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2017-11-01蘋果iPhone×Face ID立體影像感測技術
575 期
Author 作者
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。
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：
1. 泛光照明器：使用低功率的垂直共振腔面射型雷射（vertical cavity surface emitting laser, VCSEL），發 射出「非結構（non-structured）」的紅外光投射在物體表面。
2. 接近感測器：使用低功率的垂直共振腔面射型雷射發射紅外光雷射，當有物體靠近時會反射雷射光，因此手機可以知道有物體接近，這個元件很早之前智慧型手機就有了，一般都是安裝在擴音器（speaker）旁邊，當使用者撥電話並且將手機靠近耳朵時，接近感測器偵測到耳朵接近就知道使用者正要講電話，會自動關閉螢幕節省電力消耗。
3. 環境光感測器：使用光二極體（photo diode）可以偵測環境光亮度，在明亮的太陽下使用者眼睛瞳孔縮 小，因此自動將螢幕調亮讓使用者容易觀看；在陰暗的室內使用者眼睛瞳孔放大，因此自動將螢幕調暗避免使用者感覺太刺眼。
4. 點陣投射器：使用高功率的垂直共振腔面射型雷射發射紅外光雷射，經由晶圓級光學（wafer level optics, WLO）、繞射光學元件（diffractive optical elements, DOE）等結構，產生大約3萬個「結構（structured）」光點投射到使用者的臉部，利用這些光點所形成的陣列反射回紅外光相機，計算出臉部不同位置的距離（深度）。
Face ID 解鎖原理與步驟
Face ID解鎖主要分為兩個步驟，首先必需辨識接近手機的是否為刻意靠近的臉部，或者只是使用者不小心由手機前面晃過去而已；確認是刻意靠近的臉部之後，才開始進行人臉辨識，從前面的介紹可以發現，啟動Face ID解鎖必需同時開啟好幾個元件，是有些耗電的，因此必需確認是刻意靠近的臉部之後，才開始進行人臉辨識。
當有臉部或物體靠近時，會先啟動接近感測器，再由接近感測器發出訊號啟動泛光照明器，發射出非結構的紅外光投射在物體表面，再由紅外光相機接收這些反射的影像資訊，傳送到手機內的處理器，iPhone X 使用蘋果自行開發的A11 處理器，內建雙核心的「神經網路引擎（neural engine, NE）」，經由人工智慧的運算後判斷為臉部後，再啟動點陣投射器產生大約3萬個光點投射到使用者的臉部，利用這些光點所形成的陣列反射回紅外光相機，計算出臉部不同位置的距離（深度），再將這些使用者臉部的深度資訊傳送到手機內的處理器內，經由計算比對臉部特徵辨識是否為使用者本人。……【更多內容請閱讀科學月刊第575期】