深度丨手机大厂如何提升3D识别系统性能?

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1D ToF的创新应用有哪些?它是如何提升3D识别系统可靠性、稳定性,降低系统功耗的?拥有传感器核心技术的ams,能从哪些方面提升你的手机系统设计水平呢?

近日,在1D ToF研讨会中,ams资深技术支持经理白燕恭就以上热点问题以及1D ToF的工作原理、应用要点等做了精彩阐述,吸引到数百名专业观众观看并参与互动,整场提出200多个专业问题,火爆程度可见一斑。

例行做下公司介绍:ams是一家高速增长、拥有核心传感器技术的公司,产品广泛应用于通信、消费、信息处理、汽车、工业和医疗电子等领域。

在智能手机和可穿戴市场上,ams传感器已覆盖的方向有:

·近来需求火爆的3D传感,包括核心组件垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、泛光灯、飞行时间(ToF)等;

·智能耳机,包括业界首次实现的半入耳式耳机主动降噪等;

·后置相机的场景优化,如白平衡、闪烁光源检测、自动对焦等;

·健康管理应用中的血压、血氧、心率等生命体征监测

·可为电子商务,如网购,提供更精确颜色检测的光谱传感器

·更自然、更柔和的屏幕显示等。

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dToF技术的优势和核心要点

1D ToF技术已广泛应用于:距离检测,如扫地机器人;接近传感,扩展至笔记本电脑等更大屏幕的锁屏和解锁,以及自动化工厂中的安全距离检测,即用于工人与机器人近距离协同工作时控制安全距离;Trigger Sensing,用于无人机做室内天花板/地面迫近检测,以及商场中触发自动开关门等。可以说,只要对距离有精确测量需求的场景,就需要用到1D ToF

从技术实现方式来分,1D ToF有两种,一是直接测距dToF,即通过发射、接收光并测量光子飞行时间从而确定距离;二是市面上很成熟的非直接测距iToF,即通过测量发射波形和接收波形间的相位差换算飞行时间从而确定距离。相比之下,dToF具有True-distance,快速响应、低功耗以及多物体同步精确检测等优势。

目前领先的dToF传感器,如ams1D TMF8xxx系列,基于ams专有的单光子雪崩二极管(SPAD)像素设计和具有极窄脉宽的时间-数字转换器 (TDC),可实时测量光子的直接飞行时间,实现快速精准确定物体的距离。

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ams 1D ToF主打产品分析

简单讲下ams两个主打dToF产品的特性,已成熟量产的TMF8701和即将发布的升级版TMF8801

TMF8701有两种工作模式:0-10cm 接近/远离检测,可用于启动显示屏传感器和关闭人脸识别系统;10-60cm准确距离测量,可用于触发更高功耗的人脸识别系统(具体工作原理解析见视频,文字摘录见下节案例分享)。TMF8801的提升主要在于工作距离的扩展,可远至2.5m

值得特别留意的是,TMF8701能够以低功率运行,在以10Hz频率采样时,接近传感模块耗能仅为940µA,极低的功耗使其非常适合保持常开,可作为智能手机脸部识别系统的唤醒器件。

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amsdToF传感器TMF8xxx系列,有如下5大优势,即:

多路径干扰抑制,即SPAD秒表计时的精确控制和直方图机制,可最大限度降低多路径效应影响;

卓越的油污抑制;

人眼安全检测,已通过1级人眼安全认证;

环境光高抗干扰性,集成了光学滤波器,可以消除强光如太阳光中的红外部分,把干扰降到最低;

芯片尺寸小,比市面成熟产品节省33%的空间。

抑制光干扰是光电设计中非常重要且极具挑战性的工作ams给出TMF8x01光设计指南如下:

空气间隙(airgap),即Sensor的下表面到盖板玻璃的下表面的间距,建议为0.3-0.6mm

玻璃厚度0.55mm

发射端和接收端的玻璃开孔孔径分别为1.51.1mm

挡墙设计;

盖板上的油墨建议为85%透过率的红外油墨;

组装公差建议为+/-0.20mm

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1D ToF应用案例深度分享

最后,讲下1D ToF的应用案例。除了广为人知的应用方式,在智能手机中,1D ToF还可用于当下最流行的前置3D传感面部识别系统。以基于1D ToF等传感系统实现的Attention Aware功能为例。

现在用户手机里的应用越来越多,每个应用上花费的有效时间是多少?这个数据可以帮助用户优化其时间分配,同时,也是广告客户应用投放参考。而Attention Aware功能就可以用于记录用户在不同应用上的有效时间

具体的生效流程如下:

手机非锁定状态;

低功耗的1D ToF保持常开状态,实时进行存在检测及人脸距离检测;

人脸在工作范围内,唤醒功耗更高的泛光灯+红外摄像去做2D的脸部和眼睛监测;

如用户注意力监测时发现未检测到人脸、眼睛转向他处、闭眼过长时间等,即可判定用户注意力不在手机上,则手机屏幕可在20秒内关闭。

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3D人脸识别+Attention Aware的工作流程则略有扩展。在常开状态的1D ToF检测通过、唤醒泛光灯及红外摄像后,做头部、眼部检测及距离检测,通过后才唤醒高耗能的3D成像来进行脸部深度信息采样,比对通过后解锁。

需要留意的是,在3D提取脸部深度信息和特征信息做校验时,依然需要1D ToF做距离检测,以提供脸部距离给3D做距差还原后进行比对。这是因为,当人脸离屏幕的距离与扫描入库时的规范距离不一致的时候,脸部会略有些变形,需要在比对时做还原处理。通过这样缜密的人脸识别进行解锁,能够提升解锁系统的安全性。

实测数据显示,集成1D ToF3D识别系统,1次解锁流程可节能超70%。更需留意的是,未集成1D ToF3D识别系统有效工作距离更窄,由正常的20-60cm缩减为25-40cm,用户体验更差。

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