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全面屏，怎么就那么難？
剛過(guò)不久的蘋(píng)果發(fā)布會(huì)上，新 iPhone 的亮點(diǎn)之一是：劉?？车袅?0%。對(duì)于“苦劉海久矣”的人而言，20%幾乎沒(méi)什么變化，因而也被調(diào)侃成擠牙膏式的設(shè)計(jì)。
不過(guò)，侃歸侃，從技術(shù)層面來(lái)講，這20%其實(shí)來(lái)之不易。
因?yàn)樵谶@片劉海里，一共有前置攝像頭、麥克風(fēng)、激光發(fā)射器等8個(gè)重要元器件。其中對(duì)于 Face ID 功能和前置攝像起著決定作用的元器件主要有兩個(gè)部分：激光發(fā)射器模組和接收裝置。
“從結(jié)構(gòu)光的基礎(chǔ)原理來(lái)看，激光發(fā)射器和接收裝置之間必須要隔有一定距離，才能保持成像精度，而且等效距離越長(zhǎng)，精度越高，反之亦然。這是蘋(píng)果保留劉海的根本原因。”光鑒科技首席科學(xué)家呂方璐告訴 AI 掘金志。
此前，在iPhone 12上，這一距離大約是27毫米。此次劉?？s減了20%，蘋(píng)果官方表示，這“得益于傳感器重排、微縫聽(tīng)筒等技術(shù)引入”。
“如果要縮短等效距離且保持精度，技術(shù)方面的難度很大。”呂方璐表示，蘋(píng)果應(yīng)該是采取了另一種方法，即通過(guò)積累的人臉數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化其3D 人臉?biāo)惴Ｐ?，放寬?duì)3D 成像的精度要求。
換句話說(shuō)，就是用算法來(lái)彌補(bǔ)傳感器重排帶來(lái)的數(shù)據(jù)感知導(dǎo)致的精度問(wèn)題，這其實(shí)是一種取巧的辦法，要求也比較高，要有大量的人臉數(shù)據(jù)做支撐，對(duì)算法持續(xù)優(yōu)化。
但這種方法不具備可復(fù)制性，一是算法本身存在缺陷，需要不斷利用數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋和調(diào)整；二是現(xiàn)在人臉數(shù)據(jù)集采的監(jiān)管日趨嚴(yán)格。
實(shí)際上，最佳的解決方法是將原有的相機(jī)模組，放入屏下，即行業(yè)經(jīng)常提及的“屏下結(jié)構(gòu)光解決方案”。這既符合全面屏的發(fā)展趨勢(shì)，又能解決因縮短激光發(fā)射器和接收裝置距離造成的成像精度低這一問(wèn)題。
早在今年2月份，光鑒科技就和中興手機(jī)推出了全球首款屏下結(jié)構(gòu)光技術(shù)，引起輿論重視。呂方璐表示，屏下3D 技術(shù)已達(dá)量產(chǎn)要求，但該技術(shù)在具體機(jī)型上還涉及到產(chǎn)品化的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化，因而未能實(shí)際量產(chǎn)。并且，屏下3D 技術(shù)也還有一些問(wèn)題需要解決。
透光率：屏下結(jié)構(gòu)光的阿克琉斯之踵
在說(shuō)屏下結(jié)構(gòu)光之前，先簡(jiǎn)單談?wù)?iPhone 3D 結(jié)構(gòu)光的技術(shù)原理。
3D結(jié)構(gòu)光模組包括發(fā)射端（點(diǎn)陣投影器和泛光感應(yīng)元件）和接收端（紅外攝像頭），原理如下：
1）激光發(fā)射器發(fā)出特定波長(zhǎng)的近紅外光，形成橫截面積很窄的平行光束，經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器后，其橫截面積均勻放大；
2）放大后的光束，通過(guò)準(zhǔn)直鏡頭實(shí)現(xiàn)平行，從而均勻入射在光學(xué)衍生元件（DOE）上，光束在經(jīng)過(guò)該器件時(shí)會(huì)形成特定的光學(xué)圖案，經(jīng)過(guò)投影透鏡后發(fā)射出去；
3）這些光束在投射到物體表面時(shí)，光信號(hào)會(huì)產(chǎn)生變化；
4）接收端（攝像頭）在接收到這些變化后，會(huì)計(jì)算物體的位置及深度等信息，再經(jīng)過(guò)特定的算法來(lái)復(fù)原三維空間。
點(diǎn)陣投影器及結(jié)構(gòu)光原理示意圖
泛光照射器由低功率VCSEL激光器和擴(kuò)散片等組成，其作用是發(fā)射不可見(jiàn)的紅外光線，使得紅外攝像頭在黑暗中也能接收反射自面部的點(diǎn)陣圖案。
屏下結(jié)構(gòu)光，其實(shí)就是將包含這些元器件的相機(jī)模組置于一塊“透明”的屏幕之下，既能保持?jǐn)z像功能，又最大化利用屏幕面積。
但隨之而衍生的問(wèn)題是：這塊透明的屏幕，對(duì)相機(jī)模組的成像精度影響多大？如何來(lái)彌補(bǔ)光在通過(guò)屏幕時(shí)所造成的能量損耗？
光從激光發(fā)射器發(fā)出、抵達(dá)物體表面，再到被傳感器吸收，要兩次透過(guò)屏幕，會(huì)帶來(lái)能量損耗，這就是屏下結(jié)構(gòu)光面臨的“透光率”問(wèn)題。
“對(duì)于紅外線來(lái)講，目前的屏幕經(jīng)過(guò)特殊處理后，光的透過(guò)率大概在30%，甚至更低一些。”
呂方璐表示，屏下結(jié)構(gòu)光只能采用 OLED 屏幕，因?yàn)?OLED 屬于有機(jī)材料發(fā)光，不需要類(lèi)似 LCD 的背光源。
不過(guò)，有機(jī)發(fā)光材料發(fā)光需要電流，并且電極層一般不透光，所以激光發(fā)射器發(fā)出的光在透過(guò)屏幕時(shí)，大部分光會(huì)被電極層擋住或散射掉，這就造成可利用的光只有很小的一部分。
此外，光在透過(guò)屏幕時(shí)，由于屏幕本身是一種周期性結(jié)構(gòu)，像素在不停重復(fù)，因此會(huì)導(dǎo)致一種衍射效應(yīng)，比如一束光會(huì)衍射為幾束光，光的傳播方向也會(huì)受到影響。
而在實(shí)際場(chǎng)景中，透光率還會(huì)受到各種噪聲的影響。
比如，在室外，太陽(yáng)光里面的紅外線，照射在人臉上，會(huì)成為激光發(fā)射器發(fā)出的紅外線能量的噪聲。如果激光發(fā)射器的能量不夠，那么就會(huì)被噪聲干擾，嚴(yán)重影響成像效果。
“屏下結(jié)構(gòu)光首先要保證屏幕效果顯示正常，不能影響用戶體驗(yàn)，在此條件之下，再解決光的透過(guò)率這個(gè)問(wèn)題，是最大的難點(diǎn)。”呂方璐表示，這也是阻礙屏下結(jié)構(gòu)光“量產(chǎn)”的根本原因。
三種解法：屏幕、元器件和算法
問(wèn)題已提出，剩下的就是對(duì)癥下藥找解決方法。
屏下結(jié)構(gòu)光最大的難題是“透光率”，這道題可以從三個(gè)維度來(lái)解。
一是從 OLED 屏幕出發(fā)，提高面板透光率，或者做屏幕的定制化。
比如，三星推出的可折疊屏手機(jī)，用的是UPC（Under Panel Camera，屏下攝像頭）技術(shù)，核心是提高面板透光率的“Eco OLED”和優(yōu)化像素孔徑。
提高透光率和定制屏幕雖然是最直接有效的解法，但這依賴于面板技術(shù)的進(jìn)步，并且涉及到面板供應(yīng)商、屏下結(jié)構(gòu)光解決方案商和手機(jī)廠商之間的合作。
“屏幕從設(shè)計(jì)到開(kāi)發(fā)再到實(shí)際運(yùn)用，周期相對(duì)較長(zhǎng)。”呂方璐表示，在面板技術(shù)尚未取得開(kāi)創(chuàng)性突破和大規(guī)模運(yùn)用之前，要提高透光率，就要另辟蹊徑。
二是從器件模組入手。
既然光在透過(guò)屏幕時(shí)發(fā)生損耗，那么可以在發(fā)射端增強(qiáng)光的能量，來(lái)抵消這部分能耗。就好比一個(gè)10瓦的燈泡，光的能量怎么也比不過(guò)100瓦的燈泡。
但這個(gè)方法的癥結(jié)在于，增強(qiáng)光的能量，就要加大功率，進(jìn)而增加功耗。如何在增強(qiáng)光能量的同時(shí)，又不增加能耗，是這套方案的核心，也是技術(shù)難點(diǎn)。
三是利用算法來(lái)做補(bǔ)償。
接收端在接收到光信息之后，會(huì)進(jìn)行計(jì)算，就會(huì)用到算法。那么就可以優(yōu)化算法來(lái)補(bǔ)償因“透光率”帶來(lái)的部分能量損耗。
如果數(shù)據(jù)量夠大，算法足夠成熟，便可以降低對(duì)成像精度的要求。
比如蘋(píng)果的 Face ID，就利用了人臉數(shù)據(jù)做3D 算法模型優(yōu)化。 這個(gè)方法的缺陷也很明顯：需要大量數(shù)據(jù)，并且算法在面對(duì)特定場(chǎng)景時(shí)也會(huì)出現(xiàn)偏差。
這三種解法，雖然從不同方面來(lái)提高“透光率”，但其實(shí)是相互交叉的，比如做面板定制，要適應(yīng)于器件模組，要與算法相結(jié)合；而相關(guān)算法雖然可以優(yōu)化成像精度，卻只能作為輔助。
“要實(shí)現(xiàn)屏下結(jié)構(gòu)光的量產(chǎn)，實(shí)際上需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的合作與進(jìn)步。”呂方璐表示。
國(guó)產(chǎn)屏下結(jié)構(gòu)光之殤
從劉海屏到打孔屏，縮小劉海以擴(kuò)大屏幕的使用面積，最終達(dá)到全面屏，一直以來(lái)是手機(jī)廠商的終極目標(biāo)。
屏下3D 結(jié)構(gòu)光被視為最佳解決方案，雖然有一個(gè)“透光率”的問(wèn)題亟待解決，但方法總比問(wèn)題多，上述三種解法實(shí)際上可以解決很大一部分難點(diǎn)。
然而國(guó)內(nèi)廠商要發(fā)展屏下結(jié)構(gòu)光，還要面臨技術(shù)之外的一道大坎：專(zhuān)利。
3D 結(jié)構(gòu)光需要激光發(fā)射器發(fā)射數(shù)萬(wàn)個(gè)激光散斑，這對(duì)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 激光發(fā)射器；另外，光線還要通過(guò)衍生光學(xué)器件（DOE）進(jìn)行“衍射”，將光線進(jìn)行“切分”，以實(shí)現(xiàn)投射激光散斑的功能。
遺憾的是，這兩大元器件，VCSEL 激光器和衍射光學(xué)元件（DOE）的制造，基本上為美國(guó)、英國(guó)及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的廠商壟斷，國(guó)內(nèi)目前僅有三安光電可進(jìn)行 VCSEL 芯片的代工。
蘋(píng)果無(wú)疑是“VCSEL+DOE”3D 結(jié)構(gòu)光方案的核心受益者，同時(shí)也掌握著該項(xiàng)技術(shù)的專(zhuān)利。在專(zhuān)利保護(hù)愈加重視的背景下，這就給蘋(píng)果以外的廠商留下了難題：如何做一套具備完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的方案？
光鑒科技對(duì)此的解法是：以邊緣發(fā)射激光器（EEL）為光源，然后利用自研的波前調(diào)制器（WFP），通過(guò)在亞波長(zhǎng)尺度實(shí)現(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的調(diào)制，來(lái)實(shí)現(xiàn)投射激光散斑的功能。
這種方法避免了“VCSEL+DOE”的技術(shù)專(zhuān)利，邊發(fā)射激光器（EEL）的制程工藝比較成熟，成本上也可控，國(guó)內(nèi)廠商有相應(yīng)的生產(chǎn)能力。
“光鑒科技的WFP芯片，其制程工藝大概在250nm左右，國(guó)內(nèi)廠商已能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。”呂方璐表示。
對(duì)于屏下結(jié)構(gòu)光的難點(diǎn)，光鑒科技主要從器件模組和算法上來(lái)做突破，通過(guò)與 OLED 屏幕廠商長(zhǎng)期的研發(fā)合作，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)3D 成效效果和屏幕顯示效果的優(yōu)化。
在元器件方面，光鑒科技提高了激光發(fā)射模組從電到光的整體轉(zhuǎn)換效率，也就是在發(fā)射端來(lái)增強(qiáng)光的能量；同時(shí)基于EEL邊緣發(fā)射激光器，來(lái)減短脈沖，提升光線強(qiáng)度，從而補(bǔ)償因“透光率”帶來(lái)的能量損耗。
據(jù)悉，其激光發(fā)射模組從電到光的整體轉(zhuǎn)換效率相較于VSCEL方案提高了80%；而EEL邊光發(fā)射器每個(gè)脈沖的亮度是VSCEL方案的4倍左右。
在算法上，光鑒科技通過(guò)自研算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光信息的構(gòu)建，在保持同樣效果的情況下縮減算力，不必依靠ASIC芯片，以減少計(jì)算成本。
“光鑒科技和蘋(píng)果是不同的技術(shù)路徑，避免了與蘋(píng)果專(zhuān)利沖突的風(fēng)險(xiǎn)，并且在核心元器件上都已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。”呂方璐表示，目前國(guó)內(nèi)廠商也正在進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，比如奧比中光，屏下3D 技術(shù)越來(lái)越受到重視。
總結(jié)
從蘋(píng)果Face ID 采用3D 結(jié)構(gòu)光，到現(xiàn)在行業(yè)共推的全面屏，“劉海”不斷縮小的背后是技術(shù)的不斷更迭與演進(jìn)。
“未來(lái)視覺(jué)必然會(huì)從2D 向3D 轉(zhuǎn)變，因?yàn)?D 信息更豐富全面。”呂方璐表示，3D 信息能簡(jiǎn)化計(jì)算量，不需要做過(guò)多的數(shù)據(jù)采集和模型訓(xùn)練。屏下3D 結(jié)構(gòu)光作為全面屏的核心技術(shù)，雖然技術(shù)本身還有要攻克的難點(diǎn)，國(guó)產(chǎn)化能力也需要加強(qiáng)，但應(yīng)用前景比較樂(lè)觀。
“未來(lái)一兩年的時(shí)間里，屏下3D 結(jié)構(gòu)光技術(shù)應(yīng)該就能大規(guī)模運(yùn)用。”
作者 | 秀松
編輯 | 余快
