3D相机专题报告：苹果采用，ToF技术商用加速

3D相机专题报告：苹果采用，ToF技术商用加速

1、深度3D相机具有立体视觉，发展迅速

2020 年 3 月 18 日，苹果发布了新款 iPad Pro，配备 3D dToF 技术（苹果称之为 LiDAR），可在极短的纳秒时间内测量室内或室外环境中从最远五米处反射的光子。 LiDAR与专业级相机、运动传感器和内部架构协作，硬件、软件和突破性创新技术的结合为AR增强现实和更广泛的领域开辟了无限可能。

发现iPad Pro采用了索尼ToF，像素大小为0.03MP，像素大小为10um。

苹果新款iPad Pro配备了大量增强现实功能，具有很强的现实感：可以即时放置虚拟物体，具有逼真的物体遮挡效果，让虚拟物体在结构中来回穿插。真实场景。 动作捕捉和角色遮挡效果也得到了优化，以实现更高的精度。 新款iPad Pro还可以实现高度测量、AR游戏、AR装饰、丰富的视频动画等。据媒体报道，今年9月发布的12系列手机也有望采用3D TOF技术。

与之前安卓手机厂商使用的3D iToF技术相比，苹果使用的3D dToF技术响应速度快、功耗低、功能齐全。 此外，目前只有少数应用程序支持ToF技术。 苹果的采用有望加速ToF生态系统的建设，快速提升ToF的渗透率。

相机创新是消费者购买手机的最大动力之一。 相机创新是消费者购买手机时主要考虑的因素之一。 中关村在线发布的报告显示，在处理器、摄像头、屏幕、游戏体验等诸多方面，拍照功能是消费者最关注和看重的，关注度占比29%，同比增长5% ％ 去年同期。 远高于第二名处理器的17%。 各手机厂商都非常重视相机创新。

3D深度相机已经成为下一阶段相机创新的重点方向之一。 自2000年夏普首次将相机与手机结合以来，手机相机的创新一直在以惊人的速度推进，大致可分为以下四个阶段： 1）相机与手机的结合，手机有了拍照功能，那么相机型号群的规模不断减小，像素不断增大； 2）增加前置摄像头，像素不断增加，自拍功能不断完善； 3）双摄像头、三摄像头突破单摄像头瓶颈，具备夜视暗拍、大光圈、潜望式、超广角功能，不断提升拍照性能； 4）3D深度摄像头带来立体视觉，增加人脸解锁、支付、测距等功能。 苹果于2017年率先使用前置3D深度摄像头。各大手机厂商不断尝试后置3D摄像头的应用。 Apple 的新款 iPad Pro 正在加速后置 3D 摄像头的进步。

全球5G和AI商用时代已经开启，3D深度摄像头作为AR的基础，有望快速渗透。 5G时代，宽带增强、实时通信等特性将帮助AR/VR走向云端，降低设备需求。 同时，AI算法和硬件的成熟将进一步推动内容的完善。 TOF可以提供3D摄影、3D识别和3D建模等功能，是AR的基础。 IDC报告显示，2019年全球AR/VR支出达到168亿美元，2023年将达到1600亿美元。2019年至2023年AR/VR支出的复合年增长率（CAGR）将达到78%。 IDC还预测，中国市场AR/VR支出规模将增长更快。 2023年，中国AR/VR市场支出将达到652.1亿美元，较2019年的预测（65.3亿美元）大幅增长。 2018年至2023年复合年增长率将达到85%。 ToF有望享受AR增长带来的红利。

Yole报告显示，2018年3D传感技术市场规模为37.43亿美元，预计2023年将达到186.14亿美元，复合年增长率为38%。 其中，增长最快的细分领域属于消费电子，主要得益于几大手机厂商的应用。 在消费电子领域，2018年市场规模为18.1亿美元，预计2023年将达到137.7亿美元，复合年增长率超过50%。

2、3D ToF技术优势突出，后处理前景广阔

深度3D传感技术根据其工作原理可分为三种类型：RGB双目、TOF和结构光。 RGB双目技术对算法要求较高，且容易受光线影响。 在黑暗或高曝光的情况下效果很差，所以很少使用。 目前广泛应用的是TOF和结构光。

TOF（时间）技术的工作原理是通过泛光照明器（固态激光器或LED）发射近红外（~850 nm或940nm）脉冲波。 脉冲波遇到物体后，被反射回来并被传感器（）收集。 系统计算每个像素的脉搏波之间的频率差或时间差，然后通过算法获得每个位置的精确3维深度。

结构光技术的基本原理是通过近红外激光将具有一定结构特征的光投射到被拍摄物体上，然后由专门的红外相机采集。 这种具有一定结构的光线会因被摄体的不同深度区域而采集不同的图像相位信息，然后通过计算单元将这种结构变化转化为深度信息，从而获得三维结构。 简单来说，就是通过光学手段获得被拍摄物体的三维结构，然后将获得的信息用于更深入的应用。

TOF传感技术具有可调范围和更长的检测能力。 TOF传感技术通过计算红外光的飞行时间来计算物体的深度信息。 该误差主要来源于设备的系统误差，且误差相对恒定。 结构光的精度取决于反射光。 近距离时误差很小，但随着距离的增加，误差呈指数级增加。 TOF测量距离可以通过改变光强度、光视角和发射器脉冲频率来调节。 适用于远距离体感识别，如身体动作、手势等，也适用于导航、监控、移动机器人等应用场景。 潜在的应用场景广泛。

TOF传感技术算法要求低、响应速度更快、支持更高的帧率。 由于结构光需要对编码后的结构光进行解码，因此复杂度比直接测距TOF要高。 TOF不需要后处理，从而避免了延迟并降低了算法要求。 此外，TOF解决方案可以实现非常高的帧速率，支持数百fps。 结构光方案的帧率会较低，一般为30fps。 如：TOF传感器支持。 汽车辅助驾驶需要快速响应和远距离检测。 3D TOF传感技术具有上述特点，因此更适合汽车辅助驾驶。 例如，3D TOF技术用于监控车内人和物体，并具有手势检测功能。

TOF结构简单，模块尺寸更小，材料成本更低。 在红外发射端，TOF基本不需要使用光学棱镜，但结构光需要形成特定的光学图案，因此需要添加DOE（衍射光栅）和透镜（光学棱镜）。 因此，TOF的模块尺寸更小，材料成本更低。 结构光的BOM成本约为20美元，而ToF约为15美元。 中低端ToF甚至不到10美元，ToF更具成本优势。

2017年苹果发布了该地区，由于应用场景较少，该技术并未被其他厂商采用。 新款iPad Pro的dToF发出的点光源密度远低于前置结构光，这也说明了两种技术的不同用途。

ToF技术更适合远距离识别场景，如智能手机后置摄像头、VR/AR手势交互、汽车电子ADAS、安防监控、新零售等领域。 未来，随着技术进一步成熟、生态逐步完善，TOF产业有望进一步完善。

3D ToF技术于2018年被VIVO、OPPO、荣耀的部分旗舰手机采用，随后LG、华为、三星的高端旗舰手机也加入了3D ToF技术。

目前OPPO、荣耀、华为、三星的TOF深度传感器大部分都是索尼芯片。 传感器尺寸为1/6英寸，有效像素仅为43200。

3. Apple 3D dToF加速ToF成熟

苹果iPad Pro搭载了3D dToF技术，相比其他厂商采用的3D iToF技术具有诸多优势，有望加速ToF应用的成熟。

ToF技术根据发射光的调制形式分为直接飞行时间测量（-TOF，或dToF）和间接飞行时间测量（-TOF，或iToF）。 直接飞行时间测量使用脉冲调制，而间接飞行时间测量使用连续波调制。

dToF具有更高的技术要求和更高的测量精度。 dTOF需要使用高精度时钟进行测量，并产生短时、高频、高强度的激光，对硬件提出了很高的要求。 它的优点也很显着，包括省电和高成像速度。 由于发射器能量较高，在一定程度上减少了背景光的干扰，可以检测更远的距离。

目前ST、AMS的1D ToF基本采用dToF技术，而厂商的3D ToF均采用iToF技术。

4、AR生态逐步完善，推动ToF共同成长

AR是未来最重要的技术创新，全球科技巨头都在积极参与，包括苹果、谷歌、微软、华为、亚马逊等。早在2012年，谷歌发布了扩展现实的Glass产品，微软发布了2015年全息头盔问世。但由于硬件技术不成熟、生态不完善，AR市场一直不温不火。

科技巨头纷纷深入布局完善AR生态，有望打开AR消费市场。 从苹果的AR SDK（软件开发套件）ARKit到安卓的AR SDK，再到2019年华为推出的数字化平台，这些平台大大降低了应用软件开发的难度，促进了AR生态的发展，促进了AR生态的繁荣。应用场景。 ，从而打开AR的消费市场。

苹果在 2017 年 WWDC 大会上首次发布了 iOS 版本的 ARKit。 第一代ARKit可以实现稳定快速的运动定位、平面和边界估计、光照估计和尺度估计，并支持各种开发平台或引擎。 此后，苹果在每年的 WWDC 大会上更新了 ARKit 版本。 2018年的ARKit 2版本中，增加了环境纹理、图像跟踪、物体检测等功能。 改进后的ARKit 2可以跟踪真实场景中的2D图像和3D物体，渲染更真实的增强现实场景。 2019 年发布的 ARKit 3 增加了对角色遮挡、动作捕捉、多脸跟踪以及前后摄像头同时使用等功能的支持。

3D视觉交互已经成为ARKit的重要应用场景。 在 ARKit 2 中，Apple 添加了对真实场景中 3D 对象的跟踪。 在最新的ARKit 3中，增加了实时捕捉人体动作、人物遮挡、多样化的AR交互等功能。

TOF相机作为最优的3D交互输入终端，可以极大提升AR体验。 3D输入可以提供3维信息，降低AR的算法难度和计算量，显着提高AR体验的准确性和流畅度，同时也大大降低功耗。 搭载TOF摄像头的iPad Pro可以提供更加真实、流畅的AR游戏体验，你甚至可以使用AR来玩逼真的网络游戏。

搭载TOF摄像头的iPad Pro还可以为学习和工作提供便利，例如3D扫描和建模，让用户可以更直观地学习模型，与其他软件配合，甚至可以进行修改和装饰。

为了推动AR生态系统的发展，谷歌于2017年推出了第一个AR SDK：. AR功能可以在现有系统上实现，无需额外硬件支持； 谷歌于2018年2月发布了1.0版本，利用运动跟踪、环境理解和光照估计三大主要技术来实现AR功能。 仅3个月后，谷歌就发布了1.2，新增了谷歌云、谷歌云、云端三大功能，并对部分iOS设备提供了有限支持。 谷歌也在2019年2月更新版本至1.7，引入了Faces（人脸增强）API，并发布了基础原理学习的应用。

3D应用场景已经成为新时代最重要的应用场景之一。 1.2 中某些功能的实现需要在 3D 中跟踪和移动它们。 1.7版本中，3D应用场景更加丰富。 此更新添加了自拍 AR 滤镜和动画 API：Faces，以及优化的应用程序 UX。 Faces支持前置摄像头，可以生成高质量的3D人脸网格，并支持468点跟踪。 开发人员可以向网格添加有趣的特效，例如动画面具、眼镜和虚拟帽子。 它还支持皮肤。 抛光。 开发者只需操作网格上的坐标和特定区域的锚点即可添加特效。

华为也加入了AR生态的建设。 2019年，华为发布数字化平台。 该平台是一个可以利用手机进行厘米级定位的AR实景地图服务平台。 它是一个开放的平台，AR部分是完全开放的，可以接入AR Core和苹果的AR Kit。 目前有开放接口，包括3D地图、数据信息访问等。

目前已有3D行人导航、虚拟建筑信息、智慧园区物联网信息等应用场景，覆盖150个国家、40种语言。 可应用于景点、博物馆、智慧园区、机场高铁站等空间。 2019年已在国内5个著名景点接受开发商测试。 到2020年底，将在1,000个地点提供服务。 该平台还可作为导航车的高精度定位导航系统，实现左右车道、一车道、二车道、三车道切换。

我们相信，ARKit打破AR硬件和软件之间的僵局后，AR的增长空间已经被打开。 未来将是一个硬件和内容相互促进和升级的过程，可以分为三个阶段：

1）第一阶段为2017年至19年，硬件驱动内容发展：过亿的手机市场和应用软件开发难度的降低将带来AR内容的快速发展，以及终端用户的习惯可以初步培养；

2）第二阶段为2020年至23日，内容的发展将推动3D信息采集效果更好的深度ToF相机在终端的安装。 深度ToF摄像头可以实现更好的AR效果，内容将再次升级；

3）第三阶段是2023年以后，用户AR使用习惯得到培养，技术得到提升。 行业将迎来AR眼镜/头盔的崛起，ToF的下游应用将从手机扩展到眼镜。

未来几年，ToF技术将迎来终端的快速增长。 IHS报告显示，2018年全球TOF传感器市场规模为3.7亿美元，占整个3D传感市场的33%。 2019年其市场规模同比增长35%，市场份额达到5亿美元，占比提升至40%左右。 。 基于TOF解决方案的各种优势，尤其是成本优势，预计2022年TOF市场规模有望达到15亿美元。

随着TOF技术的不断成熟和应用场景的不断丰富，手机摄像头、VR/AR手势交互、汽车电子ADAS、安防监控和新零售等领域将增加对TOF深度传感器的需求。

5、ToF产业链及投资建议

ToF深度相机主要包括以下组件：

方案厂商：处于ToF产业链核心，负责方案设计、算法设计、主要器件选型。 通常也会同时设计ToF。

发射端：通常由VCSEL激光器和光学元件组成。

接收端：包括ToF、滤光片和镜头。 ToF 收集经过红外滤光片过滤后的反射红外光，测量光从发射单元传播到每个像素所需的时间，并记录被拍摄物体的 2D 黑白图像。 滤光片仅允许发射端相应波长的红外光通过，滤除其他波长的光学干扰。

模组组装：将ToF、VCSEL激光器、光学元件等集成为完整的模组。

建议关注上市公司汇顶科技（，买入）、威尔科技（，未评级）、欧菲光（，未评级）、三安光电（，买入）、水晶光电（，未评级）、联创电子（ ，未评级），购买）。

汇顶科技：拥有多年光学指纹、心率传感器等光学传感器量产经验。 它早在2017年就开发出结构光3D，预计在2020年推出ToF解决方案。

威尔有限公司：全球第三大CIS设计公司，量产结构光红外传感器NIR。

欧菲光：为手机厂商供应ToF。

三安光电：拥有VCSEL制造能力。

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（报告观点属于原作者，仅供参考。报告来源：东方证券）

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（本文仅供参考，不代表本行任何投资建议，如需使用相关信息，请以报告原文为准。）

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