世界移動通信大會（MWC）期間，全球領先的高性能傳感器解決方案供應商艾邁斯半導體（ams AG）和計算機視覺成像軟件的領導廠商虹軟ArcSoft展示了一款用于Android移動設備在3D傳感系統領域的3D直接飛行時間（dToF）傳感解決方案。會后艾邁斯半導體召開了線上發布會，對這款產品進行了詳解解答。

文章開篇，筆者想先為大家介紹艾邁斯半導體。艾邁斯半導體主要為消費、通訊、工業、醫療和汽車市場的客戶提供包括傳感器解決方案、傳感器IC、接口及相關軟件在內的產品。總部位于奧地利，在與歐司朗整合后，其旗下擁有近30000名員工，近5500名工程師。全球大概有30個左右的設計研發中心，遍布歐洲、北美、亞洲，共獲授權和申請了15000多項專利，2020年度營業收入42億美元。

艾邁斯半導體作為所有半導體行業公司中唯一一家能在傳感、照明、可視化方面提供全平臺全方案的公司，在創新能力上倍受認可。其本次帶來的全新的基于VCSEL技術的3D dToF解決方案，支持即時定位及地圖構建（SLAM）與實時3D圖像處理能力，以增強現實（AR）能力。

什么是dToF？dToF有何優勢？

目前市面上常見的3D深度方案主要包括雙目、飛行時間和結構光三個技術方向，三種方向各有優劣。其中ToF技術（Time of Flight）中文直翻為飛行時間，相比較雙目和結構光方案，ToF的精度取決于其脈沖持續的時間，在精度上不會隨著距離的增長而顯著降低，所以ToF技術在不同距離的誤差相對雙目技術和結構光技術更加穩定，在遠距離也有著更好的精度。

ToF技術又可分為iToF間接飛行和dToF直接飛行，其中iToF通過發射特定頻率的調制光，檢測反射調制光和發射調制光之間的相位差測量飛行時間。目前 iToF分傳統的 iToF和 SPAD兩種， iToF是用相位測量距離，因此距離越遠，測量精度越低。iToF在芯片的工藝和產業鏈雖然已經趨于成熟，但達到的效果并不是很完美。

而dToF通過直接向測量物體發射一個光脈沖，然后測量反射光脈沖和發射光脈沖之間的時間間隔，從而得到光的飛行時間，從而取得待測物體的深度。在激光功耗、抗干擾、遠距離精度等方面相較于iToF有著明確的優勢。但dToF在工藝和生產鏈中均離成熟尚遠，所以仍需較長時間的打磨。

dToF的未來應用場景如何？

3D產品線的高級市場經理Sarah Cheng表示：“3D ToF技術因為其結構簡單、探測距離更遠、精度更高更穩定等特性優勢，使手機后置3D相機的應用場景更加多元化。ToF鏡頭主打的虛擬現實功能將在線上虛擬購物、虛擬游戲等體驗方面起到良好的作用。”

Sarah Cheng介紹到，在有用的距離和環境光范圍內提供高精度、低噪聲、高可信度的深度信息是沉浸式AR的基礎。在室內以及室外環境光條件下達到3-5米以上的距離，在這樣的距離范圍，尤其是在室外強光照條件下，只有dToF可以滿足這樣的要求。

從技術層面來說，iToF在真實場景中受限于存在復雜的漫反射甚至鏡面反射，會使得測量值變大，嚴重影響了3D重建的效果。另外iToF往往采用泛光投射，它和遠距離和高精度這一對矛盾在原理上很難調和。

dToF由于直接測量飛行時間，它的誤差在正常工作范圍內不隨距離而變化，并且受到多境等因素的干擾較小，在精度、距離、功耗及抗干擾能力等關鍵參數上都優于iToF，在遠距離、復雜環境的應用有優勢。

Sarah Cheng表示，ams dToF系統比市面上已有的iToF系統可覆蓋的范圍更廣，在3D渲染過程中渲染速度比iToF更快，覆蓋范圍更廣，在三維重建過程中對于整個系統運行的時間和算法運行的時間就會有一個非常大的優勢。其次，它對于平面，也就是它的特征管理相對較少的情況下，表現也遠遠優于iToF。

dToF在3D渲染過程中可提供更高質量的深度圖，從而達到更精細的3D網格細節，同時使用高質量的深度圖進行掃面，以精準還原對象的形狀，而且可以輸出即時深度，這些都為高質量的場景重建奠定了基礎，成為AR應用的一個重大關鍵創新技術。

除應用于智能手機市場外，現在3D在工業領域上和汽車領域也都開始了廣泛的應用。大中華區應用市場總監Bing Xu博士表示：“dToF最大的優勢就是它的測量精度不隨距離改變，而車載基本上要用到100米以外甚至200-300米，dToF的技術就非常適合車載。除此之外還有安防，我會說安防這塊并不是只局限于我們目前認知的安防裝幾個安全攝像頭，安防包括所有的各種各樣跟安全相關的，包括比如我們馬路上的，馬路上車來車往的，對車進行實時的監測，比如交通監測方面，還有電子消費領域，比如我們刷臉，現在刷臉用的基本上是iToF或者結構光的方案，我覺得dToF也是大有一展身手的空間。太多了，還有智慧居家等等，你回到家里面它馬上就能感知到有人進到這里面來，比如你家里冬天冷了夏天熱了需要開空調，家里可能有三四個人，就根據這三四個人的分布來調節燈光，來調節空調室內的溫度，等等等等，太多太多了。”

艾邁斯半導體在dToF技術上有哪些優勢？

據了解，在ams集團的產品平臺里面有著全套的各種各樣的光源產品，從光源發射器再到光學組件和微模組。3D dToF的方案實際上也就是從一個發射器光學器件、模組和一些算法和感測器綜合結合的一個組成。ams在3D傳感領域有著非常深入的學術研究和豐富的量產經驗。針對3D系統的解決方案，包括光學器件、VCSEL等零部件，到模組封裝以及系統集成，包括集中涉及的各種算法及軟件，都成為ams提供差異化解決方案的重要基石。

ams憑借著其獨有的在各個構件模塊的差異化技術，從光學器件到VCSEL再到自主封裝和獨到的人眼安全集成加上自主系統設計以及中間件和算法，推出ams自主研發的完整的3D dToF解決方案。

ams dToF解決方案是一套完整的技術堆棧，包含了高功率紅外垂直腔面發射激光器（VCSEL）陣列、點陣光學系統和高靈敏度單光子雪崩光電二極管（SPAD）傳感器；ArcSoft中間件針對艾邁斯半導體光學傳感器系統的特點進行了優化，并結合RGB攝像頭的輸出，將深度圖轉換為精確的場景重建。ArcSoft軟件還將3D圖像輸出與移動設備的顯示屏相結合，提供更身臨其境的增強現實體驗。

整個系統分為兩個模組，一個是高功耗的照明模組，而另外一個是SPAD 3D 攝像模組，手機廠商設計整個系統的時候，有更多的靈活性在主板上去做零部件的排位和設計，這樣它們的靈活性會更高。

ams dToF的解決方案在差異化上的優勢主要體現在：第一，它在所有光強條件下（強光，弱光，室內，室外，較復雜的環境光等），在恒定分辨率下可實現較大的距離檢測范圍和較高的（不變的）距離檢測精度。第二，它具有一流的高環境光抗擾性，其峰值功率比目前市面上提供的3D ToF解決方案高出20多倍，它可以在室外強光的環境下仍然保持非常好的精度和性能。最后，它針對移動設備優化了最低的平均功耗，比如說像房間典型的3米掃描距離內，在大約30幀/秒的運行情況下可以達到最低平均功耗。

作為市面上現有的唯一一個dToF全套系統供應商，ams其完整的3D dToF技術堆棧可以最大限度地降低手機廠商集成的復雜度和工作量，同時達到系統最優化。艾邁斯半導體傳感、模塊和解決方案業務線高級副總裁Lukas Steinmann表示：“我們預見，從2022年開始，高端Android移動設備將會更大范圍地采用3D dToF技術來改善后置AR用例和圖像增強功能。ams很榮幸能與ArcSoft合作，在這個市場上占據領導地位。通過結合雙方互補的一流技術，我們將共同為高端移動平臺用戶提供更優化的AR用戶體驗。”
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