3D感測 讓你的生活神進化

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2017年蘋果iPhone X的問世及臉部解鎖技術,讓「3D感測」一詞成為關鍵字; 2018年,最具科技趨勢指標的美國消費性電子展(CES)上,3D感測大爆發! 當機器透過3D感測而有了「靈魂之窗」, 人類終可讓高智慧的萬物聯網協助我們生活得更便利、更省力。 新時代正馬力全開、加速到來,3D感測的關鍵技術與供應鏈,你不可不知!

插畫:李俊建

 

一個如好萊塢電影《關鍵報告》般,一揮手能操控螢幕、走到哪都有攝影機掃描、還有無人車載著你穿梭行進的世界,很遙遠嗎?

 

美國時間一月九日至十二日舉行的美國消費性電子展(CES)顯示,這樣的科技,已是「現在進行式」!

 

CES開幕演講上,半導體巨擘英特爾(Intel)執行長科再奇(Brian Krzanich)先行暖身,以視覺和聽覺大秀,宣告二○一八年科技發展的重點仍是人工智慧(AI)、自駕車(Autonomous Vehicles)、AR/VR(擴增/虛擬實境)、物聯網和智慧家電。

 

沒錯!這些科技名詞都不算新鮮,但在隨後陸續登場的熱鬧大秀中,卻仍然能令現場觀眾驚呼連連,原因,就在於他們都裝上了這個關鍵小物:3D感測

 

首先,英特爾旗下以色列「自駕車之眼」Mobileye執行長夏舒雅(Amnon Shashua)笑容滿面搭著自駕車上台,因為有了3D感測,車輛才能精準測距、華麗登台,而不會一不小心撞向前方的科再奇或掉落台下。

 

接著,AI與真人樂隊同步演奏,台上的真人鼓手只拿著鼓棒擊打空氣,就能準確發出鼓聲,這同樣是拜四面八方各種不同的感測器對鼓手力度與角度的掌握;最後,甚至還有一百架迷你無人機,在場內如螢火蟲般翩翩起舞而不相撞,一舉創下金氏世界紀錄。

 

延伸閱讀:自造者大軍與軟硬體軍火的完美結合—3D列印賺錢術

 

3D感測就像「科技之眼」

機器有了視覺,將更有人性

 

於是,今年CES的真正亮點,與其說是枱面上的主角,更貼切的,應該是宣告3D感測全面啟動時代來臨。會展現場,包括科技龍頭高通、意法半導體、英飛凌、德儀、聯發科、華晶科、鈺創等廠商,均展示3D感測解決方案及應用,AI巨擘輝達也攜手各大車廠,讓CES化身無人車「型車大展」。

 

圖片:取自英特爾影片

 

 

 

 

 

 

 

 

 

美參加展覽的工研院IEK電子與系統研究組經理侯鈞元,斬釘截鐵地說,今年CES上最吸睛、且對人類衝擊層面最廣的技術,就是「自駕車、物聯網和AI,全都配備3D感測!」

 

因為有了3D感測,今年CES上的AI、自駕車和智慧家電和往年更顯不同:它們都有了更精準的視覺、能辨識遠近、理解方位、進行掃描,讓機器更像人類,能在路上、在家中、在工廠裡,幫助現實生活更安全便利。

 

什麼是3D感測?這個看似冷僻生硬的名詞,其實可將它想像成人類的「眼球」。眼球是由許多組織形成,例如虹膜、瞳孔、視網膜、視神經等,才能感光、聚焦、將形象轉換為訊號傳遞到大腦。而3D感測是由CMOS(互補性氧化金屬半導體)影像感測器、演算法、輔助感測效果的外部元件(如紅外線),以及主處理器組合而成。

 

圖片:Getty

 

 

 

 

 

 

 

 

 

侯鈞元說,目前3D感測分為可模仿人類眼睛的立體成像、iPhone用的結構光,以及飛時測距(ToF)三大主流技術,依據不同距離或需求,應用在機器人、自駕車或家電上;而3D感測被視為推進AI、自駕車、AR/VR、物聯網、智慧家電技術升級最重要的鑰匙!

 

圖片:Bloomberg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

但事實上,3D感測並不是新技術,該技術從十多年前任天堂最熱銷的遊戲機Wii、微軟Xbox推出Kinect遊戲機就已現蹤,但當年都僅止於休閒娛樂應用。3D感測此時會成為關鍵字,工研院電光系統所所長吳志毅解釋,是因晶片運算速度已較十年前大躍進、AI成為了顯學,而3D感測能強化機器的感知,讓AI更有可能提早發生。

 

圖片:達志

 

 

 

 

 

 

 

 

 

各家旗艦智慧手機導入

帶動商機全面爆發

 

但除了晶片運算技術水到渠成之外,更重要的關鍵,還是在重量級產業的推波助瀾,也就是:智慧型手機旗艦機種預料將在一八年全面導入3D感測。這部分,首先來自於王者蘋果。

 

近八年來,蘋果其實一直默默布局3D辨識與AR/VR技術,二○一○年蘋果開始收購英國IMSense和瑞典人臉辨識軟體公司Polar Rose,一三年的出手更具代表性,就是收購以色列的3D深度感測辨識商PrimeSense,這家廠商不但就是當年為微軟研發出第一代Kinect而揚名國際的新創獨角獸,更是此次蘋果iPhoneX背後的技術根柢。

 

在PrimeSense之後,蘋果一五年又四度出手,分別吞下以色列鏡頭技術商LinX、德國AR企業Metaio、英國圖像辨識業者Perceptio、瑞士臉部動畫生成技術公司Faceshift,一六至一七年再購併美國影像辨識廠Flyby Media及以色列臉部辨識技術商RealFace。

 

上述動向,可看出蘋果發展3D感測技術的迫切與野心。蘋果七年磨一劍!一七年底終於推出有臉部辨識及Animoji的iPhoneX,庫克重申,AR會像智慧型手機一樣,不但具有革命性影響,也是蘋果的下一個大事。

 

數位影像方案商華晶科技董事長夏汝文認為,蘋果iPhone X推出3D感測不僅為了手機解鎖,實際目的是取得每個用戶的3D模型,這些大數據讓蘋果能建立數據資料庫,可自行研發或銷售Kit(套裝)平台給其他軟體公司,擴大AR研發商機及收入利潤。

 

有了每位使用者的3D模型數據,蘋果才能跳脫只靠硬體挹注營收的困境,讓所有產品舉凡手機、平板或筆電都能變身成軟體研發養分,「AR的應用很廣泛,」夏汝文提醒:「想像以後每個遊戲主角都能變成自己。」

 

台灣三星電子行動與資訊事業部副總經理李元榮也說,雖然三星認為指紋解鎖仍是最好選項,但人臉辨識未來將是旗艦機必備選項之一,當手機硬體規格瓶頸越來越難突破,AR貼圖應用會是旗艦機吸引人的機會,「手機決勝點終將回歸到能否改變生活、創造好的體驗。」

 

iPhone X已經讓蘋果踏上了這條不歸路,安卓陣營勢必跟進,3D感測在智慧型手機的洪荒推力下,終於大步邁入爆發期,未來三星、華為等品牌旗艦機都計畫搭載人臉辨識較勁蘋果。聯發科執行長蔡力行就說,今年推出的晶片都將支援AI及電腦視覺,以提供精確3D感測功能。IC設計廠鈺創董座盧超群也宣布推出3D感測新技術。

 

當晶片與軟體廠爭相以3D感測和AI運算為開發核心,3D感測終可進入「建立數據資料庫」元年。累積足夠數據後,3D感測的意義就不再只是「在AR或VR世界呈現立體影像」,而能進一步讓設備「意識自己所處環境,知道周遭發生了什麼事,這些事又代表什麼意義。」這一點,才是3D感測讓AI、自駕車、物聯網等產業「神進化」的關鍵一步。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

當AI「長眼睛」⋯⋯

機器人說話不夠看,還能端茶送餐

 

在吳志毅的定義中,3D感測是「把人的眼睛放到機器人上」,使其與人類一樣可視物並判斷。而夏汝文則形容「這是一個巨大的革命」,「人類最重要的器官就是眼睛,過去蘋果Siri或亞馬遜Echo都只有聽覺,但有了眼睛,AI就跨出加速發展第一步!」

 

AI需要強力的CPU(處理器)或開發出GPU(繪圖處理器)運作,造就了輝達(NVIDIA)的輝煌,但就像電腦昔日的發展趨勢,沒有人希望一台機器裝一堆處理器進行演算,會又慢、又笨重、又耗電,因此長遠發展趨勢是靠雲端、甚至往邊緣運算(Edge Computing)靠攏。

 

有了3D感測,AI可望也從邊緣(edge)端就有感官、可建構認知、進行分析及處理,變得更即時、機靈、有效率。現在手機、家電等各種系統都在導入,「我相信明(二○一九)年會有鋪天蓋地的3D感測AI產品!」夏汝文興奮地說。

 

侯鈞元形容,今年AI語音助理是展場標準配備,網路巨擘Google首度來參展就是主打語音助理Google Assistant,亞馬遜的AI「Alexa」更是席捲全場。

 

專家形容,今年CES看點之一,就是:所有產品都會講話了!智慧音箱成為人類可與AI及時溝通,與智慧家電、車聯網和物聯網串聯並下達指令的核心。

 

「你想得到的所有家電都配備AI語音助理,從電視、冷氣、冰箱、音響、汽車車充、行車記錄器都有Alexa,滲透幅度遠超想像。」侯鈞元具象化形容滿場機器人盛況:「從沒頭沒腳的智慧音箱、有腳(輪子)沒手的類Zenbo(華碩出產的機器人)、有手有腳(輪子)的類Pepper(鴻海代工的軟銀機器人)等,到處都有AI的身影!」這些AI大多內建Alexa或是Google語音助理,而讓侯鈞元真正印象深刻的是,「有些更進化的機器人,就加入3D感測。」

 

「它們被用來負責導覽、陪伴、照護等,也有特殊用途如機場輸送或送餐,可以想見這些機器人若沒有3D感測就只能聊天,有了3D感測就可以『看』,未來可以幫你端一杯水。」侯鈞元說。

 

當自駕車「長眼睛」⋯⋯

感知測距,避開馬路三寶

 

AI語音助理有了3D感測,就像機器一下子有了耳朵、嘴巴和眼睛,可以觀測你的動向、執行你的指令。而3D感測結合語音助理(如Alexa)的未來,除了生活中的機器人,在汽車上,也許更快亮相!

 

例如這次CES展,日本豐田(Toyota)、美國福特(Ford)或BMW等車廠就野心十足,豐田今年將生產安裝Alexa的車,預計一九年將Alexa套用在所有車款,未來開車回家前就可先開好車庫或客廳的燈;豐田還說,將與亞馬遜、必勝客合作推出類似餐車的AI無人車,計畫二○二○年在東京奧運亮相。

 

吳志毅言簡意賅解釋:「自駕車需要測距,一定需要3D感測!」車子要看的不只旁邊的物件,還要看一百公尺外的狀況,遠中近都必須感知,因此舉凡光達、景深攝影機、3D感測鏡頭等都是標配,各感測裝置可互補。

 

因此,除了AI,這些年來CES展也越來越像「車展」,英特爾讓自駕車開上台宣示不缺席,輝達更氣勢如虹,一口氣宣布與超過三百二十家企業合作開發自駕車,知名車廠福斯(Volkswagen)、美國自駕新創公司 Aurora、全球第二大汽車零件製造商德國ZF、中國百度及美國Uber等各國龍頭爭相合作,輝達創辦人黃仁勳說:「未來每輛新車都將具備語音、手勢、臉部辨識與擴增實境功能的AI助理!」

 

因此,輝達就主打「NVIDIA DRIVE IX智慧體驗平台」,應用在自動解鎖與開門的臉部辨識、提醒駕駛車外環境潛在危險、利用手勢辨識進行操控、追蹤注視方向發出駕駛分心警示。美國自駕車獨角獸Quanergy則與博世(Bosch)、奧迪(Audi)、福特(Ford)合作,證明固態光達感測元件將提高自駕車感知,讓行車更安全精確。

 

福特、豐田、福斯則展出特殊用途無人車,如送披薩,「這在美國需求極大!」侯鈞元笑道:「送物品的多元自駕車,肯定也是五年內研發重點。」

 

穩懋總經理王郁琦則用「貨車拖鋼筋」解釋3D感測價值:傳統汽車測距多用微波,角度小、解析度低、易錯估風險,「可以想像一台貨車拖著鋼筋,有一根長長的鋼筋延伸出來,但傳統的微波無法感知,只有3D感測光達技術因測距廣、解析度高,才能及時預警,這就是為何自駕車要必備3D感測。」

 

侯鈞元預期第五級全自駕車五年內可上路,「實現速度比過去預期更快,而自駕車的發展將衝擊城市交通形態以及人類生活樣貌!」

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

當物聯網「長眼睛」⋯⋯

無人工廠、商店變成日常

 

工廠也不例外。吳志毅預估最快全面導入3D感測的是工廠,原因是目前組裝線上的機器手臂沒有完整視覺,有的只在固定位置抓取物件,但有了3D感測,機器手臂就能自主找到物品並移動、甚至可思考要用哪個角度去抓取,讓工廠更智能有效率。

 

吳志毅說:「這是趨勢,目前海內外有七至八家高科技工廠都在跟工研院洽談,但我相信想做3D感測智慧工廠的企業,比這多十倍都有可能。」吳志毅預期兩年後就會出現全3D感測智慧機器人運作的無人工廠,且人力成本愈高的國家愈可能率先出現。

 

吳志毅的想法絕非空穴來風,鴻海就計畫以機器人大軍取代密集勞力。董座郭台銘上月(二○一七年十二月)接受中國央視專訪時明確表示,鴻海的思惟是發展「雲移物大智網+機器人」,這是智慧製造的核心,「未來二十年我們流水線(生產線)的工人會消失,但重要的不是哪些職業會消失,而是你能否適應環境的改變。」

 

鴻海目前已有五座無人工廠,由自製的Foxbot機械手臂「上工」,甚至連iPhone X都已借助Foxbot提高產量。但郭台銘期待機器人大軍更聰明,故默默布局視覺相關技術。

 

舉例而言,鴻海近年加碼投資以色列雙鏡頭科技廠商Crephotonics、美國光場相機技術新創公司Lytro、美國3D快閃光達技術新創公司TetraVue、中國最大臉部辨識獨角獸曠視科技、以及美國科技巨擘Google人工智慧計畫Google Brain前負責人吳恩達,所成立的新創公司Landing.ai,全面搶攻人臉辨識、VR、相機光學、光場技術、機器視覺及自駕車3D光達技術。

 

曠視執行長印奇透露,公司要「先讓機器看懂世界,再讓機器真正思考」,他們正為鴻海開發新機器人,可為產線節省一個人工步驟。

 

吳恩達也說,公司已建立一套電腦視覺檢測系統,第一個合作夥伴就是鴻海,雙方去年七月就啟動合作,「AI可被訓練得比人類更精確、更快且全年無休。」吳恩達在官網影片裡信心滿滿:「AI將改造整個製造業!」

 

海內外大咖一致看好3D感測的大未來,外資也抱持同樣態度。摩根大通、瑞銀、花旗、德意志、野村等多家外資都出具3D感測報告,視其為科技發展重點。摩根大通更提出數據證明其3D感測供應鏈產業指數(3D Sensing Supply Chain Basket)自一七年年初至十一月底的投資表現,勝過費城半導體指數五五%。

 

外資唱旺後市

3D感測將成科技發展重點

 

摩根大通說,雖然3D感測仍處於初步發展階段,但蘋果未來兩年的手機前置鏡頭都將配備3D感測、安卓陣營今年下半年也將導入,預估二○二○年智慧型手機3D感測模組產值將較一七年增逾二十七倍,達一百五十億美元。

 

不只手機需求龐大,匯豐更明言3D感測將衝擊各類產業,從手機、AR、工程建築設計、現場探勘、航空國防、醫學或整形外科,若關鍵零組件成本下降、性能提高,3D感測將像九○年代的PC市場一樣大幅增長;而PC最鼎盛時期產值高達兩千多億美元。

 

國際半導體產業協會(SEMI)的一份3D感測供應龍頭Lumentum研究報告,認為3D感測將在二○二一年以前成為AR/VR及自駕車必備組件。綜觀各報告說法,可知3D感測手機模組目前產值雖僅百億美元,卻是AI、智慧型手機、AR/VR、自駕車、物聯網六大產業合計產值上兆美元,不可或缺的發展之鑰。

 

圖片:Bloomberg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

這些趨勢都將帶動鏡頭用量提升,此次英特爾在CES展場登台的自駕車甚至一口氣配備十二顆鏡頭,這也因此讓大立光執行長林恩平重申,目前以全塑玻璃搭配自動變焦,以因應手機3D感測,或G+P(玻璃+塑膠)混合鏡頭的相關車用訂單,公司「都有在談」。

 

面對未來長期需求,林恩平持續獵地,為擴產做準備,去年中已斥資一○.三六億元購入台中西屯區工業區多達四千一百多坪的土地,今年將動土興建,仍以鏡頭製造為主,可見他對未來需求的樂觀。

 

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台廠技術黑馬突圍

穩懋、同欣電、精材大放光芒

 

此外,亞洲光學因擁有玻璃鏡頭技術,被期許在3D感測上有所發揮,董事長賴以仁更信心滿滿,說亞光布局多年G+P複合技術,可利用玻璃耐熱特性,將雷射光由點變為平行光,亦可提升既有ToF技術,透過雷射測距儀應用掌握車用、無人機商機。

 

「雖然蘋果只用在前鏡頭模組,但未來將擴增至AR/VR、智慧家庭、安防監控等,應用空間無限寬廣!」賴以仁甚至大膽預言:「電影《鋼鐵人》中,小勞勃·道尼用雙手與虛擬按鍵成功設計出鋼鐵人的電影場景,有機會真實呈現在現實社會。」

 

除了鏡頭廠,3D感測不可或缺的紅外線發射端與接收端,有晶圓代工龍頭台積電、封測廠精材等公司布局身影,亦有砷化鎵晶圓代工廠穩懋、陶瓷基板供應商同欣電等技術黑馬突圍而出。

 

穩懋是蘋果十周年旗艦機iPhone X的3D感測系統供應商Lumentum獨家代工廠,能見度大增、業績也亮眼,去年股價大漲兩倍以上,成功躋身千億市值俱樂部。

 

穩懋董座陳進財笑道,「現在只是一個開始,技術繼續進步,需求也會增強,3D感測就像飛機正要起飛!」公司因此今年持續擴產,VCSEL(垂直共振腔面射雷射)產能勢必增加。

 

凱基證券則預期:一八年蘋果新機都將配備3D感測,其紅外線接收器供應商意法半導體(STM)的晶圓重組訂單由同欣電負責,同欣電因此擁有長期市場潛力;同欣電總經理呂紹萍也曾言,3D感測會是今年成長主力。

 

熱鬧的CES雖已落幕,廠商的競合卻正要開始。這是一個需要鏡片、鏡頭、模組、光源、處理器與演算法等軟硬體組成的隱形結構,卻是建構機器靈魂之窗的關鍵。

 

當機器睜亮了眼,未來所有物件都得以辨識、聯網、進化,人機互動、智慧生活不但會是日常的真實,也將使我們的生活更為便利有趣。

 

 

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