2017年10月27日

蘋果iPhone×Face ID立體影像感測技術

曲建仲/臺灣大學電機工程學系博士,曾榮獲中華民國96 年度全國優秀青年工程師獎章並獲總統召見,致力於臺灣科技教育多年,擅長以淺顯易懂的文字由淺入深帶領非理工背景的讀者們了解艱深困難的科技原理。

蘋果公司的第一支智慧型手機iPhone上市滿十年的今天,特別推出有史以來功能最強大的旗艦機iPhone X,其中最大的特色是取消了Home 鍵也無需手動解鎖,而是採用Face ID 臉部辨識解鎖技術,將3D影像技術發揮到極致。

3D 立體影像感測技術
數位相機只能取得平面彩色影像,完全沒有深度的資訊,這代表當我們看到一張照片,只知道這個人的臉部有多寬多高,卻不知道他臉部的立體結構,例如:鼻子有多挺(有多深),為了取得影像的深度資訊,近年來許多廠商投入研發,目前比較成熟的技術有下列兩種:

飛時測距(time of flight, ToF):利用發光二極體(light emitting diode, LED)或雷射二極體(laser diode, LD)發射出紅外光,照射到物體表面反射回來,由於光速(v)已知,可以利用一個紅外光影像感測器量測物體不同深度的位置反射回來的時間(t),利用簡單的數學公式就可以計算出物體不同位置的距離(深度),如圖一(a)所示。

結構光(structured light):利用雷射二極體或數位光源處理器(digital light processor, DLP)打出不同的光線圖形,經由物體不同深度的位置反射回來會造成光線圖形扭曲,例如:打出直線條紋的光線到手指上,由於手指是立體圓弧形造成反射回來變成圓弧形條紋,進入紅外光影像感測器後就可以利用圓弧形條紋反推手指的立體結構,如圖一(b)所示。


圖一:3D 立體影像感測技術原理示意圖。
(資料來源:LAGOA, What's the Right 3D Scanner for You?)

TrueDepth 相機
蘋果將iPhone X 所使用的3D 立體影像感測技術稱為「TrueDepth 相機」,結合了前面介紹的兩種技術,如圖二所示,TrueDepth 相機為700 萬畫素的CMOS 影像感測器,配合紅外光相機(infrared camera)、泛光照明器(flood illuminator)、接近感測器(proximity sensor)、環境光感測器(ambient light sensor)、點陣投射器(dot projector)等元件,以下簡單介紹每個元件的功能:......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】

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