關(guān)于ToF技術(shù)的分析和應(yīng)用

相信大家仍然對(duì)電影《少數(shù)派報(bào)告》中炫酷的“虹膜掃描”印象深刻，但是虹膜掃描也有一個(gè)問(wèn)題，通過(guò)虹膜移植--換眼手術(shù)就可以騙過(guò)系統(tǒng)（劇中的阿湯哥就這樣做的）。

隨著最新高端移動(dòng)設(shè)備的發(fā)布，刷臉技術(shù)已開(kāi)始受到通過(guò)臉部識(shí)別實(shí)現(xiàn)設(shè)備解鎖等應(yīng)用的青睞，從而在現(xiàn)有的基于指紋掃描的生物識(shí)別技術(shù)基礎(chǔ)上增添了一個(gè)主要安全級(jí)別。

有市場(chǎng)分析人員指出，未來(lái)幾年臉部識(shí)別技術(shù)和可靠生物識(shí)別軟件的發(fā)展也將推動(dòng)移動(dòng)支付等其他應(yīng)用在所有市場(chǎng)上的快速增長(zhǎng)。但是這項(xiàng)技術(shù)仍然面臨技術(shù)難題。

1 應(yīng)用要求及挑戰(zhàn)

一流的臉部識(shí)別應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一在于潛在的臉部欺騙攻擊的危險(xiǎn)。臉部欺騙攻擊是指通過(guò)利用支持臉部識(shí)別的人工機(jī)制，企圖偽造所有者的臉部并獲得外來(lái)訪問(wèn)權(quán)。黑客可以使用照片、視頻或3D面罩來(lái)實(shí)施攻擊并訪問(wèn)設(shè)備上所有者的特許保密信息。

1.1光線明暗及頻率干擾

臉部識(shí)別技術(shù)預(yù)計(jì)將適用于所有環(huán)境光線條件和背景。譬如，在陽(yáng)光明媚的日子，在沙灘上，陽(yáng)光直接照射在攝像頭上或照到用戶的臉上，或者晚上在家里看電視時(shí)光線暗淡。此外，來(lái)自側(cè)面的強(qiáng)光或投下的陰影也造成了其他具有挑戰(zhàn)性的邊界條件。

如果不同移動(dòng)設(shè)備的3D攝像頭在同一空間以同一頻率工作，則偶爾會(huì)出現(xiàn)多設(shè)備干擾問(wèn)題。具有相似調(diào)制頻率和重疊視野的深度攝像頭可能相互干擾，因?yàn)樗鼈児蚕硗活l段。因此，來(lái)自兩個(gè)或更多攝像頭的光信號(hào)疊加產(chǎn)生一個(gè)移位相位（假設(shè)調(diào)制頻率相同），引發(fā)干擾，并使正確的模式識(shí)別失效。

1.2其他問(wèn)題及挑戰(zhàn)

臉部身份驗(yàn)證等應(yīng)用的用戶體驗(yàn)需要實(shí)現(xiàn)無(wú)縫，臉部檢測(cè)和識(shí)別需要實(shí)時(shí)進(jìn)行。此外，臉部識(shí)別還需解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

激光安全在實(shí)施激光照明的3D攝像頭系統(tǒng)中是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。如果不考慮眼睛安全，大功率照明會(huì)損害最終用戶的眼睛。因此，本課題要求特別注意相應(yīng)的應(yīng)用安全規(guī)定和關(guān)注的目標(biāo)市場(chǎng)。

電池使用時(shí)間是用戶關(guān)注的問(wèn)題，也是手持設(shè)備設(shè)計(jì)的一個(gè)主要考慮因素。雖然以最低功耗穩(wěn)定運(yùn)行是智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備的必備條件，但每一代新手機(jī)都增加了需要速度更快的處理器的諸多功能，從而耗電更多。

在保持手持設(shè)備尺寸的同時(shí)屏幕卻越來(lái)越大，這給設(shè)計(jì)師提出了一個(gè)挑戰(zhàn)，即如何在電路板的小小空間內(nèi)容納所有功能。

機(jī)械強(qiáng)度：對(duì)于將一直 “在途中”的電子設(shè)備而言十分重要。在跌落、碰撞、沖擊和振動(dòng)的情況下，設(shè)備必須耐用。手機(jī)制造商希望避免由于機(jī)械或標(biāo)定降級(jí)問(wèn)題而導(dǎo)致的現(xiàn)場(chǎng)退貨。用戶永遠(yuǎn)不想標(biāo)定他們的手機(jī)！

2 搭載REAL3TM的解決方案

針對(duì)以上幾個(gè)難題，英飛凌REAL3TM系列圖像傳感器構(gòu)成3D攝像頭模塊中最相關(guān)的功能塊，旨在實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備中準(zhǔn)確的臉部識(shí)別。英飛凌REAL3TM系列實(shí)時(shí)提供深度數(shù)據(jù)，而不會(huì)對(duì)圖像采取以后處理的方式，采用毫秒級(jí)的捕獲程序，無(wú)接觸、快速且對(duì)不同的環(huán)境光線條件有穩(wěn)定表現(xiàn)。

2.1光線問(wèn)題這樣解決

基于2D的臉部識(shí)別系統(tǒng)可能很容易偽造；即使用顯示屏上的臉部圖片。REAL3TM系列可帶來(lái)基本性能，實(shí)現(xiàn)有效防欺騙、防偽造的攝像頭系統(tǒng)：高可靠性的3D數(shù)據(jù)，至少有3.8萬(wàn)個(gè)深度點(diǎn)，測(cè)量每一個(gè)像素的深度，達(dá)到毫米級(jí)精度。錯(cuò)誤率小于1.000.000，沒(méi)有任何遭受奇怪攻擊的可能性！

如上所述，強(qiáng)光和昏暗光線條件的影響可能是智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)可靠臉部識(shí)別面臨的一個(gè)問(wèn)題。當(dāng)然，戶外使用時(shí)陽(yáng)光比攝像頭的有源照明要明亮得多。這會(huì)導(dǎo)致拍攝噪聲（距離噪聲）增大，同時(shí)傳感器的大量動(dòng)態(tài)被環(huán)境光所占據(jù)，導(dǎo)致像素飽和，從而降低了精度或像素失效。

濾光片和光猝發(fā)是用來(lái)克服[陽(yáng)光]影響的常用技術(shù)；不過(guò)，它們不足以將信噪比提高到可接受的水平。與此相反的是，REAL3TM系列傳感器專為具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境光線條件而設(shè)計(jì)：強(qiáng)光或具有不同反射指數(shù)的材料等干擾將不會(huì)影響測(cè)量的可重復(fù)性和質(zhì)量。這要?dú)w功于傳感器的獲得專利的SBI（背景干擾抑制），這是一種像素內(nèi)電路技術(shù)，用于克服可變光線條件的影響。SBI電路在集成過(guò)程中瞬間消除所有不相關(guān)信號(hào)，并在所有光線條件下（晴天、多云、陰天或昏暗）實(shí)現(xiàn)出色的攝像頭性能。

ToF模塊工作原理圖

如需求一節(jié)所述，在保持設(shè)備尺寸的同時(shí)有足夠的電池使用時(shí)間對(duì)于電池供電設(shè)備是非常重要的。在結(jié)構(gòu)光或立體視覺(jué)等3D成像技術(shù)中，距離通過(guò)復(fù)雜算法用三角測(cè)量方法計(jì)算得出。這些技術(shù)需要在專用ASIC處理器上處理大量數(shù)據(jù)。飛行時(shí)間僅通過(guò)一次捕獲來(lái)測(cè)量整個(gè)場(chǎng)景，更快、更準(zhǔn)確，并且具有更低的計(jì)算負(fù)荷要求?；赗EAL3的攝像頭的精簡(jiǎn)計(jì)算負(fù)載可以降低應(yīng)用處理器的功耗并減少所占用的資源。

2.2英飛凌ToF解決方案

英飛凌REAL3TM系列能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的攝像頭模塊設(shè)計(jì)。除通常的外設(shè)[SP2/I2C存儲(chǔ)器、電源、連接器]外，3D攝像頭將只有兩個(gè)主要組件：REAL3TM圖像傳感器和照明電路[VCSEL驅(qū)動(dòng)器和溫度傳感器]，它們之間不需要任何機(jī)械基線。

因而，其結(jié)果就是一個(gè)非常小的攝像頭模塊(只有11×7×4毫米)，具備集成于手機(jī)的高度靈活性，并有快速的(不到10秒)工廠內(nèi)壽命標(biāo)定程序。相比之下，結(jié)構(gòu)光等其他技術(shù)需要攝像頭和投影儀之間的基線?；€的存在意味著很大的空間需求、較低的機(jī)械穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，并且設(shè)計(jì)靈活性有很大局限。在基于結(jié)構(gòu)光的攝像頭中，由于機(jī)械不穩(wěn)定性導(dǎo)致的標(biāo)定降級(jí)風(fēng)險(xiǎn)增大，可能會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)量損失甚至現(xiàn)場(chǎng)退貨等后果。

基于REAL3TM系列的模塊尺寸僅有11×7×4毫米

此外，REAL3TM包括一個(gè)集成式眼睛安全電路。只有少數(shù)組件必須外部連接。眼睛安全電路使紅外光系統(tǒng)能在所有可預(yù)見(jiàn)的操作條件下都是安全的。較之外部眼睛安全電路，這個(gè)概念具有顯著優(yōu)勢(shì)：減少BOM用料，并且對(duì)于每個(gè)用例可以選擇曝光時(shí)間界限設(shè)置。

在3D攝像頭中實(shí)施的英飛凌REAL3TM系列傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)面部的實(shí)時(shí)跟蹤和識(shí)別。

REAL3TMToF技術(shù)不受環(huán)境光照、材料反射條件或臉部朝向的影響，確?？煽糠榔垓_，完全不引人注目并實(shí)現(xiàn)高效率。通過(guò)在3D攝像頭設(shè)計(jì)和制造中提高性能和集成度、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并優(yōu)化成本，英飛凌REAL3TM系列加強(qiáng)了產(chǎn)品的差異化優(yōu)勢(shì)。用戶獲益包括簡(jiǎn)單無(wú)縫的身份驗(yàn)證體驗(yàn)和增強(qiáng)的安全性。