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用了iPhone X的盆友应该都清楚，自从换了新手机，上述情况开始发生并且频率越来越高吧！的确，苹果新品“iPhone X”所采用的面部识别（Face ID）解锁技术惊艳了世界，给大家带来便利的同时也带来很多小麻烦小乐趣。那么一部小小的手机是如何智能识别“你的鼻子有多挺”“你的眼窝有多深”“你的笑容弧度有多大”的呢？它又是如何感知到你的“深度信息”的呢？接下来就让小编带你了解“Face ID”新解锁技术吧！
这种面部识别解锁功能的核心是3D传感技术，该技术所生成的立体影像不同于以往数码相机拍摄的二维平面图片，即能够深度感知物理对象的结构数据，因此又称深度摄像技术、3D激光扫描技术。那么我们现在来看一下iphone X的Face ID解锁的原理吧！
图 iPhone X带有Face ID解锁功能
苹果将
iPhone X 所使用的 3D 传感技术称为“TrueDepth 相机”，该相机由700 万像素的 CMOS
影像传感器配合红外光相机、泛光照明器、接近传感器、环境光传感器、点阵投射器等组件构成，结合使用结构光以及飞时测距两种技术，下面简单介绍下TrueDepth的主要组件、技术和解锁步骤：
1. 组件
（1）泛光照明器（Flood illuminator）：使用低功率的垂直共振腔面射型激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）发射出“非结构”的红外光投射在物体表面。
（2）接近传感器（Proximity sensor）：使用低功率的VCSEL发射红外激光，当有物体靠近时会反射激光，因此手机可以知道有物体接近。
（3）环境光传感器（Ambient light sensor）：使用光二极体（Photo diode）侦测环境光亮度，在明亮的太阳光下使用者的眼睛瞳孔会缩小，因此自动将屏幕调亮让使用者容易观看，反之亦然。
（4）点阵投射器（Dot projector）：使用高功率的VCSEL发射红外激光，经由晶圆级光学（Wafer Level Optics，WLO）、绕射光学组件（Diffractive Optical Elements，DOE）等结构产生约3万个“结构”光点投射到使用者的脸部，利用这些光点所形成的阵列反射回红外光相机（Infrared camera），计算出脸部不同位置的距离（深度）。
2. 技术
图 飞时测距技术原理
（1）飞时测距（Time of Flight，TOF）：利用发光二极体（Light Emitting Diode，LED）或激光二极体（Laser Diode，LD）发射红外光，照射到物体表面反射回来，由于光速（v）已知，可以通过一个红外光传感器测量物体不同深度位置反射回来的时间（t），利用简单的数学公式就可以计算出物体不同位置的距离（s），如上图所示。
图 结构光计数原理
（2）结构光（Structured light，SL）：利用激光二极体或数位光源处理器（Digital Light Processor，DLP）打出不同的光线图形，经由物体不同深度的位置反射回来会造成光线图形扭曲，例如：打出直线条纹的光线到手指上，由于手指是立体圆弧形造成反射回来变成圆弧形条纹，进入红外光传感器后就可以利用圆弧形条纹反推手指的立体结构，如上图所示。
3. 解锁步骤
图 iphone X的Face ID解锁原理与步骤
（1）首先用户脸部靠近手机，启动接近传感器，接近传感器发出信号启动泛光照明器，发射非结构红外光投射在脸部表面，再由红外光相机接收反射的影像信息，传送到手机内部处理器。
（2）经由处理器进行算法处理判断为“人脸”后，启动点阵投射器，产生大约3万个光点投射到脸部，利用这些光点所形成的阵列反射回红外光相机，计算出脸部不同位置的深度，再将脸部的深度信息传送到手机内部处理器，经计算比对脸部特征，识别是否为本人。
3D传感技术是通过非接触式技术实现对物理对象的数字化信息捕捉，从视觉数据获取角度提升机器的感知能力。该技术曾经在消费领域尝试过几次应用，如Kinect游戏配件和Leap motion手势控制器。华为（Huawei）将于4月12日开售新品“三镜头”P20，iPhone X的3D传感技术已经成为同行效仿和竞争的焦点。近两年的并购活动也十分活跃，如苹果收购Faceshift，英特尔收购Movidius，索尼收购Softkinetic，以及AMS收购Heptagon和Princeton Optronics等。
Yole预测3D传感市场在2016-2022的复合年增长率为37.7%，2022年市场规模将达到90亿美元。由于该领域的技术门槛较高，目前涉足研发的机构较少，比较有代表性的如Apple、Microsoft、Google、INTEL、Oculus、SONY，国内奥比中光、奇景光电、华捷艾米、图漾，乐行天下等。在这里小编先为大家简单介绍几家3D传感技术领域的佼佼者吧！
（1）Lumentum
Lumentum是光器件行业的老前辈，江湖地位稳固且备受尊崇，2018年3月12日成功收购Oclaro，实力不断提升。Lumentum的主营产品包括边缘发射二极管激光器、光纤耦合二极管激光器和垂直腔面发射激光器。如上文所述VCSEL是3D传感器的核心器件，而Lumentum是苹果VCSEL的长期供应商。
Lumentum的专利申请涉及激光器、光学元器件、3D传感等，典型专利包括US9019480B2，涉及一种TOF系统，包括:光源，用于以时钟频率发射光脉冲；TOF传感器，包括光电探测器，电容器和电路；光电检测器，用于检测光脉冲，其飞行一段时间，提供光电流；电容器，用于在第一积分周期内对光电流进行积分，而电路以两倍的时钟频率反转通过电容器的光电流的流动方向；在积分期结束时，电容提供对应于电容电压的差分光电荷；电容器电压与光脉冲的飞行时间有关，并可用于确定到目标的距离。
图 US9019480B2专利示意图
（2）奥地利微电子公司（Advanced Monolithic Systems，AMS）
AMS是全球领先的高性能模拟集成电路设计制造商，致力于在通信、工业、医疗、汽车行业提供高度集成优质产品，实现人与技术的无缝对接，愿景是“用传感器解决方案塑造世界”。AMS的产品涉及光学、环境、成像、音频四大类，主要包括环境传感器、光谱传感装置、光传感器、CMOS成像传感器、磁性位置传感器、流量感应装置、智能照明管理、医学影像传感装置、无线连接、精确时间测量等。
AMS申请多件关于TOF的专利，例如：WO2018041720A1（OPTICAL SENSOR MODULE AND METHOD FOR MANUFACTURING AN OPTICAL SENSOR MODULE FOR TIME-OF-FLIGHT MEASUREMENT），EP3226024A1（OPTICAL 3-DIMENSIONAL SENSING SYSTEM AND METHOD OF OPERATION），WO2017089159A（SENSOR ARRANGEMENT AND METHOD FOR DETERMINING TIME-OF-FLIGHT）等。
（3）奥比中光（ORBBEC）
奥比中光，2013年1月在深圳成立，主营3D传感器模块等多项光学测量产品的技术开发、咨询、服务和销售。奥比中光发展十分迅速，2014年摘得深圳市“孔雀计划”桂冠；2015年自主研发3D传感器的芯片流片，并成为国内第一、全球第四（继苹果、微软、英特尔之后）的全自主知识产权、可量产的消费级3D传感器公司；2016年，奥比中光取代英特尔Real Sense成为惠普Sprout pro G2一体机的供应商，并研发了新一代HP Z 3D Camera，其中便采用了奥比中光Astra系列高精度3D传感摄像头；2017年奥比中光完成了新一代芯片及手机前置3D摄像头模组技术，填补了安卓前置摄像头3D传感技术领域的空白。奥比中光表示将会以3D传感技术为中心，继续向智能客厅、机器人、智能试衣、无人驾驶等领域发展，不断扩大3D传感市场份额。
奥比中光近年来申请了大量3D传感相关的专利，其中CN107884066A公开了一种基于泛光功能的光传感器及其3D成像装置，包括：投影模组，用于投射图案化光束；光传感器，包括：用于发射第一光束的第一光发射单元，用于发射第二光束的第二光发射单元，以及光检测单元，用于检测所述第一光束以判断物体的接近距离；第一采集模组，在所述投影模组投射所述图案化光束时采集被所述图案化光束照射的第一目标图像，以及在所述第二光发射单元发射所述第二光束时采集被所述第二光束照射的第二目标图像。通过第一光束用于物体接近度的检测；第二光束被3D传感器中的采集模组所采集，用于为3D传感器提供泛光照明，实现接近度检测、泛光成像等多种功能的融合叠加。
图 CN107884066A专利示意图
可以说，3D传感技术融合了芯片、算法、光学、软件等多个学科的知识，集成了光学精密仪器制造、模式识别、图形图像、机器学习和神经网络等多个领域的技术，对于实现手势识别、人体骨架识别、三维测量、环境感知、避障、跟随、三维地图重建等功能均具有重要意义，是人工智能、物联网、工业4.0时代最重要的视觉感知技术。人类智慧无穷，未来前景无限，期待3D传感技术带来更多精彩的突破性成果！
本文作者：崔振 赵展一 赵文华
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