOF的Diffuser的設(shè)計(jì)制作難度，相對(duì)于結(jié)構(gòu)光投射器中的DOE不可同日而語(yǔ)，能穩(wěn)定供應(yīng)DOE的廠商全球范圍內(nèi)屈指可數(shù)，而Diffuser的生產(chǎn)則表現(xiàn)得更加容易，供貨廠商也更多。

TOF最具技術(shù)含金量的器件就是TOF芯片，然而TOF芯片和普通的可見光CMOS芯片在基礎(chǔ)構(gòu)造上大同小異。目前芯片資源多來(lái)自日本的Sony，還有其他幾家日本、美國(guó)等供應(yīng)商。眾所周知，Sony長(zhǎng)久以來(lái)一直作為手機(jī)攝像頭CMOS芯片主力提供商，已穩(wěn)定供貨長(zhǎng)達(dá)十幾年之久，在品質(zhì)和供貨上均有保證。有這樣強(qiáng)大的芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)背景，相信在TOF芯片的供貨保證上也不會(huì)讓人失望。

六．生產(chǎn)應(yīng)用的復(fù)雜度

結(jié)構(gòu)光主要瓶頸在于模組的產(chǎn)品良率較低，無(wú)法正常供貨。事實(shí)上，結(jié)構(gòu)光對(duì)組裝精度要求之高，業(yè)內(nèi)已不是秘密，主要受制于它是通過三角測(cè)量法來(lái)計(jì)算深度信息的工作原理。一旦Baseline有所偏移，或者投射接收模組之間的角度發(fā)生偏移，都會(huì)帶來(lái)深度計(jì)算的誤差。這是對(duì)模組供應(yīng)商和手機(jī)廠商生產(chǎn)能力的一種考驗(yàn)，而且低良率勢(shì)必帶來(lái)高成本和昂貴的價(jià)格。TOF深度計(jì)算的原理則完全不同，是通過TOF芯片接收反射回來(lái)光線的相位差來(lái)計(jì)算深度，只需確保相位接收正確，對(duì)組裝精度要求更低，生產(chǎn)上會(huì)容易得多。

七．結(jié)構(gòu)光的算法大戰(zhàn)

2017年是結(jié)構(gòu)光被火熱追捧的一年，然而并沒有像大眾所預(yù)想的那樣，在手機(jī)端廣泛鋪開被使用。除了前面提到的制作工藝，以及器件供應(yīng)上的難度，更大的原因可能還是在于算法。

結(jié)構(gòu)光的算法原理在實(shí)現(xiàn)上看起來(lái)并不難，難的是算法的優(yōu)化，如何讓算法工作起來(lái)輕松便捷，功耗低，占用資源少是最難的問題。大多結(jié)構(gòu)光算法運(yùn)算數(shù)據(jù)量較為龐大，需要附加額外的算法處理芯片到手機(jī)端。

大陸手機(jī)廠可供選擇的成熟算法廠商并不多，大多算法公司之前只止步于常規(guī)安防或者商用等階段，沒有在手機(jī)類消費(fèi)便攜設(shè)備上使用的經(jīng)驗(yàn)，有些算法公司甚至還停留于實(shí)驗(yàn)演示階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足便攜設(shè)備對(duì)于功耗低、發(fā)熱低、尺寸小、易集成等方面的要求。加上算法公司難以適應(yīng)手機(jī)端突然到來(lái)的結(jié)構(gòu)光熱潮，很多算法公司的精力都只夠支持1~2家手機(jī)終端的應(yīng)用。算法資源非常緊缺，一度出現(xiàn)了手機(jī)終端搶占算法資源的現(xiàn)象。

TOF的核心算法在于深度信息的生成，通常由TOF芯片廠商提供Library，放在手機(jī)AP里面調(diào)用，算法整體運(yùn)算量并不大，不需要額外附加處理芯片，對(duì)AP本身的硬件能力要求也相對(duì)不高。相同的方案和算法Library可供不同的手機(jī)廠商采用，移植簡(jiǎn)單靈活，通用性更廣，不像結(jié)構(gòu)光整體移植工程較為龐大，對(duì)平臺(tái)硬件有一定要求，且受制于專利等原因通用性沒有那么強(qiáng)。

當(dāng)然，復(fù)雜的算法計(jì)算也有給結(jié)構(gòu)光帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，雖然它并不適用于遠(yuǎn)距離拍攝，但是近距離的深度精度表現(xiàn)較好，如果算法足夠好，深度響應(yīng)速率可以和接收芯片保持相同，在點(diǎn)云響應(yīng)上速度也較快，這也是結(jié)構(gòu)光目前被用于前攝3D成像的主要原因。

八．TOF應(yīng)用可玩性更大

消費(fèi)者最關(guān)心的主要是應(yīng)用了，目前結(jié)構(gòu)光應(yīng)用主要有人臉建模、人臉識(shí)別、移動(dòng)支付、角色創(chuàng)建等。

人臉識(shí)別和角色動(dòng)畫的門檻不高，通過RGB+IR或者雙IR攝像頭也可以實(shí)現(xiàn)識(shí)別+活體檢測(cè)，各手機(jī)終端出于成本考慮，也在研究雙攝方案看能否在中低端系列手機(jī)上實(shí)現(xiàn)3D人臉識(shí)別和角色創(chuàng)建等效果。

人臉支付應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的技術(shù)門檻更高，對(duì)深度的精度和準(zhǔn)確度要求更高。不過，據(jù)業(yè)內(nèi)可靠消息稱，目前TOF已基本具備實(shí)現(xiàn)人臉支付的能力，人臉占據(jù)一定像素以上便可實(shí)現(xiàn)支付，TOF作為人臉支付距離相對(duì)結(jié)構(gòu)光更遠(yuǎn)，使用起來(lái)也許沒有結(jié)構(gòu)光那么方便。隨著TOF技術(shù)的不斷進(jìn)步，后續(xù)完全替代結(jié)構(gòu)光方案也不是沒有可能。

同時(shí)，TOF在后攝應(yīng)用上的可玩空間也很大，TOF通過3D建?？捎糜贏R成像，應(yīng)用包括AR游戲、AR裝潢、3D試裝、體感游戲、全息影像交互等。

5G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的高帶寬，為3D視覺技術(shù)提供了信息傳輸?shù)谋Ｕ希?3D視頻通話、虛景+虛景的遠(yuǎn)程VR、虛景+實(shí)景的遠(yuǎn)程AR、實(shí)景+實(shí)景的遠(yuǎn)程JR等泛在現(xiàn)實(shí)使用場(chǎng)景將迎來(lái)爆發(fā)式應(yīng)用。

綜合TOF應(yīng)用便捷集成度高、供貨穩(wěn)定、可玩性強(qiáng)等多方面的優(yōu)勢(shì)，并隨著TOF精度的不斷改良，后續(xù)替代結(jié)構(gòu)光方案成為前攝應(yīng)用看起來(lái)有很大可能。TOF以其多方面的優(yōu)勢(shì)，成為旗艦手機(jī)3D成像的主要方案，已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。同時(shí)，目前已有手機(jī)終端都在用多攝像頭方案，用以替代結(jié)構(gòu)光成為中低端手機(jī)前置3D方案的選擇。3D市場(chǎng)風(fēng)云變幻，結(jié)構(gòu)光看起來(lái)越來(lái)越?jīng)]有競(jìng)爭(zhēng)力了。