【圖解】3D感測技術發展與應用趨勢|大和有話說

3d-scanning

自Apple於iPhone X搭載前置3D鏡頭,實現高效精準的人臉辨識功能後,3D感測又引起了熱烈的關注。根據市調機構Yole Reports預估,全球3D成像與感測器的市場規模在2016-2022年的CAGR為38%, 並於2022年超過90億美元。其中,消費電子更是增長最快的應用市場,2016-2022年的CAGR高達160%,預計2022年市場規模將超過60億美元。

 

ㄧ、什麼是3D感測?

傳統2D平面的影像辨識雖然透過RGB彩色相機即可擷取分析,但也易受到拍攝角度與環境照明等條件干擾;在此情況下,3D感測相較2D多了個深度偵測,從平面的X、Y軸增加為X、Y、Z的三軸座標,可擷取目標物的深度圖像,並獲取空間的立體資訊,不僅提高辨識的精準度,應用也更加廣泛。

 

二、三大主流3D感測技術

3D感測技術目前主要可分為立體視覺(Stereo Vision)、結構光(Structured Light)、飛時測距(Time of Flight;簡稱:TOF),各技術發展皆已具備商業化應用的水準。

1.立體視覺(Stereo Vision

立體視覺(Stereo Vision)是基於人眼視差的原理,在自然光源下,透過兩個或兩個以上相機模組從不同的角度對同一物體拍攝影像,再進行三角測量法等運算來取得與物體之間的距離資訊。

立體視覺的優點是省電、明亮環境表現佳,適合在戶外長期運作,但缺點是軟體演算法複雜、延遲性高,且不適合在昏暗環境使用。

立體視覺目前已應用在各種3D相機、AR/VR頭戴式裝置、機器人等領域,由於具有低成本優勢,通常與結構光、TOF混合使用,如智慧車應用領域。

立體視覺原理

2. 結構光(Structured Light

結構光(Structured Light)是一種主動式深度感測技術,基本零組件包含IR發射器、IR相機模組、RGB相機模組等。

其原理是先對物體發射特定圖案的光斑(Pattern),再經由攝影機來接收物體表面上的光斑圖案編碼(Light Coding),進而比對與原始投射光斑的異同,並利用三角原理計算出物體的三維座標。

結構光的優點是深度準確高,但缺點是易受自然光照影響,較適合短距離測量。目前已應用於人臉辨識、體感遊戲機、工業用機器視覺檢測(AOI)等領域。

結構光原理

3.飛行時間測距(Time of Flight;簡稱:TOF

TOF也是一種主動式深度感測技術,其原理為透過紅外線折返的時間去計算跟物體之間的距離,以得出3D景深圖。基本零組件包括IR發射器、IR接收器、RGB相機模組和感光元件或感應陣列。

TOF的優點是探測距離遠、掃描速度快、抗光干擾性佳,惟準確度有限及體積過大缺點。目前已應用在醫療檢測、工業用機器視覺等領域。在消費性電子方面,則獲得Google、Microsoft、STM、TI、Infineon等大廠支持,應用在遊戲機、AR/VR及智慧車的光達測距技術。

TOF原理

4.三大3D感測原理比較

3D感測比較表

 

三、全球大廠佈局與應用趨勢

目前3D感測的發展狀況,包括像是聯想、微軟、Intel以及Asus,他們都有發表關於3D感測技術的個人電腦及手機。例如,微軟在2010年便與Prime Sense合作推出體感周邊Kinect第一代,用在X-BOX 360的主機上,並於2012年先後收購TOF技術廠canesta和3DV,開發Kinect二代。

而蘋果在手機的3D感測技術也有很深的佈局,在2005年就申請了3D物體辨識專利,並在2013年併購了3D感測技術供應商Prime Sense,在3D感測手機市場大幅的領先。

另外,SONY在2015年10月宣佈收購比利時感測器商SoftKinetic,以TOF相機鏡頭,強化手勢與臉部追蹤能力。Google也在2015年就切入Project Tango的專案,在2016年已完成了運動追蹤、深度感知等應用,適用在AR的遊戲與室內導航上。

隨著3D感測技術的發展,未來在人臉辨識、手勢操作、AR、VR、ADAS、L3以上自動駕駛、無人機以及無人工廠的應用將會更加全面。只不過,3D感測雖喊的火熱,但目前市場似乎還是叫好不叫座。

在我看來,在應用端前景尚屬模糊的情況下,也許先回歸3D感測原理的本質,從相關零組件進行佈局會更實際些。例如,不論是TOF還是結構光技術,所使用的雷射光,多是以技術較成熟、光束也較集中的VCSEL(垂直共振腔面射雷射)為主,這種雷射技術就值得我們多注意。

畢竟,一個產業要發展,裝備一定要先上來。就像在美國西部挖金的產業鏈上,賣的最好的就是斧頭跟牛仔褲啊。

 

參考資料

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  11. 魏聖峰,2017,先探/3D感測 蘋果亮點受期待https://www.ettoday.net/news/20170304/877007.htm,最後搜尋日期:2017年3月8日。

 


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