深度報告拆解iPhone X核心技術：Face ID到底靠不靠譜？
智東西
編 | 十四
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當地時間9月12日，蘋果在喬布斯劇院舉行了秋季發布會，發布iPhoneX、iPhone 8/ 8 Plus、4K版Apple TV以及Apple Watch 3。其中，iPhoneX作為十周年獻禮作，採用OLED全面屏（占屏比81.15%），內置64位架構的A11和嵌入式M11運動協處理器，取消Home鍵，採用Face ID解鎖。
有的人就要說了：沒有新意啊，全面屏啊雙攝啊無線充電啊，追著中國廠商跑啊，「劉海兒」醜死啦。誠然，面向消費市場，智能手機的設計理念同質化愈發嚴重，工業工程和企業管理出身的庫克很難在美學方面提供驚喜，但是，iPhoneX背後的AI+AR戰略，也許值得關注。
本期的智能內參，我們推薦來自海通證券和中信證券的蘋果AI+AR布局分析，結合智東西市場觀察，從硬體和軟體兩個維度出發分析3D深度視覺的實現路徑和可拓展前景，剖析iPhoneX的王牌技術以及庫克的戰略野心。
以下為智能內參整理呈現的乾貨：
Face ID：不得已 or 新布局?
全面屏與指紋識別的衝突
*四種常見指紋識別技術（光學、電容、熱敏、超聲波）
自2016 年底開始，手機顯示屏的競爭在三星、小米、LG等廠商的推動之下，已經向18:9甚至18.5:9、19:9、20:9的長寬比挺近。特別是小米MIX和三星S8的推出，使得高屏佔比「全面屏」已經成為高端手機的最新潮流。
第162期智能內參指出，全面屏不是更換一塊更大的顯示面板那麼簡單，而是對面板、指紋識別、受話器、前置攝像頭、天線等零組件重新設計的系統工程，將帶動手機零組件發生巨變。
目前手機端指紋識別的主流方案為電容式方案，其信號難以穿透 0.3mm 以上的玻璃。因此，指紋識別在全面屏時代只有後置（三星S8）和Under Display（光學式與超聲波式）兩種較為可行的替代方案。前者體驗不佳，後者技術成熟度不足。
預謀已久的3D視覺
*Face ID功能
2017年5月，美國Business Insider就爆料，蘋果有超過 1000 名工程師正在從事 3D 相機的研發工作。
而最後發布會出來的成果是：iPhone X可以通過抬手或者點擊來喚醒屏幕，藉助神經網路技術和A11的生物引擎，加上屏幕上方的景深感知TrueDepth攝像頭系統，其紅外線發射器可以發射3萬個偵測點，蘋果實現了誤差小於100萬分之一的高精度人臉識別手機解鎖——Face ID。
Face ID作為蘋果3D視覺技術的里程碑式用例，背後是近7年的精心布局：一方面收購行業內優秀的公司，進行技術布局和生態建設，另一方面不斷優化技術，發布專利，進行專利布局。
*蘋果在3D視覺領域的布局
通過收購結構光先驅PrimeSense（微軟Kinect 1代、華Xtion等方案提供商），蘋果掌握了 3D視覺最核心的技術，並推動其3D體感感測技術向小型化發展。通過對Linx（多攝像頭技術） 、Faceshift（面部表情識別技術） 、Emotient 、Flyby Media 、RealFace（人臉識別技術）等多家公司的收購，蘋果已經為3D 視覺領域搭建了完善的生態體系。
*2015年蘋果3D手勢控制技術專利
2015 年 4 月，美國專利局公布蘋果 3D 手勢控制技術專利，是一種能夠精確識別人手手勢的 3D 機器視覺系統。利用這種技術可以通過專業化的演算法精確地識別用戶的手勢。
*2015年蘋果3D 手勢控制專利-辨別視頻中的物體
2015 年 10 月，蘋果公司關於手勢和面部識別的專利再次出現，當用戶與他人通過視頻相關的應用（如視頻）進行互動時，他們可以通過簡單的手勢，將視頻畫面中特定對象保存為本地圖片，這需要 3D 視覺技術才可以完成。
*2016年蘋果3D手勢識別專利結構圖
2016 年 7 月，蘋果公布新型 3D 手勢控制專利，是一個 3D 圖像投影儀，內嵌在一個諸如 iPhone 手機這樣的 iOS 設備上，可以識別出用戶的手勢操作，由此可以作為把手勢作為遊戲的控制桿或者控制器。
*2015年蘋果「低門檻面部識別」專利
2015 年 7 月，美國專利局批准了一項蘋果提交的面部識別專利，名為「低門檻面部識別」，基於前置攝像頭捕獲的圖像，然後圖像處理器對該圖像進行處理，隨後便與存儲在參考模塊中的圖像進行對比。
*2017年蘋果 3D 手勢識別專利圖
2017 年 3 月蘋果發布 3D 視覺新專利——利用景深信息進行人臉識別，該專利有望用於下一代 iPhone 的 3D 相機系統，該專利的部分技術出自 PrimeSense 公司。
*2017年蘋果3D 人臉識別專利圖
「劉海兒」+神經引擎
*三種主流的3D視覺方案
根據原理和硬體實現方式的不同，行業內所採用的3D機器視覺主要有三種：結構光、TOF 時間光、雙目立體成像。詳情可以參考第129期智能內參。
*三種主流的 3D 視覺方案代表性產品
雙目立體成像方案軟體演算法複雜，技術還不成熟；結構光方案技術成熟，功耗低，平面信息解析度高，但是容易受光照影響，識別距離近；TOF 方案抗干擾性好，識別距離遠，但是平面解析度低，功耗較大。
*三種 3D 視覺技術對比
綜合來看，結構光方案更加適合消費電子產品前置近距離攝像，可應用於人臉識別 、手勢識別等方面， 等方面，TOF方案更加適合消費電子產品後置遠距離攝像，可應用於 AR、體感交互等方面。
*TrueDepth Camera System：高集成的感測器和攝像頭（援引電子發燒友）
iPhone X的Face ID採用了人工智慧加持的結構光方案：數據採集由該機正面上方的景深感知攝像機（即「劉海兒」，TrueDepth Camera System）完成，其紅外線發射器可以發射3萬個偵測點，利用神經引擎（Neural Engine）將反射回來的數據與儲存在A11晶元隔區內的數據進行對比，實現用戶面部的3D讀取與處理。通過神經網路訓練的加持，Face ID失誤率僅為百萬分之一，遠小於Touch ID的五萬分之一。
*結構光市場空間預測（援引中信證券）
剖去AI/神經網路部分，技術路徑有一點眼熟。
Primesense 的Light Coding 就是以紅外線發出激光，透過鏡頭前的DOE（衍射光柵）形成 激光 光斑，隨後均勻分布投射在測量空間中，再透過紅外線攝像頭記錄空間中的每個散斑，獲取原始資料後，再透過晶元計算成具有3D深度的圖像。
再來看技術亮點部分：神經引擎（Neural Engine）。
據稱，神經引擎可執行「每秒高達6,000億次操作」，以幫助加速人工智慧任務，即專門針對Face ID，Animoji和AR應用程序的ASIC（專用集成電路/全定製AI晶元）。有了神經引擎，蘋果高級副總裁 Phil Schiller很有底氣的表示：A11 Bionic是一款智能手機到目前為止所能擁有的最強勁、最智能的晶元。
基於ASIC的深度學習，實現了高準確率之外，還能比基於通用晶元（GPU、FPGA）的方案減少功耗。正如第185期智能內參指出的，目前基於感知智能的演算法發展大勢，手機AI應用眼看著就要抬頭，嵌入式AI晶元將成一大風向。目前針對3D視覺提供ADIC解決方案的主要有Primesense、奧比中光、Intel等。
從發布會用例看蘋果AR野心
「劉海兒」TrueDepth Camera System實現的臉部追蹤技術可以用於個人定製化表情Animoji（能捕捉並分析 50 多種不同的肌肉運動）、AR濾鏡等，新的互動的方式有望提高用戶的參與度和粘性，提高AR社交平台的經濟價值，而3D 視覺所提供的景深信息和建模能力是現有普通攝像頭無法比擬的。
此外，A11處理器加上搭載全新陀螺儀和加速計，刷新率達到60 fps，可以實現準確的動作追蹤以及很好的渲染效果。Phil Schiller是這麼說的：這是第一款真正為AR打造的智能手機。
發布會現場還演示了幾款AR應用的小樣：即時策略遊戲《戰爭機器》（The Machines）、即時戰略遊戲《戰錘40K:自由之刃》（Warhammer 40k：Free Blade）、職業棒球直播《At Bat》、星空註解《Skyguid》。
2017年3月，蘋果CEO蒂姆·庫克在接受《獨立報》採訪時表示：「蘋果十分重視 AR 技術，而3D相機將成為AR技術的第一步，能夠讓互聯網與現實世界相結合。」
庫克還說了：2017 年秋季推出 iOS11 後，能看到各種各樣的 AR 應用，目前開發人員正在開發大量基於 ARKit 的應用和遊戲，它們也將於 2017 年秋季開始推出。
* ARKit 包含的三項核心技術用於在iOS系統上搭建AR系統
智東西認為，從目前的消費市場來看，蘋果似乎遇到了一點危機：中國市場銷量連續六季下滑；發布會剛結束，就被華為官方懟，被三星正面杠。但庫克布局了7年的3D視覺以及狠心下血本的AI晶元（順手給華為鼓個掌），給人機交互方式提供了新的思維，這或許，能幫助迷茫中的智能手機市場打破「天花板」。庫克現在是還沒有底氣把3D視覺跟當年喬幫主的多點觸技術相提並論，但如果iPhone X理念發展順利的話，文案我們都給他想好了：十年前，我們比劃手；現在，我們看臉。但即便不順利，我想，我們也會感謝他，曾經認真嘗試。
最後，再來複習一下喬幫主的指示：創新決定了你是領袖還是跟隨者；了解消費者需求，而不是掌握消費者的反饋意見；不要追求複雜。
