砍掉 20% 刘海 苹果“挤牙膏”的背后是屏下3D视觉技术的苦与痛

2021年09月24日 13:55 次阅读 稿源:雷锋网 条评论

刚过不久的苹果发布会上,新 iPhone 的亮点之一是:刘海砍掉了20%。对于“苦刘海久矣”的人而言,20%几乎没什么变化,因而也被调侃成挤牙膏式的设计。不过,侃归侃,从技术层面来讲,这20%其实来之不易。

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因为在这片刘海里,一共有前置摄像头、麦克风、激光发射器等8个重要元器件。其中对于 Face ID 功能和前置摄像起着决定作用的元器件主要有两个部分:激光发射器模组和接收装置。

“从结构光的基础原理来看,激光发射器和接收装置之间必须要隔有一定距离,才能保持成像精度,而且等效距离越长,精度越高,反之亦然。这是苹果保留刘海的根本原因。”光鉴科技首席科学家吕方璐告诉 AI 掘金志。

此前,在iPhone 12上,这一距离大约是27毫米。此次刘海缩减了20%,苹果官方表示,这“得益于传感器重排、微缝听筒等技术引入”。

“如果要缩短等效距离且保持精度,技术方面的难度很大。”吕方璐表示,苹果应该是采取了另一种方法,即通过积累的人脸数据来优化其3D 人脸算法模型,放宽对3D 成像的精度要求。

换句话说,就是用算法来弥补传感器重排带来的数据感知导致的精度问题,这其实是一种取巧的办法,要求也比较高,要有大量的人脸数据做支撑,对算法持续优化。

但这种方法不具备可复制性,一是算法本身存在缺陷,需要不断利用数据进行反馈和调整;二是现在人脸数据集采的监管日趋严格。

实际上,最佳的解决方法是将原有的相机模组,放入屏下,即行业经常提及的“屏下结构光解决方案”。这既符合全面屏的发展趋势,又能解决因缩短激光发射器和接收装置距离造成的成像精度低这一问题。

早在今年2月份,光鉴科技就和中兴手机推出了全球首款屏下结构光技术,引起舆论重视。吕方璐表示,屏下3D 技术已达量产要求,但该技术在具体机型上还涉及到产品化的开发和优化,因而未能实际量产。并且,屏下3D 技术也还有一些问题需要解决。

透光率:屏下结构光的阿克琉斯之踵

在说屏下结构光之前,先简单谈谈 iPhone 3D 结构光的技术原理。

3D结构光模组包括发射端(点阵投影器和泛光感应元件)和接收端(红外摄像头),原理如下:

1)激光发射器发出特定波长的近红外光,形成横截面积很窄的平行光束,经过扩束器后,其横截面积均匀放大;

2)放大后的光束,通过准直镜头实现平行,从而均匀入射在光学衍生元件(DOE)上,光束在经过该器件时会形成特定的光学图案,经过投影透镜后发射出去;

3)这些光束在投射到物体表面时,光信号会产生变化;

4)接收端(摄像头)在接收到这些变化后,会计算物体的位置及深度等信息,再经过特定的算法来复原三维空间。

泛光照射器由低功率VCSEL激光器和扩散片等组成,其作用是发射不可见的红外光线,使得红外摄像头在黑暗中也能接收反射自面部的点阵图案。

屏下结构光,其实就是将包含这些元器件的相机模组置于一块“透明”的屏幕之下,既能保持摄像功能,又最大化利用屏幕面积。

但随之而衍生的问题是:这块透明的屏幕,对相机模组的成像精度影响多大?如何来弥补光在通过屏幕时所造成的能量损耗?

光从激光发射器发出、抵达物体表面,再到被传感器吸收,要两次透过屏幕,会带来能量损耗,这就是屏下结构光面临的“透光率”问题。

“对于红外线来讲,目前的屏幕经过特殊处理后,光的透过率大概在30%,甚至更低一些。”

吕方璐表示,屏下结构光只能采用 OLED 屏幕,因为 OLED 属于有机材料发光,不需要类似 LCD 的背光源。

不过,有机发光材料发光需要电流,并且电极层一般不透光,所以激光发射器发出的光在透过屏幕时,大部分光会被电极层挡住或散射掉,这就造成可利用的光只有很小的一部分。

此外,光在透过屏幕时,由于屏幕本身是一种周期性结构,像素在不停重复,因此会导致一种衍射效应,比如一束光会衍射为几束光,光的传播方向也会受到影响。

而在实际场景中,透光率还会受到各种噪声的影响。

比如,在室外,太阳光里面的红外线,照射在人脸上,会成为激光发射器发出的红外线能量的噪声。如果激光发射器的能量不够,那么就会被噪声干扰,严重影响成像效果。

“屏下结构光首先要保证屏幕效果显示正常,不能影响用户体验,在此条件之下,再解决光的透过率这个问题,是最大的难点。”吕方璐表示,这也是阻碍屏下结构光“量产”的根本原因。

三种解法:屏幕、元器件和算法

问题已提出,剩下的就是对症下药找解决方法。

屏下结构光最大的难题是“透光率”,这道题可以从三个维度来解。

一是从 OLED 屏幕出发,提高面板透光率,或者做屏幕的定制化。

比如,三星推出的可折叠屏手机,用的是UPC(Under Panel Camera,屏下摄像头)技术,核心是提高面板透光率的“Eco OLED”和优化像素孔径。

提高透光率和定制屏幕虽然是最直接有效的解法,但这依赖于面板技术的进步,并且涉及到面板供应商、屏下结构光解决方案商和手机厂商之间的合作。

“屏幕从设计到开发再到实际运用,周期相对较长。”吕方璐表示,在面板技术尚未取得开创性突破和大规模运用之前,要提高透光率,就要另辟蹊径。

二是从器件模组入手。

既然光在透过屏幕时发生损耗,那么可以在发射端增强光的能量,来抵消这部分能耗。

就好比一个10瓦的灯泡,光的能量怎么也比不过100瓦的灯泡。

但这个方法的症结在于,增强光的能量,就要加大功率,进而增加功耗。

如何在增强光能量的同时,又不增加能耗,是这套方案的核心,也是技术难点。

三是利用算法来做补偿。

接收端在接收到光信息之后,会进行计算,就会用到算法。

那么就可以优化算法来补偿因“透光率”带来的部分能量损耗。

如果数据量够大,算法足够成熟,便可以降低对成像精度的要求。

比如苹果的 Face ID,就利用了人脸数据做3D 算法模型优化。 这个方法的缺陷也很明显:需要大量数据,并且算法在面对特定场景时也会出现偏差。

这三种解法,虽然从不同方面来提高“透光率”,但其实是相互交叉的,比如做面板定制,要适应于器件模组,要与算法相结合;而相关算法虽然可以优化成像精度,却只能作为辅助。

“要实现屏下结构光的量产,实际上需要整个产业链的合作与进步。”吕方璐表示。

国产屏下结构光之殇

从刘海屏到打孔屏,缩小刘海以扩大屏幕的使用面积,最终达到全面屏,一直以来是手机厂商的终极目标。

屏下3D 结构光被视为最佳解决方案,虽然有一个“透光率”的问题亟待解决,但方法总比问题多,上述三种解法实际上可以解决很大一部分难点。

然而国内厂商要发展屏下结构光,还要面临技术之外的一道大坎:专利。

3D 结构光需要激光发射器发射数万个激光散斑,这对激光器本身的性能和功耗的要求很高,目前基本上采用的 VCSEL 激光发射器;另外,光线还要通过衍生光学器件(DOE)进行“衍射”,将光线进行“切分”,以实现投射激光散斑的功能。

遗憾的是,这两大元器件,VCSEL 激光器和衍射光学元件(DOE)的制造,基本上为美国、英国及台湾地区的厂商垄断,国内目前仅有三安光电可进行 VCSEL 芯片的代工。

苹果无疑是“VCSEL+DOE”3D 结构光方案的核心受益者,同时也掌握着该项技术的专利。在专利保护愈加重视的背景下,这就给苹果以外的厂商留下了难题:如何做一套具备完全知识产权的方案?

光鉴科技对此的解法是:以边缘发射激光器(EEL)为光源,然后利用自研的波前调制器(WFP),通过在亚波长尺度实现对光场的调制,来实现投射激光散斑的功能。

这种方法避免了“VCSEL+DOE”的技术专利,边发射激光器(EEL)的制程工艺比较成熟,成本上也可控,国内厂商有相应的生产能力。

“光鉴科技的WFP芯片,其制程工艺大概在250nm左右,国内厂商已能实现量产。”吕方璐表示。

对于屏下结构光的难点,光鉴科技主要从器件模组和算法上来做突破,通过与 OLED 屏幕厂商长期的研发合作,来实现对3D 成效效果和屏幕显示效果的优化。

在元器件方面,光鉴科技提高了激光发射模组从电到光的整体转换效率,也就是在发射端来增强光的能量;同时基于EEL边缘发射激光器,来减短脉冲,提升光线强度,从而补偿因“透光率”带来的能量损耗。

据悉,其激光发射模组从电到光的整体转换效率相较于VSCEL方案提高了80%;而EEL边光发射器每个脉冲的亮度是VSCEL方案的4倍左右。

在算法上,光鉴科技通过自研算法来实现对激光信息的构建,在保持同样效果的情况下缩减算力,不必依靠ASIC芯片,以减少计算成本。

“光鉴科技和苹果是不同的技术路径,避免了与苹果专利冲突的风险,并且在核心元器件上都已实现国产化。”吕方璐表示,目前国内厂商也正在进行技术创新,比如奥比中光,屏下3D 技术越来越受到重视。

总结

从苹果Face ID 采用3D 结构光,到现在行业共推的全面屏,“刘海”不断缩小的背后是技术的不断更迭与演进。

“未来视觉必然会从2D 向3D 转变,因为3D 信息更丰富全面。”吕方璐表示,3D 信息能简化计算量,不需要做过多的数据采集和模型训练。屏下3D 结构光作为全面屏的核心技术,虽然技术本身还有要攻克的难点,国产化能力也需要加强,但应用前景比较乐观。

“未来一两年的时间里,屏下3D 结构光技术应该就能大规模运用。”

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