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OPPO“3D帝國計劃”浮出水面 呼喚未來的聲音

NJ90_gh_bee81f8 ? 來源:電子發(fā)燒友網(wǎng) ? 作者:工程師譚軍 ? 2018-07-11 08:36 ? 次閱讀


根據(jù)咨詢機構Yole Développement的預測,受益于消費電子市場可預見的爆發(fā)式增長,3D成像與傳感的市場規(guī)模將從2016年的13億美元增長至2022年的90億美元,其中用于消費電子的3D成像與傳感市場將從2016年的2000萬美元增長至2022年的60.58億美元,復合年均增長率(CAGR)達到158%。

OPPO“3D帝國計劃”浮出水面 呼喚未來的聲音

2011-2022年全球3D成像與傳感市場收入預測

而比“驚人的”預測數(shù)據(jù)更有說服力的則是產品走入消費市場。

2017年,蘋果公司iPhone X中去掉Touch ID功能,轉而采用3D傳感技術的Face ID。今年,Android陣營廠商也陸續(xù)開始探索類似的3D傳感技術。

現(xiàn)階段,3D攝像頭演進出了三條主流技術路線:結構光(Structured light)、飛行時間(TOF, Time of Flight)和雙目視覺技術(Stereo Vision)。技術上雖各有千秋,但終極目的是相同的——構建一個3D的生態(tài)帝國。

帝國之前——選什么槍炮,又從哪找彈藥?

不同于過去的“百萬像素戰(zhàn)爭”,大多數(shù)智能手機從業(yè)者可能會在3D傳感技術這條新戰(zhàn)線上打得更辛苦。

首先是方案的選擇問題。從技術角度來看,3D結構光成像原理,是結構光投射特定的光信息到物體表面后,由攝像頭采集反射信息,然后再根據(jù)物體造成的光信號的變化來計算物體的位置和深度等信息,進而復原整個三維空間。該技術優(yōu)勢在于技術成熟,深度圖像分辨率比較高,但缺點是容易受光照影響。

而TOF成像原理,是發(fā)射一束經過相位調制的紅外激光到被測物體,當紅外激光被反射回攝像頭時,會因為光飛行時間的延遲,導致相位與發(fā)射時的相位有微小的變化,通過計算相位的變化,就可以計算出被測物體到攝像頭之間的距離。TOF方案基本不需要使用光學棱鏡,抗干擾性能好,視角更寬,不足是深度圖像分辨率較低。而且目前TOF方案實現(xiàn)AR功能的體驗并不太理想,業(yè)內人士分析認為這與設備不想占用太多CPU資源從而降低運行速度有關。

雙目視距則利用雙攝像頭系統(tǒng),通過兩個攝像頭的夾角形成3D圖像,原理類似人眼。目前雙攝像頭基本已經和快充一樣成為手機的標配,所以這一方案理論上成本應該最低。但整體系統(tǒng)的復雜性、高功耗、不理想的暗光環(huán)境表現(xiàn),以及低精度卻會帶來較大的局限性。聯(lián)想曾在支持Project Tango的Phab2 ProAR手機上嘗試類似的方案,但體驗并不樂觀。

雙目視覺、結構光和飛行時間技術對比

其次,更重要的是3D傳感系統(tǒng)極高的復雜性以及關鍵組件的生產問題。因為3D攝像頭包含眾多需要運作一致的零組件,還需要充分的供應鏈管理。有人甚至將3D攝像頭形容為“一堆子裝置(sub-devices)”。

與傳統(tǒng)攝像頭產業(yè)鏈相比,3D攝像頭產業(yè)鏈新增加了“紅外光源+光學組件+紅外傳感器”等部分,這使得垂直腔表面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)、準直鏡頭(WLO)、光學衍射光柵(DOE)等一躍成為核心器件。雖然3D攝像頭早期一般使用LED作為紅外光源,但LED不具有諧振器,導致光束更加發(fā)散,而VCSEL在精確度、耦合性、小型化、低功耗、可靠性方面都更有優(yōu)勢,所以現(xiàn)在常見的3D攝像頭系統(tǒng)均采用VCSEL作為紅外光源。

有分析機構認為3D傳感技術在Android陣營的大規(guī)模普及可能要到2019年,主要因為現(xiàn)階段3D感測模組的生產良率偏低:

第一,高效率VCSEL組件生產不易,目前平均光電轉換效率僅約30%;第二,結構光技術的必要組件DOE以及紅外光鏡頭的CIS,都需要極高的技術底蘊;第三,3D感測模組生產過程需考慮熱脹冷縮的問題,提高模組組裝的困難度。

帝國第一步——設計一臺支持3D結構光的手機

Find X 3D結構光相機的組成部分

6月19日OPPO Find X橫空出世,和雙軌潛望結構一樣引人注目的則是集成在這一結構中的OPPO FaceKey 3D結構光系統(tǒng)。5月初,OPPO就曾宣布過將在6個月內將結構光商用在OPPO手機中。而很多人沒想到的是,OPPO竟會在一個月內就發(fā)布產品。這讓OPPO收獲了很多“第一”的名號。但更重要的是,OPPO讓整個產業(yè)的大規(guī)模量產時間表提前了一年。

OPPO FaceKey 3D結構光

要在半年時間內完成包括結構光發(fā)射端、接收端和結構光解碼芯片在內的整個硬件方案的選型、預研、試產和驗證工作,同時快速攻破結構光模組選型、基線選型、結構光深度圖出圖、深度圖校準、深度相機與RGB相機校準、人臉安全方案驗證等重重難關,OPPO面臨的硬件開發(fā)難度可想而知。

與硬件方案同樣難啃的,是軟件方案的設計。安全人臉框架與方案的核心,包括硬件出圖、圖像校正、網(wǎng)絡算法驗證等,必須全部運行在安全的TEE環(huán)境中,以解決人臉信息、支付環(huán)境和算法的安全性。但在OPPO之前,3D人臉算法在國內無成熟經驗可借鑒。在算法自研剛啟動時,OPPO算法團隊在3D數(shù)據(jù)、服務器環(huán)境、算法方案上也均是零經驗。

然而在隨后短短的3個月內,OPPO算法團隊與硬件團隊使用結構光硬件完成了10萬人次的3D人臉數(shù)據(jù)采集,人臉數(shù)據(jù)分布覆蓋全球,并在此期間完成了500TFlops大型訓練服務器的搭建。同時,為了達到百萬分之一的誤識精度,OPPO還與AI算法公司曠視科技Face++與商湯深入探討了3D人臉識別算法,并在人臉檢測、人臉識別與活體檢測算法上形成了一套屬于自己的算法方案。

OPPO 3D人臉支付所包含的安全技術

最終,通過4輪硬件方案迭代和10輪人臉算法迭代訓練,OPPO成功完成了現(xiàn)今頂級體驗的結構光方案。對比數(shù)據(jù)顯示,在單張深度圖3D渲染、3D渲染精度、抗強光以及50cm-70cm距離識別方面,OPPO Find X方案較iPhone X更為成熟;在20-50cm距離識別、功耗、分辨率、幀速、體積等方面也毫不遜色。而國內首例3D人臉識別算法的面世,也標志著OPPO在技術研發(fā)領域已經是業(yè)界一個不可忽略的力量。

除了OPPO,安卓生態(tài)其他廠商也在摸索3D成像的技術未來。與Find X同期,小米在小米8發(fā)布會上推出了小米8探索版,在異形屏的劉海區(qū)集成了3D結構光系統(tǒng)。而就Find X發(fā)布后不久,vivo也在上海MWC期間演示了其ToF方案。

帝國發(fā)展——3D數(shù)據(jù)要安全到可以用于支付

生物識別技術最重要的因素就是安全,不應該有“之一”。這也是3D結構光人臉認證相較于2D人臉識別最大的優(yōu)勢之一。雖然后者在過去一年也成為手機發(fā)布會上必提及的功能,但以算法為主要實現(xiàn)方式的2D人臉識別雖然實現(xiàn)了非常極速的解鎖速度,依然面臨非常嚴重的安全問題。一些評測機構甚至發(fā)現(xiàn)僅僅通過用普通打印機打印一張A4的照片就可以解鎖很多2D人臉識別的手機。

比設備被解鎖更嚴重的,則是個人信息的安全性。這一方面指私人的敏感數(shù)據(jù),包括個人身份信息、以及像銀行卡號、密碼等財務信息;另一方面則是是生物信息自身,比如說指紋數(shù)據(jù)以及面部信息。銀行卡丟失還可以補辦改密碼,但是指紋或者面部信息一輩子也無法更改,外泄之后的風險是永久的。因此,這也是支付機構如果要支持人臉或者指紋認證的時候,必須要經過非常嚴苛認證過程的原因。

從另一個角度來說,支付機構對3D結構光技術認可,一方面是可以對這一技術的安全性背書,另一方面則是肯定這一技術未來能否普及的重要因素。所以技術OPPO在Find X上支持支付寶刷臉支付的意義就更加重大了。

Find X和支付寶的合作,是OPPO與螞蟻金服達成的戰(zhàn)略合作伙伴關系的一部分。除了支付以外,雙方還將成立聯(lián)合創(chuàng)新實驗室,探索硬件和軟件底層技術的深度整合,比如支持OPPO手機上支付寶的性能優(yōu)化和高頻支付場景的一步直達。

OPPO產品經理李勝在Find X發(fā)布會介紹與螞蟻金服的合作

在聯(lián)合創(chuàng)新實驗室的推動下,F(xiàn)ind X就可以做到一上市即可支持支付寶的人臉支付。以結構光為硬件基礎,并結合OPPO基于深度學習的人臉智能識別自研算法,3D人臉支付可以精確比對用戶錄入與識別的信息,將誤識別率控制在百萬分之一的支付精度,遠高于當前約為五萬分之一的指紋識別誤識別率。用戶可以期待在未來更多OPPO手機中利用這一技術,放心地用面部替代指紋、密碼或PIN碼作為移動支付應用的主要驗證方式。

帝國初現(xiàn)——打通端到端的3D數(shù)據(jù)流通

3D結構光技術獲得的3D數(shù)據(jù)如果只用于解鎖和支付,那么對豐富數(shù)據(jù)的利用顯然不夠充分,手機廠商也不會只停留在這一層面。所以,雖然iPhone X和Find X 3D結構光目前給用戶帶來了安全又新奇的體驗,但更有意義的則是兩家廠商對整個3D數(shù)據(jù)潛在布局的想像。

就在Find X發(fā)布前不久的5月,OPPO宣布成功實現(xiàn)全球首個采用3D結構光技術的5G視頻通話演示。通過OPPO手機的結構光系統(tǒng)采集3D數(shù)據(jù),利用高通的5G新空口終端原型機,最終在遠端接收顯示器實現(xiàn)三維人像畫面的還原。

3D視頻通話

在6月的WWDC 2018上,蘋果除了重點介紹ARkit 2,更隆重推出“USDZ”的3D文件格式。有開發(fā)者評論稱“這一成就堪比秦始皇統(tǒng)一六國之后實施的‘車同軌’,這種3D文件格式讓跨App間的3D數(shù)據(jù)傳輸成為可能。”就在這一發(fā)布會上,蘋果演示了同一組3D圖像可以在Safari、新聞以及是相機中跨應用呈現(xiàn)。從去年第一次在iPhone X上搭載3D成像系統(tǒng),到今年發(fā)力3D圖像的呈現(xiàn)場景,不難看到蘋果在這一技術領域的布局。

作為計算機視覺的一個分支,3D成像功能提供了底層的技術能力,并由此讓設備具備了增強現(xiàn)實(AR)、3D人臉這些新功能,而這些新功能又賦能了經典的SoLoMo業(yè)務以及新興的短視頻、直播、游戲等等業(yè)務,給予用戶新鮮的體驗。除了之前重點談及的安全支付外,三維重建、AR和游戲將極有可能成為未來通過3D結構光技術實現(xiàn)的突破性應用場景。

以AR應用為例,在3D AR游戲中,利用結構光對周圍的環(huán)境進行精確3D建模,將模型實時導入游戲中,實現(xiàn)虛擬游戲與現(xiàn)實三維世界的緊密融合,實現(xiàn)逼真的三維效果。或是通過精確的結構光雙攝相機拍攝的三維信息,可以實現(xiàn)精確的AR帖子與微表情效果。Gartner預測到2021年,40%的智能手機將會配備可用于AR的3D攝像頭,分析師Jon Erensen甚至表示,“這種功能對AR來講非常重要,我認為那是一種你絕不想落在后面的事情。”

OPPO Find X發(fā)布會介紹3D結構光應用場景

所以我們看到蘋果和OPPO都在布局AR。前者在近兩年的WWDC都把ARkit作為重點之一來介紹;后者也聯(lián)合商湯科技、浙江大學CAD&CG國家重點實驗室攜手打造出名為ARunit的開發(fā)平面,能夠支持即時定位與地圖構建(SLAM)、多平面恢復、非平面表面上放置虛擬物體、平面標志識別、光照估計、地圖保存與狀態(tài)設置、遮擋處理等特性,可以幫助開發(fā)者打造出新一代的全新AR應用。自3月19日發(fā)布,已吸引了包括京東、王者榮耀13家合作伙伴產品的入駐,并預計在2018年全年為8000萬臺OPPO手機提供AR支持。

OPPO ARunit

在OPPO看來,移動互聯(lián)網(wǎng)正在模糊現(xiàn)實世界和數(shù)字世界的邊界。虛擬圖像+虛擬圖像、虛擬圖像+實景圖像、實景圖像+實景圖像的兩兩結合將帶來泛在現(xiàn)實(Ubiquitous Reality, UR)的全新一代用戶體驗。這遠不是我們今天所看到的VR、AR這么簡單,而未來真正進一步推動沉浸式用戶體驗的,將是3D內容和“即將來臨”的5G。因此,通過主動式結構光感知目標物體位置和深度信息,對整個三維空間實現(xiàn)高分辨率、高精確度的復原,然后通過低延遲5G網(wǎng)絡對3D視頻進行實時傳輸,將成為下一代移動用戶體驗泛在現(xiàn)實的關鍵。

在5G網(wǎng)絡下實現(xiàn)3D視頻通話

通俗點說,OPPO是打算利用5G網(wǎng)絡高速率的特性,來支撐3D視頻信號的大數(shù)據(jù)傳輸,從而給用戶提供全新的通話體驗。這顯然不再僅僅只是二維層面的視頻通話,而是在一個立體空間展示下得到的視頻通話體驗。雖然現(xiàn)在因為顯示技術的局限性,并不能直接呈現(xiàn)3D數(shù)據(jù),但可以看到的是未來在3D數(shù)據(jù)呈現(xiàn)端的技術發(fā)展到位之后,我們就可以體驗科幻作品中的“全息投影”一樣的數(shù)字生活。

總結

3D影像技術確實已經成為諸多手機廠商的技術發(fā)展重點方向,其重要性在未來可能不亞于5G和AI。但因為技術應用規(guī)模化的問題,目前除了解鎖和支付,還沒有出現(xiàn)全新的殺手級應用。

廠商們普遍認為成本高、良率等問題會導致3D傳感攝像頭在2018年只適用于售價高于3000元的旗艦機型中,但從2019年初開始,會與指紋、雙攝等技術一樣,成為2000元以上智能手機的標配,而到2020年,覆蓋面將進一步擴大,千元機型配備3D傳感攝像頭將不是一件令人驚訝的事情。

3D傳感攝像頭市場滲透預估

而隨著3D技術在智能手機這一最大消費電子市場中的廣泛應用,應用場景必然會更加豐富。屆時,OPPO和蘋果的3D帝國又將表現(xiàn)出怎樣的活力?

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原文標題:連接立體的未來,OPPO“3D帝國計劃”浮出水面

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