文/周路菡

3D感知引領(lǐng)人機(jī)交互應(yīng)用新方向

文/周路菡

在移動端的應(yīng)用，未來將引導(dǎo)機(jī)器人、無人駕駛、體感識別、實(shí)景購物、智能家居、3D感知等多個領(lǐng)域的變革，3D感知也將開啟人機(jī)交互新時代

蘋果在新一代iPhone發(fā)布會上正式推出了“FaceID”面部識別技術(shù)，首次在移動終端實(shí)現(xiàn)了3D識別以及AR功能。蘋果大規(guī)模率先采用3D感知技術(shù)，說明3D識別應(yīng)用已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室踏入市場，這也讓與3D識別相關(guān)聯(lián)的所有相關(guān)的產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域，都迎來了真正的革命性的風(fēng)口。3D識別技術(shù)在移動端的應(yīng)用，未來將引導(dǎo)機(jī)器人、無人駕駛、體感識別、實(shí)景購物、智能家居、3D感知等多個領(lǐng)域的變革，3D感知也將開啟人機(jī)交互新時代。

3D感知應(yīng)用迎來“超級周期”

2017年9月13日，蘋果在新一代iPhone發(fā)布會上推出了iPhone 8、iPhone X等一系列新產(chǎn)品。在這次發(fā)布的新產(chǎn)品中，iPhone手機(jī)引領(lǐng)新一輪的硬件創(chuàng)新浪潮，其中柔性O(shè)LED、雙攝、3D攝像頭、玻璃外觀、無線充電、雙電芯、類載板、聲學(xué)升級、SiP封裝、激光加工已成為新的看點(diǎn)。

在所有的硬件中，最被業(yè)內(nèi)人士看好的是在蘋果手機(jī)上率先應(yīng)用的3D Sensing（3D感知）技術(shù)。據(jù)悉，該技術(shù)將重新定義手機(jī)的前相機(jī)地位，蘋果可能憑借3D感知技術(shù)重回創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者的寶座。

蘋果手機(jī)的3D感知技術(shù)之所以成為此次iPhone的最大亮點(diǎn)，主要是其讓一向被長期探索的技術(shù)正式進(jìn)入應(yīng)用層面。蘋果的3D感知技術(shù)原理為使用Light Coding技術(shù)，透過紅外線發(fā)射器將空間編號，利用打出至空間或物體上的散斑來記錄深度資訊，因此可模擬出3D效果。據(jù)悉，蘋果通過手機(jī)前端的紅外線原生感攝像頭，投射超過30000個肉眼不可見的光點(diǎn)到人臉之上，并繪制出一個完整的面部3D圖形。據(jù)了解，以往Light Coding曾被應(yīng)用在Microsoft第一代Kinect上，以便偵測玩家動作，如今iPhone將此技術(shù)導(dǎo)入人臉辨識應(yīng)用上，透過3D感測來紀(jì)錄使用者的五官外觀特征。而由3D感測驅(qū)動的人臉辨識所產(chǎn)生的最直接影響，就是取代了原本由iPhone帶起的指紋辨識功能。換言之，不管在手機(jī)解鎖或是Apple Pay使用都將由人臉辨識取代。

根據(jù)實(shí)際的檢測結(jié)果，3D感知技術(shù)的應(yīng)用將大大方便使用者的解鎖步驟。iPhone X可感知用戶只需要看手機(jī)就可以讓手機(jī)自動解鎖，這樣就在使用者習(xí)慣上大大簡化了操作步驟。以往使用者在解鎖過程中需要把手指置于Home Button上，但是有時手指臟污，手機(jī)無法辨識指紋，所以還得需要輸入密碼。此外，蘋果的Apple Pay功能也更加方便，因?yàn)槭褂迷摴δ芤酝枰讣y辨識以達(dá)到驗(yàn)證目的，如今iPhone X的人臉辨識讀取完用戶的臉部資訊后，用戶在手機(jī)側(cè)邊的睡眠/喚醒切換鍵輕點(diǎn)兩下確認(rèn)后，就可完成付費(fèi)程序。

在資訊安全部分，蘋果3D感知技術(shù)的應(yīng)用強(qiáng)調(diào)其所采用的人臉辨識功能通過導(dǎo)入機(jī)器學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以讓安全性較指紋辨識功能大幅提升，容錯率僅1：1,000,000，這也降低市場原本對于人臉辨識在安全上的疑慮。

蘋果在iPhone X上大規(guī)模采用感知技術(shù)，將徹底激活這一領(lǐng)域，消費(fèi)電子也將從此進(jìn)入“AI+AR”新時代，未來會給3D感知技術(shù)研發(fā)、圖像處理芯片、系統(tǒng)模組等多個產(chǎn)業(yè)帶來巨大的市場空間。在這種背景下，可以說與3D感知技術(shù)所有相關(guān)的產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域，都迎來了革命性的風(fēng)口。未來，3D深度感知技術(shù)進(jìn)入消費(fèi)級智能終端將是大勢所趨，一旦實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，將對現(xiàn)有的消費(fèi)電子產(chǎn)品產(chǎn)生顛覆性的影響，人機(jī)交互將進(jìn)入新時代。

3D感知應(yīng)用進(jìn)入成熟期

目前，主流的3D感知成像技術(shù)有三種：雙目視覺、結(jié)構(gòu)光技術(shù)和時差測距技術(shù)（Time of Flight，TOF）。雙目視覺基于立體視覺原理，模擬人眼成像；結(jié)構(gòu)光技術(shù)通過收集激光照射到粗糙物體后返回的斑點(diǎn)得到3D圖案；TOF方法通過接收反射回來的光線，由測量時間差算出目標(biāo)距離。

3D感知成像三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中雙目視覺方案，軟件算法復(fù)雜，技術(shù)還不成熟；結(jié)構(gòu)光方案，技術(shù)成熟，功耗低，平面信息分辨率高，但是容易受光照影響，識別距離近；TOF方案抗干擾性好，識別距離遠(yuǎn)，但是平面分辨率低，功耗較大。綜合來看，結(jié)構(gòu)光方案更加適合消費(fèi)電子產(chǎn)品前置近距離攝像，可應(yīng)用于人臉識別、手勢識別等方面，TOF方案更加適合消費(fèi)電子產(chǎn)品后置遠(yuǎn)距離攝像，可應(yīng)用于AR、體感交互等方面。

2012年以來，3D感知成像開始受到全球各大科技巨頭的重視，值得注意的是，除了蘋果之外，谷歌、微軟、英特爾、索尼、三星等科技巨頭，均在深度相機(jī)、體感交互、動作捕捉等領(lǐng)域展開了深度布局，研發(fā)先進(jìn)的3D感知技術(shù)。

如2012年左右，微軟收購了3D-TOF相機(jī)公司Canesta和3dv；2013年，英特爾推出Real Sense實(shí)感技術(shù)，谷歌推出Project Tango項(xiàng)目，蘋果收購結(jié)構(gòu)光先驅(qū)Prime Sense；2015年索尼收購了3D感知技術(shù)綜合技術(shù)供應(yīng)商SoftKinetic，F(xiàn)acebook旗下Oculus收購3D手勢識別公司Pebbles。作為全球消費(fèi)電子的王者，蘋果公司投入最為積極，早在2010年左右便開始在3D感知技術(shù)方面展開布局。2010年9月蘋果收購了瑞典三維圖像識別公司PolarRose；2013年11月以3.6億美元收購了3D感知技術(shù)結(jié)構(gòu)光方案先驅(qū)Prime Sense，獲得大量專利和技術(shù)；在2015年之后，在3D感知技術(shù)、人臉識別、圖像識別等方面，蘋果先后收購了Linx、Faceshift、Emotient、Flyby Media、Real Face等多家公司，形成了全面的產(chǎn)業(yè)布局。

自 2013 年收購 Prime Sense 之后，蘋果推動 Prime Sense 的3D體感傳感器向小型化方向發(fā)展，在3D視覺方面加大投入，不斷推出技術(shù)升級和專利布局。其中2015年4月，美國專利局公布蘋果3D手勢控制技術(shù)專利，是一種能夠精確識別人手手勢的3D機(jī)器視覺系統(tǒng)。2015年7月，美國專利局批準(zhǔn)了一項(xiàng)蘋果提交的面部識別專利，名為“低門檻面部識別”，基于前攝像頭捕獲的圖像，然后圖像處理器對該圖像進(jìn)行處理，隨后便與存儲在參考模塊中的圖像進(jìn)行對比。2015年10月，蘋果公司關(guān)于手勢和面部識別的專利再次出現(xiàn)；2016年7月，蘋果公布新型3D手勢控制專利，是一個3D圖像投影儀，內(nèi)嵌在一個諸如iPhone手機(jī)這樣的iOS設(shè)備上，可以識別出用戶的手勢操作；2017年3月,蘋果發(fā)布3D感知新專利——利用景深信息進(jìn)行人臉識別，該專利有望用于下一代iPhone的3D相機(jī)系統(tǒng)，該專利的部分技術(shù)出自PrimeSense公司?？梢哉f,蘋果公司在3D感知各個方面都進(jìn)行了深度布局，蘋果移動端3D感知技術(shù)已進(jìn)入成熟期，具備大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。

目前，3D感知技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域取得成功。根據(jù)相關(guān)報告，2016年全球3D感知技術(shù)市場規(guī)模約為13億美元，其中60%為工業(yè)級市場。但是由于成本較高，市場空間有限，應(yīng)用定制化強(qiáng)，并未大規(guī)模普及。在工業(yè)市場主要用于機(jī)器視覺檢測等領(lǐng)域，在醫(yī)療市場主要用于機(jī)器人輔助手術(shù)等領(lǐng)域。

3D感知技術(shù)產(chǎn)品在消費(fèi)級市場的嘗試適于微軟Kinect游戲配件和英特爾Realsense體感配件，但是整體而言，由于缺乏較佳的應(yīng)用場景，同時技術(shù)還不夠成熟，導(dǎo)致目前消費(fèi)級3D感知技術(shù)市場并未激活。

由于蘋果的帶動作用，2017年被認(rèn)為是3D感知技術(shù)元年，預(yù)計(jì)2018年3D感知技術(shù)進(jìn)入爆發(fā)增長期。在蘋果的帶動之下，3D感知技術(shù)將打開消費(fèi)級市場，隨后行業(yè)將加速發(fā)展，預(yù)計(jì)2018年在移動和計(jì)算領(lǐng)域?qū)写罅?D感知和傳感產(chǎn)品上市，特別是人臉識別、體感交互將成為3D感知技術(shù)獲得突破的關(guān)鍵應(yīng)用，同時AR也是極有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域，無人機(jī)和機(jī)器人市場也將受益于3D感知技術(shù)的崛起。

根據(jù)Yole的報告，預(yù)計(jì)2022年全球3D感知技術(shù)市場規(guī)模將達(dá)到90億美元，從2017年到2022年的復(fù)合年均增速將達(dá)到38.05%，增長的動力主要來自于消費(fèi)級市場的放量，預(yù)計(jì)2022年消費(fèi)級3D感知技術(shù)市場規(guī)模將達(dá)到60億美元。

3D 感知引導(dǎo)消費(fèi)電子進(jìn)入“AI+AR”新時代

目前手機(jī)的攝像頭主要用于拍照，但3D感知及成像不只是為了拍照，更關(guān)鍵的是要獲取更多的深度信息，彌補(bǔ)2D成像特征信息損失的缺陷，重建真實(shí)世界。那么獲取深度信息都有哪些應(yīng)用領(lǐng)域呢？3D感知成像的創(chuàng)新又在何處呢？

筆者對比后發(fā)現(xiàn)，3D感知并不是普通的功能性組件創(chuàng)新，而是電子業(yè)在繼圖形界面、觸控之后的第三次人機(jī)交互跨越的功能體現(xiàn)。3D感知通過激活光學(xué)交互屬性，可以實(shí)現(xiàn)二維到三維的交互升級。隨著信息量持續(xù)提升，人機(jī)交互就開始向更高效、更簡單、更自然方向演進(jìn)。

通過3D感知深度獲取了更多的信息，意味著用戶可以對真實(shí)世界進(jìn)行更真實(shí)、更高質(zhì)量的圖像描述，配合激增的信息處理能力，商家和用戶就可以圍繞3D建模衍生出多樣化的應(yīng)用：比如生物識別、AR/VR到機(jī)器視覺、自動駕駛、無人機(jī)、安防等。

但是在所有的應(yīng)用領(lǐng)域中，“AI+AR”的深度應(yīng)用是最值得期待的。蘋果也希望讓3D感知視覺來為蘋果打造的先進(jìn)AR體驗(yàn)提供重要支持。

2017年6月，在蘋果全球開發(fā)者會議上，蘋果發(fā)布ARKit開發(fā)平臺，該平臺能夠利用每一部iPhone和iPad上的攝像頭，以及各種傳感器，創(chuàng)造出不同凡響的AR體驗(yàn)。憑借蘋果龐大的iOS用戶群和開發(fā)者群體，ARKit一舉成為全球最大的AR開發(fā)平臺。但是，目前該平臺主要基于傳統(tǒng)攝像頭，在AR體驗(yàn)方面與3D攝像頭相比有較大差距。

蘋果CEO蒂姆庫克強(qiáng)調(diào)，AR將是蘋果未來不可或缺的重要環(huán)節(jié)，有了AR，蘋果的iPhone手機(jī)將更加具有吸引力。庫克表示在2017年秋季推出iOS11后，能看到各種各樣的AR應(yīng)用，目前開發(fā)人員正在開發(fā)大量基于ARKit的應(yīng)用和游戲。

3D感知在AR領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，提供強(qiáng)大建模能力。對于AR而言，其核心功能是在現(xiàn)實(shí)物體上疊加虛擬信息，將真實(shí)世界和虛擬世界“無縫”集成，從而為用戶提供真實(shí)與虛擬疊加的全新體驗(yàn)。因此，在AR眾多相關(guān)技術(shù)中，3D建模是至關(guān)重要的，需要借助3D視覺景深相機(jī)在現(xiàn)實(shí)物體的基礎(chǔ)之上構(gòu)建虛擬的圖像畫面。

盡管目前ARKit主要利用iPhone、iPad等設(shè)備現(xiàn)有的攝像頭實(shí)現(xiàn)AR體驗(yàn)，但是如果iOS設(shè)備添加3D感知及視覺功能之后，蘋果將在AR體驗(yàn)方面全面升級，3D視覺所提供的景深信息和建模能力是現(xiàn)有普通攝像頭無法比擬的，借助3D視覺蘋果的AR體驗(yàn)將更加出色。

3D感知開啟人機(jī)交互新時代

回顧消費(fèi)電子發(fā)展歷程，可以發(fā)現(xiàn)真正被用戶認(rèn)可并買單的技術(shù)總是集中在人機(jī)交互領(lǐng)域，并圍繞輸入輸出體驗(yàn)的提升而展開：比如電容觸控、Retina屏、大尺寸屏幕、3D玻璃、指紋識別技術(shù)、3DTouch技術(shù)、OLED技術(shù)、雙攝技術(shù)……

從功能上看，3D感知不僅僅在識別精度方面大幅提升，更重要的是打開了更加廣闊的人工智能應(yīng)用空間。例如利用三維人臉識別可以直接獲取消費(fèi)者面部表情，通過人工智能技術(shù)，可計(jì)算出用戶的生理年齡、精神狀態(tài)甚至健康程度，這些功能都將為消費(fèi)電子帶來全新的玩法；人臉識別還可以用于移動端自拍的快速對焦，用戶自拍美顏等功能。所以我們有理由相信人們對交互體驗(yàn)更高效、更簡單、更自然的追求將帶來更多的3D感知市場滲透率，3D感知的普及力度或?qū)⒊鍪袌鲱A(yù)期。特別是在以下的市場應(yīng)用中，3D感知技術(shù)將具有非常大的市場空間。

三種主流的3D感知成像技術(shù)

在生物識別系統(tǒng)中，3D感知獲取的深度信息可與模型鏈接，迅速精準(zhǔn)地完成匹配檢測；在AI領(lǐng)域，機(jī)器視覺是人工智能的下一個前沿，而3D感知技術(shù)則是機(jī)器視覺的關(guān)鍵解決方案。

在智能汽車上，3D感知可以用于自動駕駛，通過3D感知技術(shù)對行車環(huán)境進(jìn)行感知，從而獲取環(huán)境信息以增加安全性，此外還可以用于汽車內(nèi)的乘客離位檢測。

在家庭娛樂方面，3D感知作為一個性能優(yōu)異的輸入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)手勢識別功能，為第一人稱游戲提供直觀的接口。

在安防領(lǐng)域，視頻監(jiān)控中3D感知可以增加深度信息實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)控，而在人臉識別門禁中導(dǎo)入3D感知則大大提高了其安全性。

在無人機(jī)領(lǐng)域，3D感知主要用于避障功能。

更有專家認(rèn)為，在移動終端應(yīng)用和用戶體驗(yàn)方面，3D感知技術(shù)蘊(yùn)含著億萬美元的市場價值。一旦人們習(xí)慣了3D感知技術(shù)，并與我們所習(xí)慣的三維世界相融合，將會在衣食住行等各個生活場景里，爆發(fā)出無數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域和商業(yè)機(jī)會。

例如，在2016年4月，阿里巴巴宣布成立阿里GM Lab后，阿里就一直進(jìn)行一系列商品3D化以及VR/AR展示相關(guān)的技術(shù)布局。目前阿里以手機(jī)淘寶為運(yùn)營平臺，陸續(xù)上線3D / AR主圖、二樓VR店鋪以及AR Buy+掃一眼功能。同時輔以相應(yīng)的活動推廣，包括AR眾籌、潮玩購物活動、男人節(jié)女人節(jié)3D購物節(jié)、618、雙11等，取得了積極的市場反饋。目前阿里也成立研究機(jī)構(gòu)開始對3D感知與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量結(jié)合方面進(jìn)行深入研究。

另外一家公司易尚展示自2016年開始便與阿里VR/AR團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了接觸并確立了合作關(guān)系，同時作為第一家3D感知ISV進(jìn)駐阿里服務(wù)市場，與阿里就如何快速高質(zhì)量地對商品進(jìn)行3D數(shù)字化重建進(jìn)行研究與探索。易尚展示深耕3D數(shù)據(jù)領(lǐng)域多年，成為國內(nèi)此領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)。不久前，該公司收到了科技部關(guān)于“三維數(shù)字彩色成像測量儀”的立項(xiàng)通知，也佐證了其在國內(nèi)3D數(shù)據(jù)領(lǐng)域的龍頭地位。

隨著信息量的持續(xù)提升，人機(jī)交互始終在向更加高效、更低學(xué)習(xí)成本、更加自然的方向演進(jìn)。在新一輪創(chuàng)新周期中，AR/VR、AI大量導(dǎo)入，信息需求和信息處理能力激增，“觸”和“聽”將升級為信息量更大的“看”， 3D感知技術(shù)的輸入輸出方式是大勢所趨?；?D感知技術(shù)的新模式，未來將會誕生出一批全新的公司，也勢必會誕生出很多具有卓越技術(shù)和市場把握能力的獨(dú)角獸。