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iPad Pro 那个高大上的激光雷达 LiDAR 是什么?苹果真是厉害了

驱动之家 03-28

在前不久新推出的 2020 款 iPad Pro 上,苹果又弄了个新名词:LiDAR,听起来音近 " 莱达 ",这让我们母语是中文的国内消费者们,苹果称之为激光雷达扫描仪,第一感觉就是个很高大上、很前沿科技的东西,似乎又是个让你买买买新 iPad Pro 的理由或者借口哦。那么这个 LiDAR 是什么,又有什么用呢?这里就给大家简单明了讲解下。

什么是 LiDAR?

首先 LiDAR 并非是个苹果创造出的营销名词,它全称为 "Light Detection and Ranging",直译为 " 光学侦测和定距 ",这是过去更多应用在测绘、林业、地理学等专业领域的一种成熟技术,比如科研机构会在飞机上搭载 LiDAR 系统来扫描地貌、丛林,用于绘制地形图,还有如今一些汽车上也会用到 LiDAR 判断道路车况,实现自动辅助驾驶等,现在只是苹果通过 iPad Pro 把它搬到消费级市场而已。

可能这个英文会把大家看得云里雾里的,但实际上从 LiDAR 的中文名," 光学雷达 ",可以更容易理解它是个什么东西,它与广泛认知的雷达 ( RADAR ) ,不仅在名字上接近,其实在原理上也是很相似的,只是雷达用的是微波或者无线电,而 LiDAR 则采用光波来作测量介质。

而有意思的是,苹果在 iPad Pro 的中文介绍中,把 LiDAR 描述成 " 激光雷达扫描仪 ",要知道,一提到激光,大家可能都会担心这对人体,特别是人眼会不会有什么损害,实际上 LiDAR 一般采用波长在 600-1550nm 之间的近红外作为光源,这个范围对于人眼是相对安全的,而且 iPad Pro 本身是消费电子产品,苹果理应会考虑到对人体使用安全的问题,所以大可不必过分担心。

其实如同以前 iPhone 首次用电容屏,首次用指纹识别器,首次用 Face ID,苹果都是把在其它行业本来很成熟的技术和硬件,重新包装和赋予新的用法,所以 LiDAR 本身不是什么非常创新的东西,甚至相比电容屏和指纹识别,它在变革程度上,给用户带来的使用体验改变可能还相对有限的。

iPad Pro 上 LiDAR 的原理

在 LiDAR 的最基本工作原理中,主要由发射器和接收器两部分组成,发射器会发射出激光,在触及到物体后反射回来,被接收器捕获,然后 LiDAR 会通过计算光线从射出到接收这个过程的时间,乘上发射光的速度,再除于 2(射出和返回路程),从而获得 LiDAR 与物体之间的距离,这是一道非常简单的算术题,被称为 ToF(飞行时间)测量方式。

这个 ToF 出现在消费电子产品上,大家可能会想起前几年一些手机上,用到的 " 激光对焦 ",其中的原理是比较接近的,但在 iPad Pro 上的 LiDAR,却远不止是为了测量设备与物体的单个距离数据,而是为了获得高密度的深度(Depth)信息分布,简单来讲,就是 iPad Pro 不仅想知道它到桌子桌面的距离,还要知道四个桌角、桌脚,甚至桌子外四周围其它物体与它的距离。

这就要求 LiDAR 有更高精准度的测量方式,所以苹果用到了 dToF(直接测量飞行时间),能达到 ps 级时间分辨率,并且在准确度、响应速度上,也要被此前一些设备采用的 iToF 方式更快更强,有认为苹果应该是在 SPAD(Single-Photon Avalanche Diode,单光子雪崩二极管),以及 TDC(Time-to-Digital Converter)这两个 dToF 的关键部件投入了很大研发改进,使得 dToF 能被应用到 iPad Pro 这样的小型设备上。

再就是 LiDAR 的扫描方式上,据称苹果选择用到的是 Flash(快闪)方案,工作时会快速发射一大片光线,能在同一时间内获得数量较多的距离数据,这个方案由于是非机械式扫描,所以苹果号称是 " 纳秒速度运行 ",但 Flash 方案的扫描范围较小,据苹果介绍,iPad Pro 最大测量 5 米范围的物体距离,还算能应付目标大多数使用场景。

所以 iPad Pro 上这个 LiDAR 的工作过程,大致就是激光雷达的发射器通过 Flash 形式,脉冲出一大片光线投放到目标探测的环境,这些光线经过反射后回到接收器,然后利用 dToF 技术计算不同物体、不同部位的距离数据,再最终经过处理成一幅 3D 的深度信息地图。

由此也可以看出,LiDAR 在 iPad Pro 的整套硬件中只是个传感器部件,而实际使用时,它还需要与 iPad Pro 上其它硬件和软件结合,比如新的后置双摄相机、以及运动传感器,并利用到 A12Z Bionic 的图像视觉运算能力,才能发挥最大的作用。

那 LiDAR 在 iPad Pro 上有什么用?

iPad Pro 之所以要配备 LiDAR,最主要的目的是为了 AR(Augmented Realit,增强现实),因为 AR 需要结合周边的现实世界,在屏幕上来呈现一些虚拟的内容,所以便要求设备对物体远近的环境位置有感知能力,而能让硬件读懂这些 3D 空间的情况,靠的就是深度信息,也就是 LiDAR 所收集到数据。

为此苹果也是布局已久,他们早在 2017 年就推出 ARkit 的开发套件,让开发者们利用设备后置摄像头来做 AR 应用,现在 LiDAR 的加入,可以让这些 AR 应用更加精准和生动,比如 iOS 系统里面自带的测量仪 app,现在可以算出具体的数值,算出人的身高,还有宜家的 app,有了更详细的室内环境空间数据,更好模拟出摆放了新家具后的情况,再就是游戏里面,角色也能看起来更融入到真实世界。

另外尽管苹果没有特别介绍,但从原理来看,由于 LiDAR 可以获取深度信息,所以在手机相机标配的人像模式拍摄中,可以帮助产生景深虚化(即模拟主体外背景模糊)的效果,这在苹果以往的 iPhone 上面,主要是通过不同焦距的镜头,以及结合 AI 算法来实现的。

可能大家看到这里,会感觉这个 LiDAR 对自己的日常使用体验,也没有很大用处啊,确实如果你不是有与空间测绘相关的使用需求,它绝对不会是你入手 iPad Pro 的理由,最多也就在刚买来时,玩个一两次 AR 游戏,就忘掉这个功能,但你有做 AR 应用、家居设计、模型绘制等工作,那么 iPad Pro 才会是你的生产力工具。

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