3D传感——3D视觉展开无限想象

众所周知，3D传感技术的发展直接带动空间数据的爆发，而国家对于数据的重视也已经到达了新的高度。在十九届四中全会中，数据被首次增列为一种生产要素。与传统要素中的土地、劳动力、资本、技术并称。在大环境下，新兴的3D传感技术能极大的丰富图像数据的维度，提高数据内在价值，赋能诸多新兴产业，进一步丰富人们生活、提高生产效率及科技发展。

传统2D摄像头的不足

2D摄像头已经伴随我们的生活近30年，随着技术突破，性能也在不断提升。但基于其2D摄像头的技术原理，无法获取距离数据，只能通过语义识别判断物体前后位置。这就容易造成视觉欺骗的效果，例如下面的鸽子图和斜塔图，与人的比例严重失真。同时，2D视觉无法对物体形状、角度等物理量进行测量，对于光线的明暗变化也非常敏感，成像效果极易受到强弱光的影响。这让图像数据的应用范围受到很大限制。

何为3D传感

3D传感技术的出现解决了这些问题。它是传统2D图像技术的补充，填补了2D传感技术缺失完整空间坐标、易受环境光线影响、安全性较差等问题。3D传感的基本原理就是通过3D摄像头采集视野范围内的空间三维坐标数据，通过算法还原成数字化的三维立体图像。目前主流的3D传感技术主要分为以下三种路线，双目、结构光和TOF。

3D传感赋予了传统2D数据“深度”这个概念，让每个像素拥有完整的三维坐标。这一技术极大的提升图像数据的信息密度，拓宽了图像传感器及图像数据的应用范围。它是继黑白到彩色、低分辨率到高分辨率、静态到动态后的第四次图像革命。

同时，3D传感数据也将加速AI、机器人、工业自动化以及自动驾驶等行业的发展。例如先进制造中的机械视觉技术、智慧城市中低空巡逻的无人机视觉避障，都需要3D传感技术的实时三维数据支持。

3D传感技术的发展历程

3D传感技术的发展历程中，以2017年sony推出全球最小TOF模组为重要时间点。虽然同年苹果推出了搭载结构光技术的苹果10，但TOF模组的小型化方案，直接导致了2018年以华米ov为代表的安卓阵营纷纷搭载TOF模组，而且是前后摄同时布局，顺势搭建AR内容生态。2019年苹果iPad系列也开始搭载后摄TOF传感器，布局长距离环境AR生态。

根据Yole数据，截至 2019 年全球 3D 传感市场空间达 50 亿美元，其中消费电子领域占约 40%的市场份额，即 20 亿美元。在 2025年3D视觉整体市场规模达到150亿美元，整体复合增速达到 20%。其中消费电子领域将增长至 80 亿美元，占到总市场份额的一半以上。

行业现状

目前行业现状中，3D传感模组主要应用于手机端。智能手机作为现在最为流行、几乎人手一部的手持终端，自然是3D传感在消费电子领域中占比最大的市场。而这也同样出现了每个新技术问世都会面对的问题：先有硬件还是先有内容。目前针对3D摄像头打造的应用APP还很少。主流应用依旧停留在面部识别与拍照优化。其中面部识别主要应用于手机解锁及刷脸支付。后摄3D模组则主要用于拍照的背景虚化及背景抠图等功能。在刷脸支付方面，苹果的结构光技术主打方案Face ID被国内厂商的主流支付方案屏下指纹吊打。主要也是识别速度与使用体验的差别很大。而华为及LG最近布局的前置TOF模组，开启手势识别应用，也提供了3D传感应用的新思路。不得不说，手势识别在特定场景下的使用体验是非常好的，例如演讲的PPT翻页，做饭时候的翻看菜谱、接听电话等等。

根据 IDC 的数据，2019 年全年智能手机出货量达 13.7 亿台；而全球使用3D 传感的机型约 2 亿台，其中非苹机型仅数千万台。Yole数据预测，3D视觉传感器在中低端机型中得到普及还需3-5年时间，同时2020 年随着苹果开始使用后摄 3D 模组（单台手机使用 3d 模组数量倍增），可预见未来市场有很大的上升空间。

当然，3D传感的增长速度不能按照指纹识别这种功能性硬件的渗透率去预估，现实增长速度极有可能随着内容的丰富而加快。这其中我们不排除一款爆款游戏加速整个产业的可能性。例如2016年风靡一时的AR游戏Pokemon Go，虽然虚拟图像于现实重叠非常不自然，经常出现比例失真、穿模等情况，但不妨碍AR游戏概念的普及。同理，动物森友会这款游戏的火爆直接拉动了任天堂游戏终端Switch的销量，截至目前，淘宝日版主机价格依旧高于原价50%左右。

技术原理

现在我们来详细了解一下3D传感的三个技术路线。结构光的技术原理主要是通过点阵投影仪发射光学图案铺盖在被测量物体表面，通过摄像头记录光点的形变来得出物体的三维结构。TOF则是通过计算光脉冲从发射到反射回来所需的时间，计算得出物体到摄像头的距离。激光雷达用的就是这个原理。双目摄像头比较容易理解，原理和人眼类似，通过两个不同位置的摄像头成像的像差，计算得出物体深度信息。这其中TOF又有两个技术分支路线。

DTOF与ITOF

ToF 技术根据发射光的调制形式，分为直接飞行时间测量（Direct-TOF，即 dToF）和间接飞行时间测量(Indirect-TOF，即 iToF)，直接飞行时间测量采用脉冲调制，而间接飞行时间测量采用连续波调制。

dToF 技术要求更高，测量精度更高。dTOF 需要采用高精密时钟进行测量且需要产生短时间、高频率、高强度的激光，对硬件的要求较高。其优点也比较显著，省电、成像速度高，由于发射端能量较高，所以一定程度上降低了背景光的干扰，探测更远的距离。

分辨率及探测距离

那么说到分辨率及测量距离方面，我们综合对比一下这三大技术。首先，结构光的有效测量距离在1米以内。画面精度较高，可以达到百万像素水平。因为结构光使用的是三角定位法，所以测量距离主要和基线距离正相关，精度和点阵密度以及摄像头分辨率正相关。TOF中的DTOF方案有效距离高达10米，ITOF最远有效距离则在3-5米左右。TOF整体分辨率不高，在AGV水平。一般TOF不直接参与成像工作，通常与常规摄像头组合完成3D图像构建。双目摄像头方案比较特殊，测量距离与基线正相关，分辨率完全取决于摄像头性能。但因为双目摄像头方案的体积与算力问题，较少见于消费电子领域，我们在后续不做过多的分析。

算法复杂度

算法方面，结构光的算法更为复杂，不仅是因为它的分辨率高，产生数据量大。同时也和算法优化的难度有很大关系。同时，结构光的产业链中，算法资源的供给非常短缺，很大程度上限制了该方案的普及。TOF的算法则相对简单，一般都集成片上处理器和算法，接口数据量小。且TOF厂都会提供工具库，放在手机的应用处理器中进行直接调用。因此，从算法和适应程度上看，TOF方案要优于结构光。

封装尺寸

封装尺寸也是决定技术方案能否大范围应用的主要指标。尤其是手机这种内部空间极其紧张的消费电子产品。双目摄像头前文已经提过，基线长度决定了它的整体产品尺寸无法兼容手机等小型消费电子产品。主要是机器人领域应用的比较多。结构光的定位原理决定了它同样受限于基线问题。行业中的标准是不能少于20毫米。IPHONE10当时为了追求用户体验，更是做到了27毫米的基线距离。所以齐刘海虽然丑，但也是无奈之举。这里额外提一下，事实上在Mate30系列上市之前，所有的手机前置面部识别技术都是采用的结构光。例如mate20 pro，OPPO Find X，小米8探索版。其中华为的结构光还是自研的。所以齐刘海不仅在苹果上有，用结构光，外观上就必须做出一定的牺牲。回头来看，TOF和基线没关系，理论上距离做到0挨在一起都可以。因此尺寸上可以做到很小。最近上市的P40系列，前摄3D传感模组就是搭配的TOF方案，所以这次屏幕也革命性的采用了钻孔屏的设计。释放了更多的屏幕面积。

生产难度与成本

量产难度上，结构光的收发模组出现任何偏移，都会导致极大误差，因此结构光一直无法达到很高的良品率。这也导致了iPhoneX初期因为结构光模组供应短缺而断货的问题。TOF模组的生产难度则低很多。成本对比上，从终端厂商公布的物料价格中，可以看到结构光的均价在20美元左右，而TOF在8美元。另外，TOF是硅工艺产品，具备了成本再度下降的空间和可能性。因此，综合来看，在人脸识别等短距离、精度要求较高的应用场景，3D 结构光方案更为适合。在AR 应用、手势识别、空间感知等较长距离、精度要求较低的应用场景，TOF 方案更为优秀。在市场想象空间上，TOF更胜一筹。

TOF将获多行业发展推动

同时我们认为，TOF将获得AR等行业的发展助力。随着Arkit、Arcore、Cyberverse等ar开发平台的推出，AR生态将与3D传感共同繁荣。这个过程我们可以分为三个阶段。第一阶段为2017-19年，硬件带动内容发展：过亿的存量手机市场将带来 AR 内容的迅速发展，初步培养用户习惯； 第二阶段为2020-23年，内容的发展将推动3D倒逼ToF摄像头技术迭代，产生更优异的 AR 效果，大幅提高用户体验； 第三阶段为2023年后，用户的AR使用习惯已被培养起来，产业将迎来 AR眼镜/头盔的兴起，ToF的下游应用从手机拓展至眼镜等其他平台。

TOF未来应用的想象空间非常巨大。除了AR生态外，还将推动MR产业的加速发展。通过采集三维坐标对真实空间完整数字化，在人眼中实现虚拟与现实的完美融合，同时配合5G网络将现实场景通过数据的形式呈现给其他人，实现多人交互。这将产生无数落地场景。如：网络AR游戏、虚拟会议、远程教学培训、远程医学、工业设计等。

3D传感方案商

方案商方面，3D 结构光阵营厂商主要有苹果（收购 Prime Sense）、英特尔（RealSense 产品）、AMS（艾迈斯）、高通/Himax、华为、奥比中光等。TOF 阵营厂商较多一些，主要有微软、索尼、松下、英飞凌/pmd、AMS、ST、德州仪器、 以及国内的舜宇光学、聚芯微电子、炬佑智能等。AMS 是目前整个行业布局最完善的公司，拥有 3D 结构光和 TOF 两种解决方案，且基本全产业链都有布局。Sony 是 CIS图像传感器领域的龙头厂商，因此在 TOF 传感器领域具备先发优势。目前市面上一半以上的TOF方案都采用SONY的。国内在这方面起步较晚，处在奋起直追的阶段。

核心元件

核心元件方面，Vcsel芯片为结构光与TOF发射端的激光发射元件，在整个3D传感模组中属于成本最高的部分。国外供应商主要有二六公司、朗美通、艾迈斯等，国内为三安光电、光迅科技、江苏华芯等等。光学衍射器件的作用是将激光散射成光学图案，是点阵投影仪的核心元件，技术要求极高，具备设计与制造的企业屈指可数。目前国内公司为联创电子，国外有艾迈斯、CDA、Holoeye等。扩散器是TOF模组中将准直激光形成面光源的光学元件，相关公司主要有二六公司、唯亚威及奇景光电。接收端方面，近红外图像传感器是近红外摄像头的核心部件，成本占比最高。相关公司主要包括索尼、三星、意法半导体、豪威科技、奇景光电等。窄带滤光片是近红外摄像头的核心光学元件，主要作用为滤除环境光等杂光，仅让发射出的红外光透入到摄像头中。生产难度极高。参与厂商较少。国内厂商为水晶光电，国外为唯亚威。

投资机会与建议——关注上游硬件元器件商

基于以上的分析，我们在这个行业当中，也发现了巨大的投资机会，蓝焱资本不仅仅看到最表层的应用开发，更善于下探到结构中去考虑应用的本质，在高速增长的风口中寻找底层的核心逻辑。AR的未来路径非常明确，前期在移动端落地已是必然。目前大厂纷纷积极布局，为内容提供商铺路。一旦AR生态成熟，下游终端将释放海量元器件需求。因此，我们认为上游元器件方向具有丰富的投资机会与投资价值。原材料、模组及终端部分，3D传感器占比不大，也不成为其核心竞争力，因此并不存在投资机会

元器件厂中，重点关注具有技术优化、算法优化、降低能耗、形态创新等方向的科创企业。例如分辨率提升、超低能耗、行业尺寸突破、创新封装设计等等。

另外，3D传感模组中的核心器件的国产替代也是值得关注的投资方向。3D视觉传感器产业链中，国外厂商占比较多，其中DOE、VCESEL等芯片元件国产率偏低，进口替代是长期趋势，国产企业在这个领域中走出来的概率很高，存在较高的投资价值。

行业解决方案，3D传感赋能先进系统

除此之外，拥有更大利润想象空间的行业整体解决方案提供商也是我们的关注点。如果本身具有硬件核心技术更好。前文提到过，3D传感技术所产生的空间三维数据将很好的赋能机器人与AI等先进领域的智慧系统，重新定义空间自洽的概念等。赋予生产装备更智慧的作业模式及全新的功能和用途，综合提高生产效率。例如增加环境交互功能的生产工具、工业及服务机器人的感知升级等。