深度剖析为何iPhone 12 Pro高调官宣代言dToF

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随着人脸识别等应用的火爆,ToF作为3D传感的主要实现技术,一夜之间近乎成为各大手机品牌的标配。苹果却是个特例,对此热潮一直持观望态度,直到2020年才正式入场。

然而,苹果的选择,却并非此前大行其道的iToF,而是更为创新、难度更大的dToF技术。不仅止于3月的iPad Pro应用,新近发布的iPhone 12 Pro/ Pro Max也都采用了dToF,可以说,苹果通过此举,正式向全天下昭告坚定站队dToF。

为什么dToF会成为苹果的心头好?除了手机,它还有什么极具发展空间的应用预期?对此,ams可算是最有发言权——ams是目前业内唯一拥有3D传感器三种主流全技术(结构光、双目立体视觉和飞行时间ToF)的传感器领导厂商,且一年前刚推出了全球体积最小dToF模块。

dToF技术的优势和核心要点

dToF技术属于1D ToF的一种,也就是对一个深度点提供精准测距。目前,1D ToF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。在具体实现上,dToF的难度更大,主要在于检测器需要对光敏感度比非常高,以便精准捕捉极为微弱的光脉冲信号(常见为使用SPAD来实现);同时,还需要能精细分辨细微的时间差(皮秒级,通常使用TDC来实现)。相比于iToF,dToF具有True-distance,快速响应、低功耗、抗光干扰以及多物体同步精确检测等优势,获得越来越多的青睐。

苹果指出,Pro机型中搭载dToF后,通过场景检测和多对象检测的可靠距离测量、背景虚化、触摸对焦,以及弱光条件下也能实现的快速自动对焦,摄像头应用变得更加强大。凭借dToF对光干扰不太敏感的特性,苹果不仅将其用于辅助自动对焦,同时还在视频拍摄和夜间模式中起到物体探测的作用。更重要的是,基于这些先进特性,苹果正光速将增强现实(AR/VR应用)带入全新境界。

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ams 1D ToF主打产品分析

作为dToF传感器的先行者和倡导者,ams推出的TMF8xxx系列,主打两款为成熟的TMF8701和2019年底发布的升级版TMF8801,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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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。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,非常适合保持常开,作为智能手机脸部识别系统的唤醒器件。相形之下,TMF8801的提升主要在于工作距离的扩展,可远至2.5m。

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ams的dToF传感器TMF8xxx系列,有如下5大优势(直方图作用机制、产品参数对比等,请看视频),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1.5和1.1mm;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

在苹果将dToF用于辅助自动对焦、不同光照下物体精准探测、用于提升AR/VR应用体验之前,在智能手机中,1D ToF主要用于前置3D传感面部识别系统。

这里,以基于1D ToF等传感系统实现的Attention Aware功能为例,介绍下1D ToF的工作。Attention Aware功能可以用于记录用户在不同应用上的有效时间,帮助用户优化其时间分配,同时,也可作为广告客户对众多应用的投放参考。

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 ToF的3D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 ToF的3D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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苹果对dToF的创新应用将随着这些高端产品逐步为广大用户所接受,业内追随者必将步步紧跟,从而在消费电子领域掀起一股热潮,一如早些年的iPhone、近两年的AirPods。站在新一轮风口的你,准备好了吗?!

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