隨著人工智慧科技的快速發展，3D sensing技術將成為新的發展趨勢。ToF技術門檻較低且應用場景多元化，因此ToF方案是目前被業界看好的方案。3D感知攝像頭融合AI、5G和大數據等技術發展，未來在智慧城市、日常生活場景中無縫融入。未來全球 3D感知攝像頭市場規模將不斷擴大。
一、3D感知攝像頭發展趨勢
（一）技術層面
2017 年蘋果發布的 iPhone X 採用結構光 Face ID 用於人臉識別，開啟了3D感知相機在手機的應用先例,以此替代傳統 Home 鍵指紋解鎖，從而提高手機解鎖安全性。3D sensing技術主要解決生物識別與感知，通過人機互動技術計算攝影，實現從2D 向3D 的轉化。
1、3D sensing技術介紹及分析
3D sensing 技術主要分為三種方案，包括結構光、ToF 和立雙目測距法。目前比較成熟的是結構光和ToF技術。
結構光技術：通過近紅外雷射器，將具有一定結構特徵的光線投射到被拍攝物體上，再由專門的紅外攝像頭進行採集。這種具備一定結構的光線，會因被攝物體的不同深度區域，而採集不同的圖像相位信息，然後通過運算單元將這種結構的變化換算成深度信息，以此來獲得三維結構。結構光是基於雷射散斑原理，通過採集物體的三維數據構建 3D 模型，具有成像精度較高、反應速度與成本適中的特點，主要用於近距離 3D 人臉識別，目前在 iPhone X，華為 Nova2s等多款機型的前置攝像頭中均有應用。
TOF 是飛行時間（Time of Flight）技術的縮寫，其原理是：傳感器發出經調製的脈衝紅外光，遇物體後反射，傳感器通過計算光線發射和反射時間差或相位差，來換算被拍攝景物的距離，以產生深度信息，此外再結合傳統的相機拍攝，就能將物體的三維輪廓以不同顏色代表不同距離的地形圖方式呈現出來。飛行時間測距法（ToF）利用反射時間差原理，通過計算探測光飛行時間實現 3D 成像，刷新率較快，能夠覆蓋中遠距離，可廣泛應用在手勢追蹤、手機後置輔助相機等，在 華為 P30 Pro 、華為 Mate 30 Pro等已有應用。
TOF 技術的優點:
(1) 軟體複雜性低，設計與應用簡單；(2) 在暗光與強光環境下表現不錯；(3) 功耗不高；(4) 有較遠的探測距離；(5) 響應速度快。
圖表1.1 三種3D sensing 成像方式
ToF 技術根據發射光的調製形式，分為直接飛行時間測量(Direct-TOF，即dToF)和間接飛行時間測量(Indirect-TOF，即 iToF)，直接飛行時間測量採用脈衝調製，而間接飛行時間測量採用連續波調製。dToF 技術要求更高，測量精度更高。dTOF 需要採用高精密時鐘進行測量且需要產生短時間、高頻率、高強度的雷射，對硬體的要求較高。其優點也比較顯著，省電、成像速度高，由於發射端能量較高，所以一定程度上降低了背景光的幹擾，探測更遠的距離。
圖表1.2 ToF技術分類
圖表1.3 dToF和iToF優缺點
2、3D sensing技術發展
ToF具備結構簡單、模組尺寸更小、探測距離更遠、材料成本更低等優勢，在手機的後置場景更有優勢，並在少數安卓旗艦機型獲得應用。2020年3月18日蘋果發布了新的 iPad Pro，搭載 3D dToF 技術(蘋果稱為 LiDAR)，在納秒的極短時間內測量室內或室外環境中從最遠五米處反射回來的光子。媒體報導，即將在今年 9 月發布的 iPhone 12 系列手機也有望採用 3D TOF 技術。
圖表1.4 第四代 iPad Pro 搭載了 TOF 相機
相比此前安卓手機廠商採用的 3D iToF 技術，蘋果採用的 3D dToF 技術響應快、功耗低、功能完善。
圖表1.5 ToF技術發展路線
（二）3D感知攝像頭產業層面
1、3D感知攝像頭產業鏈
整個 3D 感測產業鏈包括 3D 攝像頭模組(包括 3D 結構光和 TOF)、軟體算法以及系統整體解決方案提供商 3 個環節。而 3D 結構光和 TOF 模組基本組成相同，都由光源(illuminator)、傳感器陣列(Sensor Array)和光學器件(Optics)等零部件組成。
3D攝像頭產業鏈可以被分為：
上遊：紅外傳感器、紅外光源、光學組件、光學鏡頭以及CMOS圖像傳感器等硬體零件與基礎算法提供商。
中遊：傳感器模組，攝像頭模組，光源代工、光源檢測及圖像算法等供應商，主要從事硬體集成和軟體開發。
下遊：終端廠商及場景應用。
圖表1.6 3D sensing結構光方案產業鏈
ToF 感知相機主要包含方案廠商、發射端、接收端、模組組裝。發射端:通常由 VCSEL 雷射器及光學器件組成。接收端:包括 ToF sensor、濾光片和鏡片。ToF sensor 收集反射回來的經過紅外濾光片過濾的紅外光，測量光線從發射單元到每個像素點的時間，同時記錄被拍物體的 2D 黑白圖像。濾光片僅允許發射端相應波長的紅外光通過，過濾掉其它波長的光學幹擾。模組組裝:將 ToF sensor、VCSEL 雷射器、光學元器件等集成為一個完整的模塊。
圖表1.7 消費電子 TOF 產業鏈結構
2、3D感知攝像頭產業發展
國產機 3D sensing 陣營將由晶片算法+光學方案分成三大陣營:高通+himax；華為海思+AMS+舜宇；MTK+奧比中光。
圖表1.8 搭載 ToF 攝像頭手機與供應商
圖表1.9 蘋果、三星、華為的ToF供應鏈
據 Yole 預測，2023 年整個 3D 攝像頭模組的市場規模可達 155 億美元，其中光源市場佔 14%，傳感器市場佔 17%，光學器件市場佔 28%，模組市場佔 40%。
圖表1.10 3D 攝像頭模組的市場
二、3D感知攝像頭前景分析
（一）3D感知攝像頭市場前景
3D 感知成像應用場景不斷增加，市場規模持續擴大。根據 Yole 預測，2023 年全球 3D 感知成像市場規模將從 2017 年的 19 億美元增加至 180 億美元，對應 2018-2022 年複合增速達到44%。其中增長最快的屬於消費電子，將由 2018 年的 18 億美元增長至 2023 年的 138 億美元，CAGR 超過 50%。
圖表2.1 全球3D感知成像市場規模
據 IHS Markit 報告，2018 年全球 TOF sensor傳感器市場規模為3.7億美元，佔整個3D感知市場的33%，2019年其市場規模同比增長35%，市場份額達到 5 億美金，佔比提高至40%左右。基於TOF方案的多方面優勢，尤其是成本優勢，預計2022 年，TOF sensor 市場規模有望達到 15 億美金。
圖表2.2 ToF sensor 市場規模(億美元)
（二）3D感知攝像頭應用場景
除智慧型手機之外，未來 3D Sensing 將在人機互動、即時通信、智能家居，AR/VR 技術以及機器人、自動駕駛輔助等領域有很廣闊的應用市場。
圖表2.3 ToF 的應用場景
1、手機
智慧型手機的相機創新是消費者選購手機的主要考慮因素之一。根據中關村在線2019Q1發布的報告，在處理器、相機、屏幕、遊戲體驗等諸多方面，相機功能是消費者最為關注和看重的，佔據29%的關注度。各個手機廠商都極為重視相機的創新。
圖表2.4 消費者關注度
智慧型手機的下一階段發展重點方向之一是3D感知攝像頭。3D 感知相機帶來立體視覺，增加了臉部解鎖、支付、測距等功能，提高安全性和效率。蘋果在 2017 年開創了前置 3D 深度相機的先例，各大手機廠商不斷嘗試後置 3D 相機的應用，蘋果新款 iPad Pro 正加速後置 3D 相機的推進。
結構光和 ToF 兩種 3D 視覺方案在智慧型手機領域的應用，此前在業界比較常見的做法是 ToF 後置，結構光前置。前置方案主要應用於解鎖以及安全支付、3D 人臉建模等方面；而 ToF 方案多被用於智慧型手機後置；從應用場景上來說，除了用於後置攝影，ToF 技術還在 AR 等領域（包括 3D 拍照、體感遊戲等）有一定的作用。但華為 Mate 30 Pro，它是業內首款在前置和後置攝像頭模塊都採用 3D 視覺技術的手機，它的前置和後置 3D 深感攝像頭所採用的方案均為 ToF 方案。
圖表2.5 高端機型優先裝載3D感知攝像頭
圖表2.6 2019年4-5月中國4000元以上暢銷機型銷量
據Trend Force 預測，未來幾年3D感知成像市場規模將呈幾何式增長，到2020年，3D感知成像市場規模可達到 108.49 億美元。根據 Yole預測，3D 攝像頭在智慧型手機中的滲透率將在未來幾年大幅上升，2025年將達到 70%，市場空間廣闊。
圖表2.7 全球 3D sensing智慧型手機市場佔比
圖表2.8 3D 攝像頭在智慧型手機的滲透率預測
據 Deutsche Bank 統計，2017年搭載3D Sensing 模組的智慧型手機(僅有 iPhone)數量為3800萬臺，在智慧型手機上搭載率僅為 3%。2018 年隨著 3D Sensing 模組在 Android 手機上進行使用，智慧型手機市場 3D Sensing 模組需求擴大。據預測，2020 年搭載 3D Sensing 模組的 iPhone 手機數量將達 4.4 億臺，搭載 3D Sensing 的 Android 手機數量將達 4.65 億臺，3D Sensing 在智慧型手機上搭載率將達到 38%。
圖表2.9 智慧型手機市場 3D Sensing 模組搭載情況預測
2、AR/VR
TOF技術是 AR 技術實現的基礎，能提供 3D 拍照、3D 識別和 3D 建模等功能。根據 IDC 預測，全球 AR/VR 支出規模在2019年達到168億美元，預測在 2023 年將達到1600億美元，AR/VR 支出規模在2019到2023年間複合年增長率(CAGR)將達78%。IDC 還預測中國市場 AR/VR 支出規模增長更快，2023年，中國 AR/VR 市場支出規模將達到 652.1 億美元，較2019 年的預測(65.3 億美元)有顯著增長。2018-2023年CAGR將達到 85%。
圖表2.10 全球AR/VR支出規模（億美元）
蘋果 ARKit、谷歌 ARCore、華為 Cyberverse 數字平臺的開發，推動了AR生態發展，AR的成長空間已被打開，未來將是一個硬體和內容相互推動升級的過程，ToF 將先在手機、平板等現有硬體上獲得廣泛應用，後續也將在 AR 眼鏡、頭盔等新型硬體上應用。
圖表2.11 AR 生態發展加速 ToF 應用
圖表2.12 全球 AR 軟體情況(個)
隨著AR技術的提升，提高消費者使用AR應用，產業將迎來 AR 眼鏡/頭盔的興起，ToF 的下遊應用從手機拓展至眼鏡等。據 IDC 預測，2023 年全年 AR 眼鏡銷量將達到 3190萬臺，對應 2019-2023年複合增長率高達169%。AR 眼鏡的出貨量增長將快速拉動下遊內容應用製作，以及產品多樣性，進一步刺激 AR 整體市場規模增長。據中國信息通訊研究院預測，2023 年全球 AR 市場規模將達到 416.7 億元，對應 2019-2022 年複合增速達到79%。
圖表2.13 全球AR眼鏡出貨量
圖表2.14 全球AR市場規模
3、無人駕駛
ToF 技術不僅可以用在手機上，還可以用在汽車上。採用了ToF 技術的倒車系統可同時偵測多個不同距離障礙物，當檢測到有行人或者障礙物靠近，透過軟體處理後，能以影像顯影或聲音警示距離，進一步輔助駕駛路況。隨著自動駕駛技術日益成熟，每輛車配置的車載攝像頭數量也呈現上升趨勢。儘管全球汽車出貨量同比下降，但根據 Yole 數據，2018 年平均每輛汽車搭載 1.7 個攝像頭，2023 年將增加至3個；TSR 預計全球車載攝像頭總出貨量將由2018年的1.09億顆增加至 2021 年的1.42億顆，對應2019-2021年CAGR為6.9%。
圖表2.15 29平均每輛汽車搭載攝像頭數量變化
圖表2.16 全球車載攝像頭總出貨量預測