苹果没说谎:iPhone和火星车都在用激光雷达

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14日凌晨1点,苹果发布会如约举行。iPhone 12 Pro毫无悬念地升级了它的摄像头,并加入了iPad Pro上的那颗激光雷达。

在iPad Pro刚发布时,外界有很多不理解的声音,大部分买了设备的人更是完全没有在意过激光雷达。

iPhone 12 Pro激光雷达介绍

你或许并不了解苹果宣传页上的“应用于NASA火星登陆任务的技术”到底代表了什么,但激光雷达早就在各个领域大显身手:既能测距、又能建模、甚至还可以测雾霾……

搭载了激光雷达的CALIPSO卫星

一、测距:可远观,亦可近玩

激光雷达(LiDAR)的全称是光探测和测距(Light detection and ranging),最主要的能力是对距离的感知。这也是苹果选择激光雷达的直接目的——用于增强现实(Augmented Reality,AR)。

AR技术在近些年一直被提起,但应用一直滞后:如果你用过苹果手机里的“测距仪”,一定会觉得并不好用。由于之前的机型使用图像跟踪方式识别物体,光线过暗、平面颜色变化不大、非平面区域都会导致测距不可用。

无法检测到平面的测距仪APP

普通摄像头的传感器直接接收外部物体的光线从而成像,激光雷达则是“主动探测”:激光雷达首先向外发射激光,激光遇到障碍物后会反射回来进入传感器中,通过计算激光从发射到接收的时间,与光速相乘便可得到距离信息。这有点像小学学过的匀速直线运动物体的时间、距离与速度计算。

激光雷达工作原理图

当激光雷达连续工作时,通过“扫描”检测区域,就可以快速形成一张“点云”图——每一个被扫描的点的距离信息都会被记录下来,从而与摄像头的图片信息一起合成三维世界的模型。

iPad Pro探测点云示意图

激光雷达也让拍照技术提升了一大步:在低光场景下,激光雷达的主动探测能力可以辅助摄像头实现快速自动对焦,并提供更多的深度信息,拍摄极为出色的人像照片。

照片样张 

激光雷达给AR的应用赋予了无限可能:不仅使得“测距仪”APP可以发展成更为好用的三维测量工具,还可以让你实现远程口红试色,或是在自己的客厅里穿梭热带雨林。

激光雷达的应用

激光雷达优秀的测距能力在自动驾驶上发挥到了极致。自动驾驶中,车辆对于周边环境的实时感知极其重要。

近期百度在北京正式开放了自动驾驶出租车服务,其中的所有汽车均搭载了激光雷达。这种机械旋转式激光雷达通过高速旋转,可以360度检测周边的环境。

自动驾驶雷达探测图

二、测绘:细识庐山真面目

如果你现在面对着一望无际的森林,该怎么统计整个区域的树木数量?

传统的方法一般使用“样方调查”,通过将实地采样调查后的结果,推算到整个区域进行计算。但有了激光雷达,研究人员将其装载到飞机、卫星上,通过探测垂直距离,快速对地面上树木的高度信息进行测量,构建森林地区的三维视图。

小光斑机载激光雷达获取的植被离散点云示意图

随着激光雷达的分辨率不断提高,能够采集到的信息也越来越多。在森林测量领域,多维度的激光雷达不仅可以获得树木高度,还可以获取更精细的树木形态学特征并进行树木分类。这不仅大大降低了人工与时间成本,还能获得更大规模的数据。

基于T-LiDAR数据自动提取树干、枝叶结构参数

三、建模:真作假时假亦真

传统的建模软件一般根据设计需求直接在软件中进行模型的构建,但对于更精细的实体细节,往往还需要花更长的时间来调整参数。激光雷达可以直接扫描整个实物,直接将物体数字化,存储在计算机中。

激光雷达扫描建模

激光雷达的建模能力,在文物数字化领域大展身手。只能在博物馆里看到一面的文物,如今可以通过激光雷达扫描形成三维图像,更多的细节被呈现在观众面前。这种非接触、无损坏式的记录将历史永久地记录,同时为文物修复工作提供了直观的模型参数,大大降低了文物修复的难度。

四、雾霾监测:雾里看花?一目了然!

上面提到的几个应用大多都逃不开“测距”这一主要功能,但光本身有这么多的特征信息,仅用来测量发收时间有些大材小用。

当光穿过一层颗粒物时,不同浓度区域反射回来的光信号强弱也会有明显的区别,再加上接收时间差距,就可以计算出不同区域的颗粒物浓度。

没错,雾霾也可以用激光雷达进行测量了。加之以不同的光学参数(如波长、偏振等等)的探测,可以实现污染物浓度、种类等多个项目的监测。

激光雷达监测雾霾示意图

传统的雾霾检测手段通常是定点采样分析,但难以获得垂直距离上的分层信息。颗粒物激光雷达的出现使得更大空间尺度的雾霾监测成为现实。

在环境领域使用的激光雷达,不仅可以安装在地面上,还拥有了车载、机载、星载等多维度探测的激光雷达。地面上定点的激光雷达可以连续监测固定区域上空的污染情况,其他几种则可以通过移动激光雷达,绘制出污染剖面图,从而找出污染物的传播途径。

激光雷达探测污染剖面

NASA在火星探测设备上装备的激光雷达,也是通过类似的方法,测量大气气体成分特征,从而寻找新的生命迹象。

苹果并没有夸大其词:光本身可以承载太多的信息,激光雷达作为光探测的一种重要手段,已经被广泛应用在生活和科研领域。但这似乎是第一次出现在手机上。

移动端设备搭载激光雷达,为今后的AR应用提供了更多的可能。iPhone 12 Pro,是一个新的尝试,也可能是激光雷达的另一个开始。

电科技专注于TMT领域报道,青云计划、百+计划获得者。荣获2013搜狐最佳行业自媒体人称号、2015中国新媒体创业大赛总决赛季军、2018百度动态年度实力红人等诸多大奖。

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