安卓手機陣營颳起一股「劉海」風，電子產業將開啟下一個交互革命
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導讀：去年蘋果發布會首次採用異形全面屏設計，在手機屏幕頂部位置保留了一部分區域用於放置3D感測器、相機模塊等。蘋果「齊劉海」的造型一亮相便被各種吐槽，但是時間過去半年，目前國內手機品牌紛紛跟進，相繼推出了帶著自身特色的「劉海屏」手機。
根據外媒BGR搜集的截止3月初的「劉海屏」手機就有20款以上，而3月更是手機晶元密集發布時間段。vivo在3月19日晚推出旗艦手機X21，首次採用類似「劉海屏」的設計，成為目前國內正式發布的首款「劉海屏」安卓手機。華為3月20日也推出了旗下首款「劉海屏」手機nova3e（P20Lite），劉海面積不到蘋果iPHoneX的二分之一，支持人臉解鎖，可有效抵抗照片、視頻解鎖，防止閉眼解鎖。
而作為「劉海」界元老，蘋果今年也將延續此設計。外界普遍推測今年蘋果的秋季新品發布會將發布三款產品，分別是5.8英寸的iPhoneXs（暫定），6.5英寸的iPhoneXPlus，還有一款6.1英寸LCD屏的iPhone9，三款手機均將使用前劉海設計，支持FaceID人臉識別、無線充電等。
一向對審美偏執的蘋果去年推出讓人吐槽的「齊劉海」也並非公司所願，主要還是FaceID的功能體驗優先。手機新品陸續推出之際，我們再來複習一下FaceID背後的原理和產業鏈公司。
一、3D成像產品回溯：從技術到產品漫長的道路
在蘋果的FaceID之前，深度感知就已經在大公司布局中多有積累，而且也推出了相應的產品，然而因為各式各樣地原因沒有能夠實現從技術到產品的成功轉換。其中最為著名的就是微軟的體感設備Kinect和谷歌Tango項目。
微軟Kinect ：紅極一時的體感設備
為了提高遊戲體驗，2009年6月，微軟首次發布Xbox 360 的體感周邊外設Kinect 1.0，可以不需要任何控制器，僅僅依靠3D相機捕捉三維空間中玩家的動作，徹底顛覆了遊戲操作市場。2010年Kinect正式推出，當年銷量就超過600萬台，在體感設備市場迅速走紅，成為炙手可熱的消費級電子產品。然而，對空氣做動作的反用戶習慣以及佔比面積大等原因導致Kinect後來逐漸衰落。去年10月份，微軟正式停產Kinect，確認了Kinect產品的死亡，其生涯累計銷量3500萬台。
雖然微軟Kinect作為一款產品走到了生命的終點，但其核心技術仍然廣泛運用在其他方面，其中之一便是深度感知。微軟Kinect 1.0採用了Primesense的結構光方案，Primesense被蘋果收購後，微軟迅速切換到了TOF方案上（依靠2009年和2010年收購的兩家TOF廠商：3DV System和Canesta），推出了Kinect 2.0。相關技術後來在Hololens、Windows Hello面部識別技術、Windows混合現實頭盔中都有涉及。
谷歌Tango：廣受好評的實驗室產品
Project Tango是由谷歌先進技術與項目部門和矽谷創業公司Movidius合作研發、為了賦予移動設備類似人類對空間和運動的感知能力而成立的。項目以3D成像為核心，包含3大核心技術：運動追蹤，深度感知和區域建模，可實時繪製三維世界模型。
谷歌與蘋果談判獲得了PrimeSense的晶元授權，於2014年推出了基於PrimeSense結構光方案的後置3D成像原型機，第一代原型機僅面向開發者，並受到開發人員的普遍好評。為了在市場中推廣，谷歌Tango技術於2016年首次搭載在聯想Phab2 Pro上，成為全球首款消費級AR手機，然而用戶反響平平。可見谷歌的Tango並沒有完成從實驗室產品到消費產品的蛻變。2017年年底，谷歌正式宣布將於今年3月1日停止Project Tango項目技術研發與服務支持，將資源全力轉向ARCore技術。ARCore可以看作一個低配版的Tango，雖然整體低配，但更適合做智能手機應用推廣，可以儘快和蘋果去年發布的ARKit抗衡。
與微軟Kinect一樣，雖然產品生命走完，但積累的技術仍然具有廣闊的空間。兩大公司都聚焦在機器對於周圍環境的感知上與交互上，交互信息從二維拓展到三維，深度信息的增加能更好地還原實體世界，推進虛擬建模。該技術是一個橫跨各領域的創新，可廣泛應用於生物識別、VR/AR、機器視覺、自動駕駛、工業等多個領域，具備引領下一個科技熱潮的潛質。
二、3D 成像技術分析：結構光、飛行時間和雙目視覺
3D成像目前有三種主流解決方案：結構光（Structured Light）、飛行時間（Time of Flight，TOF）和雙目視覺（Stereo System）。蘋果採用的是結構光方案，主要得力助手是2013年收購的PrimeSense公司。在被蘋果收購之前，市面上的3D成像方案幾乎都出自他家。
圖：3D成像的三種主流技術
結構光：結構光方案是將具有特殊結構的圖案（比如蘋果採用的離散光斑、條紋等）投影到被檢測物體表面，如果檢測物體是平面，則觀察到近似的圖形；如果物體表面不平整，則觀察到的反射圖形會隨物體表面高低起伏產生對應的畸變，因此可以用攝像頭接收該圖案的畸變情況計算深度信息，建立3D模型。
飛行時間：TOF方案與雷達測距原理類似，通過對檢測目標連續發射脈衝波，感測器接收反射波，利用光的飛行往返時間計算深度信息。
雙目視覺：雙目視覺方案與人眼識別原理類似，通過兩個攝像頭模擬人的雙眼，通過三角形原理計算距離。
表：三種方案性能對比
（數據來源：飛笛資訊研究院整理）
三、3D成像產業鏈分析：主要集中在海外
結構光方案：蘋果FaceID的工作原理
FaceID的主要系統是原深感攝像頭（TrueDepth camera system），該系統包括三個組件：紅外攝像頭（Infrared camera）、泛光感應元件（Flood illuminator）以及點狀投影器（Dot projector）。 具體的工作方式是：泛光感應元件發射肉眼不可見的紅外光照射人臉，用於暗光或者黑暗環境中的補光；點狀投影產生3萬個帶編碼的紅外光點（散斑結構）發射到人臉，紅外攝像頭捕捉反射光，繪製臉部3D模型。
（數據來源：CSDN）
結構光方案由於編碼進行了精心設計，在一定範圍內測量精度較高，但測量距離較遠時，投影圖案也越大，因此精度會隨著距離增加而下降，比較適用於近距離場景。
圖：蘋果3D成像架構拆解
（數據來源：飛笛資訊研究院整理）
發射端
最重要的部分是點狀投影，包括光源部分（VCSEL發射器）、準直鏡頭以及衍射光柵。
光源：相比傳統的LED光源， VCSEL發射器在精準性、響應速度和投射距離等方面擁有更大優勢，是目前主流的光源部件。
VCSEL全稱為垂直腔面發射激光器，是一種基於砷化鎵材料的半導體產品，與邊射型激光發射器（EEL）不同，VCSEL激光垂直於頂面射出，具有功耗低、易集成、成本低等優點，非常適合用於高速傳輸和精準感測。VCSEL並不是一種新的技術產品，已經在數據通信行業有超過15年的發展歷史。移動設備3D感測技術的發展為VCSEL帶來了進入消費電子領域的新機會。
準直鏡頭：主要作用是把往不同方向傳播的光線匯聚成近似平行光，鑒於尺寸、成本、鏡頭一致性等優點，目前主流採用WLO晶圓級光學鏡頭；
衍射光柵（DOE）：VCSEL發射的光線經準直後通過衍射元件進行散射，並且通過光柵進行衍射複製擴大投射角度，最終形成需要的散斑圖案（pattern）。
圖：DOE原理圖
（數據來源：silios）
接收端
接收模組主要包括：紅外圖像感測器、窄帶濾光片。
圖像感測器：接收發射回來的紅外光圖案。
窄帶濾波片：剔除發射端紅外光波長以外的其他光，只允許發射光波長通過。
圖：3D成像產業鏈
（數據來源：飛笛資訊研究院整理）
WLO和衍射光柵DOE是結構光方案才會用到的部件，存在一定的技術路徑風險。此外，發射端產品以及圖像處理晶元和整體解決方案技術門檻最高，模組封裝技術門檻最低，其他幾項技術門檻較高。
小結：雖然國內手機紛紛推出「劉海屏」手機，但其中部分可能並不具備3D成像功能。由於蘋果公司的壟斷，3D成像產業鏈大多數公司都在為蘋果服務，且一些關鍵部件，比如VCSEL激光器還存在產能問題，因此安卓陣營可能並沒有那麼多供應商可供選擇。蘋果的VCSEL第一供應商Lumentum 2月發布的財報顯示3D成像營收去年10月為4000萬美元，11月和12月則總計達到了1.6億美元，可見該市場潛力之大。從二維到三維的交互，3D成像有望打開電子產業下一個成長空間。
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