5G换机年代水晶光电为何获益TOF

下一代iPhone都会用的TOF摄像头，到底是什么？

1.什么是ToF传感器，它是如何工作的?

ToF（飞行时间）是一个包罗万象的术语，指的是一种技术，它可以测量某物（激光、光、液体或气体粒子）飞行一定距离所需的时间。具体地说，使用ToF传感器后，红外激光阵列被用来发出激光脉冲，激光脉冲从它前面的物体反射回来，再反射回传感器。这样通过计算激光到达目标并返回需要多长时间，就可以计算出它离传感器有多远。通过知道一个房间里所有不同物体的距离，你可以计算出这个房间和里面所有物体的详细3D方位图。

这项技术通常用于无人机和无人驾驶汽车等设备的摄像头中，但最近，我们也开始在智能手机中看到这种技术。

2.它与Face ID有什么不同?

人脸识别等其他类似的系统主要使用红外投影仪对数千个点组成的网格进行脉冲，然后手机会拍一张2D照片，并用它来计算深度地图。飞行时间传感器的工作方式不同：通过使用飞行时间数据来计算激光到达目标所需的时间，它获得的是实时的三维深度数据，而不是二维的数据。

这带来了几个优势：由于基于激光的系统，它比苹果基于网格的人脸识别系统工作范围更广，后者只能在距离手机10到20英寸的地方工作——如果识别主体太远，网格上的点间距太大，无法提供有用的分辨率。理论上，ToF能够提供更精确的数据。LG G8就是一个很好的例子，它使用ToF传感器来实现动作感应手势，允许实时跟踪和识别每个手指，从而用隔空手势来完成部分操作。

3.为什么苹果想要使用它?

苹果打算在2020年的iPhone后置摄像头中加入ToF传感器，但并非取代现有的面部识别红外系统。在手机设计制造方面，将ToF布置在后置摄像头区域能更容易的放置主动光源，减少对手机空间的挤压。最关键的是，ToF技术已经相对成熟，它的成本也比3D结构光更低。苹果今后的发展重点是让手机成为增强现实功能的最大平台，而ToF传感器可以跟踪物体的移动，允许未来的iPhone环视整个房间，为开发者和用户创建一个精确的3D渲染图。

ToF还有一个好处就是可以为人像模式的图片提供更好的深度感和立体感（华为已经在P30 Pro上实现了这一点），由于自带红外光源，暗光环境下同样可获得准确的景深信息，还有相比3D结构光更远的识别距离，ToF自然成了手机对焦辅助的不二之选。在充当广域激光对焦角色的同时，也有着更丰富的景深信息，从而带来更好人像模式体验。

4.使用ToF的其他手机

从成本方面考虑，增加ToF镜头，显然比提升算法或是采用新型技术来得更加容易，因此一些厂商已经在他们的设备上运用了这项技术，如前所述，LG G8S ThinQ的前置摄像头中就搭载了这种黑科技，可实现隔空动作手势，并且让人像拍摄更为立体。

华为的P30 Pro采用了一颗ToF景深镜头来捕捉画面的深度信息，根据官方介绍，P30 Pro可以测量真实物体的高度、深度、体积和面积，精确度超过98.5%。

此外，OPPO R17 Pro，荣耀V20等也已经用上了ToF摄像头。必须得说，ToF给智能手机带来更多玩法，不仅仅惠及拍照的人像虚化，荣耀V20上的3D体感游戏就是利用手机上的ToF镜头进行实时动作捕捉，可玩性还是很高的。

这一次，我们来谈谈，新款iPhone上那颗新增的摄像头。

过去一年时间里，我们并非没有见过后摄数量超过“2”的手机。其中最具代表性的是华为P20 Pro和华为Mate20系列，在彩色主摄和黑白副摄基础上，增加长焦镜头，突破手机在多倍变焦下的成像限制。而从DXOMARK的结果来看，三摄设计的确为两个系列手机争得了相当不错的成绩。

同为三摄，新款iPhone所采用的方案却和华为有着很大不同。从iPhone7 Plus开始，iPhone一直采用广角+长焦的双摄方案。而新款iPhone在保留该方案基础上，增加了一颗TOF深感摄像头。

TOF摄像头 VS. 3D结构光

TOF（Time of Flight，飞行时间），其实是一种深度信息测量方案，主要由红外光投射器和接收模组构成。投射器向外投射红外光，红外光遇到被测物体后反射，并被接收模组接收，通过记录红外光从发射到被接收的时间，计算出被照物体深度信息，并完成3D建模。TOF已经被大范围的应用在测绘、物流、无人驾驶等多个工业领域，方案成熟，但在消费电子领域上的应用还是比较少见的。

与之相对的，是目前多家厂商在面部识别上所采用的3D结构光技术，iPhone X、OPPO Find X都是采用了3D结构光方案。与TOF不同，3D结构光通过利用点阵投影仪向外投射多个光斑到被测物体，以红外摄像头拍摄被测物体的三维光图像，再经由处理系统计算物体深度信息。

我们通过下图来具体对比一下TOF和3D结构光之间的能力差异。

不难看到，3D结构光在深度测算的精度更高，但工艺相对复杂，并且对环境光线和识别距离都有比较高的限制。而TOF对环境光线的适应能力更强，识别距离能够达到10m，响应时间也更快，而且工艺难度也相对低，在识别精度上不如3D结构光。所以，厂商们在人脸识别方案的选择上，更偏向于3D结构光，就是要保证识别精度和安全性。

TOF摄像头，不只是拍照的利好

都说“因地制宜，方可物尽其用”。TOF虽然在识别精度上与结构光存在差距，但把它用在后置摄像头上，其优势却补上了后置摄像头对深度信息测算无力的短板。

在人像拍摄上，我们追求接近单反的“焦内锐利如锋，焦外虚如奶油”，但一直以来双摄+算法抠图呈现出来的效果并不尽人意。在一些场景下，我们伸出的五指被虚化了三根，凸起的发丝直接被抹去，这些都是硬件不够，算法不优造成的伤。

TOF摄像头的加入，后摄模组可以通过快速、远距离获取较双摄精度更高的景深信息，从而完成较结构光更大范围的3D建模。因此，在人像模式下，拥有TOF镜头的手机在虚化效果上会更加真实，富有层次。而从成本方面考虑，增加TOF摄像头，显然比提升算法或是采用新型技术来得更加容易。

卖软件的苹果，靠硬件护城

TOF摄像头在新款iPhone上的应用，这既是一次硬件试水，更是对软件生态优势的扩大化。从iOS11推出之前，苹果就慢慢的开始布局AR项目，而回顾这几年的苹果发布会，演示AR应用的时间甚至还超过了对一项新技术的说明，足见苹果对AR应用的重视。

而当前，普及AR应用的挡路石并非应用本身，而是精度不足的数据。印象很深刻的一次，隔壁桌同事第一次使用iOS11上的「测距仪」，对着600毫升的可乐长度，屏幕上显示的数值比一罐500毫升的可乐还小。即便用了「据说准确度更高的Fancy AR 尺子」，还是存在存在不能容忍的误差。这也就导致了AR应用还处于一个「可玩而不实用」的尴尬境地。　TOF摄像头的加入，提高数据精度，也就提高了软件的可用性。用户愿意使用，自然也刺激了软件开发者的注意力和投入力度。换句话来说，硬件跟上了，软件也就不愁卖了。

光学和超声两种屏下指纹方案以及结构光和TOF两种3D识别方案介绍

为应对全面屏时代电容式指纹面临的困难，供应链厂商主要提出三种不同的解决方案，第一种是以汇顶、新思为代表的光学方案，第二种是以高通为代表的超声波指纹识别方案，最后一种是以韩国厂商 CrucialTec 等为代表的 DFS 全屏幕识别方案。

三种方案中，DFS 方案对于屏幕和指纹识别模组的整合程度要求较高，可能带来高成本等问题，目前方案仍处于试验阶段，存在不确定性。与之相比，光学方案和超声方案相对成熟，其中光学方案兼容 OLED 软硬屏，相对适用于软屏的超声波方案应用场景范围更广，预计将在一定将期间内成为屏下指纹方案的主流。

光学指纹识别方案的产业链大致上可以分为算法及芯片（核心领域）、CMOS （将光信号转化为电信号）、Lens（主要是微透镜阵列）、滤光片以及产品封装。

3D光学识别方案的技术路径则大致上可以分为结构光方案（前置识别）和TOF（后置/动态场景）。

结构光算法芯片主要厂商有 Primesense、MV 和英特尔，国内奥比中光拥有自主产权；发射端（激光器和光学元件）国外为主，行业壁垒较高；接收端（镜头和模组）国产化替代程度较大，水晶光电、舜宇光学、欧菲光、丘钛科技等厂商已切入该领域并实现量产。

TOF 产业链最重要的包含红外源、红外传感器、红外滤光片，以及传统的光学组件和镜头。相较结构光方案而言，TOF 方案在发射端不需要 DOE 和准直镜头，而仅仅只需要 VCSEL 光源即可，算法芯片供应商主要为微软、TI、三星等。

随着3D面部识别的易用性、可靠性和技术成熟度获得逐步认证，以及相关VR/AR应用的拓展，这将成为主流的全面屏时代生物识别方案，但在此之前，基于用户习惯和使用便捷性，屏下指纹识别将在接下来几年赢得市场，相关产业链国产替代进程有望加速，且且未必会被3D面部识别方案挤压。

3D sensing 成趋势，ToF应用前景广阔

3D sensing 是智能手机创新的趋势之一，当前正加速向中低端手机渗透。目前实现 3Dsensing 共有三种技术，分别为双目立体成像、结构光和 ToF，目前已经比较成熟的方案是结构光和 TOF。其中结构光方案最为成熟，已经大规模应用于工业 3D 视觉，TOF 则凭借自身优势成为在移动端较被好的方案。

3D 结构光最早应用于苹果旗舰 iPhone X，结构光理为通过近红外激光器向物体投射具有一定结构特征的光线，再由专门的红外摄像头进行采集获取物体的三维结构，再通过运算对息进行深入处理成像。该技术目前共有编码结构光和散斑结构光两种实现类别。结构光技术仅需一次成像就可得到深度息，具备低能耗、高成像分辨率的优势，能够在安全性上实现较高保证，因此被大范围的应用于人脸识别和人脸支付等场景。但结构光技术识别距离较短，大约在 0.2 米到 1.2 米之间，这将其应用局限在了手机前臵摄像，大多数都用在 3D 人脸识别屏幕解锁、人脸支付及 3D 建模等。

ToF（Time of Flight）技术是 2018 年才被应用到手机摄像头的 3D 成像技术，其通过向目标发射连续的特定波长的红外光线脉冲，再由特定传感器接收待测物体传回的光号，计算光线往返的飞行时间或相位差，从而获取目标物体的深度息。ToF 镜头主要由发光单元、光学镜片及图像传感器构成。其识别距离可达到 0.4 米到 5 米，因此已有品牌，如 OPPO、华为等，将其应用于手机后臵摄像。ToF 技术具备抗干扰性强、FPS 刷新率更高的特性，因此在动态场景中能有较好表现。另外 ToF 技术深度息计算量小，对应的CPU/ASIC 计算量也低，因此对算法的要求更低。但相对于结构光技术，ToF 技术的缺在于其 3D 成像精度和深度图分辨率相对较低，功耗较高。

双目立体成像理较为简单，即利用双摄像头拍摄物体，再通过三角形理计算物体距离，合成立体图像。其具有高 3D 成像分辨率、高精度、高抗强光干扰的优势，同时能保持较低成本水平。但由于需要通过大量的 CPU/ASIC 演算取得它的深度和幅度息，其算法极为复杂较难实现，同时该技术易受环境因素干扰，对环境光照强度比较敏感，且比较依赖图像本身的特征，因而拍摄暗光场景时表现差。由于以上因，双目立体成像技术在手机上较少应用。

结构光技术和 ToF 各有优势，在移动端的应用上具有互补的特性，但不可否认的是，ToF的多场景应用呈现出了更为广阔的发展前途。iPhone X 对 3D 结构光的应用带动了这项技术的发展和渗透，目前相较于 ToF，结构光技术在应用上更为成熟，出货量上明显占优。而且结构光的扫描效果更为真实，具备更强的 3D 还能力。但遗憾的是，作用距离的劣势限制了其应用。ToF 技术弥补了距离上的缺陷，由于能够支持更远的作用距离，ToF 技术可以被应用于包含 3D 人脸识别、3D 建模以及手势识别、体感游戏、AR/VR 在内的更多场景中，从而为智能手机更娱乐性和实用性的体验。此外，相比结构光技术，ToF 的模组复杂度低，堆叠简单，能做到非常小巧且坚固耐用，在屏占比逐步的提升的外观趋势下，更得到手机厂商的青睐。

我们生活在一个三维的空间，对周围物体及环境的大部分经验来自于对深度息的感知。对于人们来说，立体化的 3D 视觉比 2D 图片的形式要生动、沉浸许多，这也是人们所追求的直观体验。为解决这一需求痛，3D 建模技术应运而生并迅速发展。3D 建模即通过相机等设备对物体进行采集照片，获取周围环境物体三维尺寸和深度息，经计算机进行图形图像处理以及三维计算，从而全自动生成被拍摄物体的三维模型的技术。曾经主流的 3D 建模实现都十分昂贵，而当 3D 镜头技术和传统的镜头结合起来，意味着在移动端即可实现 3D 建模，ToF 技术正推动着 3D 建模应用。

TOF模组应用于手机前摄，能轻松实现人脸解锁、支付、Animoji表情等应用。TOF应用于手机后摄，可实现vSLAM、AR等领域的应用，如AR拍照、AR游戏、测距、虚拟购物、虚拟试衣、室内定位与导航等。

随着相对低成本、更简单的TOF 3D超感应技术的推出，2019年这项技术有望在高端、中端Android手机上得到应用。

据悉，瑞声科技、水晶光电等中国供应商已确定进入3D传感器供应链，但部分关键部件仍然依赖进口，像垂直腔表面发射激光器、衍射光学元件等等。

Digitimes预计2019年使用TOF 3D传感器技术的智能手机出货量将达到2000万台。

华为、OPPO、vivo、小米等手机品牌在2019年推出搭载TOF 3D超感应技术的智能手机。

明年后置TOF爆发？苹果有望领队导入，安卓阵营快速上量

如果说三摄持续渗透，四摄搭载率提升将成为明年手机摄像头的趋势，那么随着5G时代的普及，TOF快速上量或将成为明年摄像头市场的有一大发展的新趋势。

明年手机摄像头的搭载率较2019年还将进一步提升，其中提升幅度最为明显的是四摄和后置3D摄像头。

5G时代正向我们走来，而如果说明年后置3D摄像头搭载率提升，那么这也就从另一方面代表着手机TOF的用量将大幅度提升。

针对2019年手机摄像头升级趋势，有调研机构也直言，2018年苹果普及前置结构光，2019年安卓尝试后置TOF方案，而2020年苹果有望导入后置TOF，安卓后置TOF也将快速上量。

2020年TOF或大火

3D摄像头作为三维世界信息采集的入口，可以结合5G实现手机端AR应用，有望在5G手机时代普及。

而谈及3D摄像头，结构光便成为必谈的一个方案，因为3D摄像头因苹果导入的脸部识别应用而名声大噪。

业内人士均了解，苹果在2017年的OLED版iphone中率先导入前置3D摄像头，这是整个行业爆发的起点。

目前3D摄像头主要有结构光和TOF和双目三种3D方案。其中结构光近距离精度高主要应用智能手机至手机人脸识别、解锁支付等领域；双目被应用于安防、智能货柜等领域；TOF被应用于智能手机后置拍照、人脸识别、解锁支付、VR、AR、汽车电子、安防监控以及扫地机、门锁、新零售等多个领域。

虽然说作为前置3D摄像头，TOF近距离精度不及3D结构光，但是，近两年随着TOF技术的提升以及成本的下降，并且5G可能带来的爆款AR内容，终端厂商在2019年逐渐重视起3D摄像头在智能手机中的地位。

截止目前，华为、OV、三星等厂商均推出后置TOF的机型。其中，三星S10 5G版、华为Mate 30 Pro前后也均采用了TOF方案。有意思的是，除了安卓阵营外，又一位手机行业大咖明年或将加入至这一阵营中。

预期3款新2020 iPhone均配备前置Face ID，有2款新机型会配备后置ToF。同时，部分华为的高端机型采用前后ToF。预测华为在2019与2020年配备前后ToF手机出货量分别为约1200万与2700万部。

“大咖”的加入或意味着TOF应用领域更为成熟，而一位业内人士透露，从目前的情况去看，明年后置3D摄像头的增长率将会显著增加，安卓阵营TOF后置摄像头将快速上量。

明年摄像头红利依旧

除了TOF上量外，明年摄像头的发展空间依然庞大。

有业内人士曾表示，有调研机构预测，2020年迎来5G换机周期，手机销量有望转暖。

其实，5G所带来的除了是手机换机周期，销量有望转暖外，它还给打开了智能物联网时代的大门。

业内人士均了解，摄像头是智能手机的核心器件，在智能手机及物联网中其扮演者重要的作用。

而据业内人士预测，在手机端，明年受益于多摄的持续渗透，摄像头的用量还将进一步增加。

当然，若真如此，那么在5G销量有望转暖3D TOF上量及摄像头搭载率提升的情况下，明年摄像头红利依然存在。

同时，除了智能手机这一领域外，其实摄像头的应用场景范围正在逐步扩大，可以明显的察觉到，受物联网的加快速度进行发展，摄像头供应商们在原有的摄像头市场中也开拓出了又一重要业务板块。

由此可见，除了智能手机这一领域外，物联网时代下的摄像头凭借着自己独有的特性，在慢慢的变多的领域扮演着自己的角色。

例如扫地机器人、无人驾驶、地铁闸门T及其他新零售等多个领域，明年对于摄像头厂商而言，随着5G时代的来临，非手机摄像头或将成为他们发展的又一个重要领地。举例（ToF雷达采用LED光源和高灵敏度探测器，它的抗强光干扰光源可有效降低环境光、水汽吸收等影响，识别精度达1cm，适用于AGV、无人机定高、车辆限高测量等多应用场景。）

从去年到今年，TOF技术开始逐渐受到厂商的青睐，采用TOF的产品也慢慢变得多。诚然，在大多数应用场景中，TOF给消费者的印象更多是锦上添花，而非必不可少。但技术的进步以及产品的发展，加上厂商的差异化需求，都让TOF技术有了些用武之地。慢慢的变多的厂商开始采用1D TOF技术，便很明显的表露出，如今已是爆发前奏。而技术方面的要求更高的3D TOF，或将在以后与AR技术一同爆发，值得期待TOF在未来的表现。

今年一定要重视这个赛道！

$水晶光电(SZ002273)$ $欧菲光(SZ002456)$ $中光学(SZ002189)$

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