智慧型手機鏡頭感測識別趨勢-3D感測器主流技術:SV、SL、ToF 和 LiDAR

作者:Chloe;編輯:菜蔡子
更新日期:2020/11/12

在這幾年科技不斷進步與5G高速網路的發展之下,AR應用的可拓展性變得越來越高,從 2D 走向 3D 是未來感測器發展的一大趨勢。現今3D感測器的主流技術有:立體視覺感測系統 (SV)、結構光感測 (SL)、飛行時間測距 (ToF) 以及光學雷達 (LiDAR)。同時,光學產業仍然是消費性電子中主流產品,且仍具有很大的創新空間。自智慧型手機搭載鏡頭以來,鏡頭發展從後置鏡頭到前置鏡頭,從單鏡頭到多鏡頭,這些硬體創新,除了方便消費者拍照錄影之外,更直接帶動了光學產業的蓬勃發展。

自2019年開始,手機市場最熱門的話題之一就是各大手機品牌紛紛都在手機後鏡頭導入3D感測ToF (飛時測距) 鏡頭,ToF鏡頭能提供更佳的照相功能,不過多數廠商更為看重的是後續AR應用的發展,相信未來搭載ToF鏡頭的智慧型手機將成趨勢 。在這篇文章裡,小編會簡單介紹一下3D感測器的四大主流技術,讓大家能更了解自己的智慧型手機與數位相機,同時也能掌握AR/VR應用 (擴增實境 Augmented Reality,簡稱AR;虛擬實境 Virtual Reality,簡稱VR) 新趨勢:

告訴你手機感測鏡頭趨勢-3D感測器主流技術:SV、SL、ToF和LiDAR
▲淺談智慧型手機鏡頭感測識別趨勢-3D感測器主流技術:SV、SL、ToF 和 LiDAR▲

立體視覺感測(SV:Stereo Vision)

立體視覺是基於人眼視差的原理,在自然光源下,透過兩個或兩個以上相機模組從不同的角度對同一物體拍攝影像,再進行三角測量法等運算來取得與物體之間的距離資訊。

立體視覺的優點是省電、明亮環境表現較佳,適合在戶外長期運作,但缺點是軟體演算法複雜、延遲性高,且不適合在昏暗環境使用。目前已應用在各種3D相機、AR/VR頭戴式裝置、機器人等領域。

頭戴式VR系統的主要組成

  1. VR內容
  2. 追蹤使用者的虛擬機站
  3. 具備追蹤感應器的HMD
  4. 具備追蹤感應器的VR控制器
  5. 發送追蹤訊號
  6. VR環境
頭戴式VR系統的主要組成
▲頭戴式VR系統的主要組成▲
資料來源:CTIMES

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結構光感測(SL:Structured Light)

結構光是一種主動式深度感測技術,基本零組件包含IR發射器、IR相機模組、RGB相機模組等。其原理是先對物體發射特定圖案的光斑(Pattern),再經由攝影機來接收物體表面上的光斑圖案編碼(Light Coding),進而比對與原始投射光斑的異同,並利用三角原理計算出物體的三維座標。目前已應用於人臉辨識、體感遊戲機,像是iPhone X、iPhone 11以及iPhone 12的Face ID都是採用結構光感測技術。

結構光感測(Structured Light)
▲結構光感測(SL)目前已應用於人臉辨識、體感遊戲機,像是iPhone X、iPhone 11以及iPhone 12的Face ID▲

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飛行時間測距(ToF:Time of Flight)

ToF也是一種主動式深度感測技術,又分為 iToF(間接飛行時間)和 dToF (直接飛行時間)兩類。iToF 和 dToF 的原理區別主要在於發射和反射光的區別。其中應用在 Andriod 手機系統中的多為 iToF,其原理為透過紅外線折返的時間去計算跟物體之間的距離,間接測量紅外線飛行時間,具備低成本、較高解析度優勢,適用於短距離測距。

但因為 iToF 測距距離不能太大,且環境光源會對電路產生干擾,所以目前 iToF 主要應用在手機臉部辨識、手勢辨識等測距距離較短的場景中。但 dToF 相較於 iToF 來說難度要大許多,原因在於 dToF 的難點要檢測的光信號是一個脈衝信號,因此檢測器對於光的敏感度比需要非常高。

飛行時間測距 Time-of-Flight(ToF)
▲資料來源:hk01▲

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光學雷達(LiDAR:Light Detection and Ranging)

LiDAR 是一種光學遙感技術,屬於 dToF (直接飛行時間),其原理為通過向目標照射一束光,通常是一束脈衝雷射(通常最高可達每秒150,000次脈衝)來測量目標的距離等參數。概念可以想像成軍事使用的雷達偵測,差別在於雷達 (Radar) 是利用無線電波而非雷射。LiDAR 光學雷達精確計算確定傳感器到障礙物之間的距離,它還能探測目標物體的準確尺寸,通常用於車用 (自駕車)或高解析度地圖的繪製。

光學雷達 Light Detection and Ranging(LiDAR)
▲資料來源:hk01▲

因 LiDAR 光學雷達鏡頭已搭載在 iPad Pro 上,目前在國外也已有App利用 LiDAR 技術來提供消費者”實境”的體驗,利如「IKEA Place」就可讓你透過此App看到預計要購買的傢俱商品,模擬擺放於家中的感覺。前往myfone購物,看更多Apple平板電腦 iPad 優惠

Apple iPad Pro 11(2nd) 128GB WiFi版

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●12.9 吋與 11 吋Liquid Retina 顯示器
●具備 ProMotion自動適應更新率技術
●A12Z 仿生晶片
●專業級相機與光學雷達掃描儀
●Face ID
●支援 Apple Pencil(第 2 代)
●支援巧控鍵盤與鍵盤式聰穎雙面夾

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近期上市的 iPhone 12 Pro 系列將會搭載 LiDAR,就讓我們靜待 LiDAR 鏡頭與智慧型手機結合後,能透過AR/VR開展出更多便利生活的應用 (擴增實境 Augmented Reality,簡稱AR;虛擬實境 Virtual Reality,簡稱VR)。前往 iPhone 旗艦館,看更多 iPhone 優惠

光學雷達 Light Detection and Ranging(LiDAR)
▲圖片來源:Pexel▲
Apple iPhone 12 Pro 256G (藍) (5G)

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●1,200+1,200+1,200 萬畫素主鏡頭、1,200 萬畫素前鏡頭
●超瓷晶盾玻璃+不鏽鋼邊框
●5G 上網、Wi-Fi 6、藍牙 5.0、NFC
●支援杜比視界錄製、夜間攝影、智慧型 HDR 3模式
●全新OIS影像穩定、光學雷達掃描儀
●支援有線快速充電、15W MagSafe 無線充電、7.5W Qi 無線充電
●採用 Lightning 連接埠

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手機6,400萬畫素以上 和 搭載3個後置鏡頭已成主流

由於目前智慧型手機的硬體規格差異性不大,照相功能往往變成手機評比的一大重點,因此提高成像解析度及增加鏡頭視角變成提升手機照相功能的發展重點之一。為了能讓智慧型手機的照相功能更突出,各家手機廠商除了提升主鏡頭的解析度外,也開始透過增加廣角鏡頭及變焦遠攝鏡頭等方式來提升手機的拍照性能,所以才會有手機背面相機鏡頭數日益增多的趨勢。

以今年發表的旗艦機來看,搭載3個後置鏡頭已是手機標準配備,華為新旗艦機 Huawei P40 Pro更配置了5個後置鏡頭,再加上手機鏡頭解析度的提升也是另一個發展重點,因此手機搭載6,400萬畫素以上的鏡頭解析度已成為主流。由於越高畫素的感測器需要使用更多的薄塑膠鏡片鏡頭,來減少照片周圍變形,因此手機鏡頭的成本亦會大幅提升。無論如何,3D感測器技術這方面的商機與應用發展讓人值得期待!

Apple iPhone 12 64G (紅) (5G)

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●1,200+1,200萬畫素雙主鏡頭、1,200 萬畫素前鏡頭
●超瓷晶盾玻璃+鋁金屬邊框
●5G網速、Wi-Fi 6、藍牙 5.0、NFC
●支援杜比視界錄製、夜間攝影、智慧型 HDR 3 模式
●支援有線快速充電、15W MagSafe 無線充電、7.5W Qi 無線充電
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Apple iPhone 11 64G 6.1吋智慧型手機

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●6.1 吋 IPS 技術 LCD 顯示器
●A13 仿生晶片
●1200 萬像素超廣角與廣角雙相機系統
●IP68防潑/抗水與防塵
●無線充電
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