再次引領(lǐng)行業(yè)風(fēng)潮？一文了解iPad Pro激光雷達(dá)掃描儀

周博

3月18日，蘋果在官網(wǎng)更新了iPad Pro、MacBook Air和Mac mini三款產(chǎn)品。iPad Pro毫無(wú)疑問是此次更新中的重磅產(chǎn)品，A122仿生芯片、攝像頭雙攝、妙控鍵盤、激光雷達(dá)掃描儀……對(duì)于此次的更新，蘋果似乎是信心十足，甚至打出了“你的下一臺(tái)電腦，何必是電腦”的宣傳語(yǔ)。當(dāng)然，其中最讓人浮想聯(lián)翩的還是新加入的激光雷達(dá)掃描儀，那么它到底是什么，叉能做什么？想必很多朋友都非常好奇，接下來(lái)就讓我們一起了解—下。

什么是激光雷達(dá)？

首先，我們看-下蘋果官方對(duì)新加入的激光雷達(dá)掃描儀的描述：“激光雷達(dá)（LiDAR光探測(cè)和測(cè)距）這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，是通過測(cè)量光觸及物體并反射回來(lái)所需的時(shí)間，來(lái)確定距離。特制的激光雷達(dá)掃描儀利用直接飛行時(shí)間（dToF），測(cè)量室內(nèi)或室外環(huán)境中從最遠(yuǎn)五米處反射回來(lái)的光。它可從光子層面進(jìn)行探測(cè)，并能以納秒速度運(yùn)行。“LiDAR全稱是”LightDetection and Ranging”，在蘋果使用之前，它其實(shí)早已廣泛運(yùn)用于自動(dòng)駕駛、地形探測(cè)、航空航天等領(lǐng)域。比如，谷歌旗下Waymo的車載激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)更新到了第五代，它用激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)的畫面清晰度幾乎接近以前的黑白照片。

相信大家在日常生活中或多或少都聽過雷達(dá)（ Radar）這個(gè)詞語(yǔ)，其實(shí)我們可以借助雷達(dá)來(lái)理解激光雷達(dá)。從工作原理上來(lái)講，激光雷達(dá)和雷達(dá)基本類似，它以激光作為信號(hào)源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，遇到不可穿透的障礙物會(huì)發(fā)生反射，部分反射回到激光雷達(dá)的接收器上，由此可得到從激光雷達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的距離，脈沖激光不斷地掃描可以得到目標(biāo)物上全部目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理后可得到精確的三維立體圖像。如果大家理解起來(lái)還有困難的話，可以回想—下_上學(xué)時(shí)課本上蝙蝠通過超聲波來(lái)定位的情景，這樣就很直觀了。

要想進(jìn)一步了解激光雷達(dá)，不得不提的是ToF技術(shù)。目前市面上大部分激光雷達(dá)是基于ToF技術(shù)的，ToF的全稱為”Time of flight"，即飛行時(shí)間。此前華為Camera總工程師羅巍在微博上對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)解釋：“ToF的原理是通過測(cè)量光從發(fā)射、到達(dá)物體表面再反射回來(lái)的總時(shí)間，結(jié)合已知的‘光速，計(jì)算即可得到被測(cè)物的距離。此外，與結(jié)構(gòu)光依靠視差關(guān)系和空間三角計(jì)算的原理不同，ToF測(cè)距依靠的是時(shí)間維度的測(cè)量，因此在器件結(jié)構(gòu)上ToF模組可以設(shè)計(jì)得非常緊湊。而在目前的技術(shù)路線中有iToF（間接飛行時(shí)間）和dToF（直接飛行時(shí)間）兩種方案。iToF方案并不直接測(cè)量飛行時(shí)間，通常做法是把發(fā)射的光波調(diào)制成一定頻率的周期性信號(hào)，然后通過測(cè)量發(fā)射信號(hào)和該信號(hào)經(jīng)過被測(cè)物反射回來(lái)到達(dá)接收端時(shí)的相位差，間接計(jì)算出光的飛行時(shí)間，而dToF方案則直接完成光飛行時(shí)間的測(cè)量。”兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，iToF的優(yōu)勢(shì)在于原理簡(jiǎn)單，容易集成，但是精度較低，并且精度還會(huì)隨距離增大而降低，功耗也比較大。dToF在一定程度上彌補(bǔ)了iToF的劣勢(shì)，不過有得必有失，它對(duì)硬件要求比較高，激光雷達(dá)芯片創(chuàng)業(yè)公司飛芯電子CEO雷述宇曾表示：“dToF需要一個(gè)重要器件——單光子雪崩二極管（SPAD），它需要在一個(gè)電壓被嚴(yán)格控制的數(shù)值區(qū)間里才能工作。工藝上面，把握火候很難，但很關(guān)鍵。”據(jù)悉，目前僅有索尼和意法半導(dǎo)體有供應(yīng)能力。由此可見，dToF的技術(shù)門檻還是非常高的。

iPad Pro上ai激光雷達(dá)掃描儀有何不同？

其實(shí)在iPad Pro之前，ToF技術(shù)就已經(jīng)出現(xiàn)在一些智能手機(jī)上，OPPO、華為、三星等曾經(jīng)都在旗下某些手機(jī)中集成了這項(xiàng)技術(shù)。比如華為Mata30 Pro就使用了這項(xiàng)技術(shù)，主要是為了實(shí)現(xiàn)AI凌空操作。不過，上述廠商使用ToF技術(shù)還是和蘋果有所區(qū)別，在蘋果對(duì)于這個(gè)激光雷達(dá)掃描儀的描述中已經(jīng)明確指出它是采用的dToF技術(shù)。此外，國(guó)外的拆解機(jī)構(gòu)Techlnsights和iFixit者B對(duì)iPadPro的激光雷達(dá)掃描儀進(jìn)行了拆解。Techlnsights表示：“iPad Pro的激光雷達(dá)掃描儀采用的是索尼的ToF傳感器，尺寸為4.18mmx4.30mm，分辨率為3萬(wàn)像素，像素尺寸為lOUm。”

當(dāng)然僅有dToF是完全不夠的，它僅僅只是幫助iPad Pro擁有更加精確的測(cè)量方式，要想實(shí)現(xiàn)立體的三維圖像構(gòu)建，還需要合適的掃描方案。根據(jù)目前iPad Pro已經(jīng)披露的一些信息，Livox推測(cè)它采用的應(yīng)該是Flash+dToF的方案。據(jù)了解，F(xiàn)lash是一種結(jié)構(gòu)和光子發(fā)射原理，它不靠活動(dòng)的機(jī)械部件來(lái)控制激光雷達(dá)的發(fā)射角度，而是靠電子部件發(fā)出的數(shù)字信號(hào)。因此，它的系統(tǒng)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，體積便于控制，可以做成芯片被嵌入到其他硬件中去。不過，F(xiàn)lash的掃描范圍一般比較小，超出50米就會(huì)受到很多干擾。因此蘋果在iPad Pro的介紹中明確規(guī)定測(cè)量室內(nèi)或室外環(huán)境中從最遠(yuǎn)五米處反射回來(lái)的光，以保障用戶得到最好的使用體驗(yàn)。

iPad Pro上的激光雷達(dá)掃描儀到底要干什么？

蘋果如此大費(fèi)周章的將激光雷達(dá)加入到iPad Pro只為了一個(gè)目的——推進(jìn)AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）應(yīng)用落地。AR技術(shù)需要將虛擬內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)世界相結(jié)合，而iPad Pro的這個(gè)激光雷達(dá)掃描儀就能很好感知現(xiàn)實(shí)世界的空間信息，并且收集處理這些數(shù)據(jù)。

比如，有一個(gè)Complete Anatomy醫(yī)學(xué)類App展示了激光雷達(dá)掃描儀的使用場(chǎng)景。根據(jù)該公司的說(shuō)法，目前還沒有一種標(biāo)準(zhǔn)化的方法來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)范圍，而iPad Pro的激光雷達(dá)掃描儀解決了這個(gè)問題。通過iPad Pro，CompleteAnatomy能夠從三維角度觀察運(yùn)動(dòng)，使用運(yùn)動(dòng)捕捉來(lái)識(shí)別一個(gè)人正在做的運(yùn)動(dòng)，然后將動(dòng)作與三維肌肉動(dòng)畫相結(jié)合，并且提供執(zhí)行動(dòng)作所需的主要肌肉的信息，以此來(lái)判斷肌肉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。據(jù)悉，激光雷達(dá)掃描儀的功能將在不久的將來(lái)出現(xiàn)在完整的解剖學(xué)應(yīng)用程序中，但目前沒有提供具體的發(fā)布日期。此外，蘋果官方還展示了AR家庭裝修、AR游戲、AR測(cè)量等應(yīng)用，由此可見AR在各行各業(yè)的應(yīng)用前景是非常廣泛的。

根據(jù)國(guó)際調(diào)查機(jī)構(gòu)IDC預(yù)計(jì)，未來(lái)隨著AR技術(shù)的成熟，AR產(chǎn)品單價(jià)的下降，AR市場(chǎng)將會(huì)迎來(lái)新的爆發(fā)，未來(lái)全球AR市場(chǎng)將以超過69%的年均復(fù)合增速增長(zhǎng)，到2024年，全球AR行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2872億元。面對(duì)如此巨大的市場(chǎng)，蘋果對(duì)于AR市場(chǎng)的布局計(jì)劃其實(shí)在之前就已經(jīng)展開。

在2017年的蘋果全球開發(fā)者大會(huì)上，蘋果就推出了一個(gè)AR開發(fā)平臺(tái)-ARKit，隨后2018年蘋果又將該平臺(tái)升級(jí)到了ARKit 2.0。開發(fā)人員可以使用這套工具創(chuàng)建iPhone和iPad的AR應(yīng)用程序。如果說(shuō)前些年僅靠ARKit打造的軟件應(yīng)用讓蘋果在AR市場(chǎng)的布局顯得有些外強(qiáng)中干，那么現(xiàn)在激光雷達(dá)掃描儀的出現(xiàn)無(wú)疑讓蘋果的AR應(yīng)用在硬件上得到了強(qiáng)有力的支持，真正做到了表里如一。還值得一提的是，近日有網(wǎng)友在Twitter中曝光了2020年iPhone 12 Pro的背部攝像頭陣列示意圖。同時(shí)，數(shù)碼頻道Front Page Tech的主播喬恩·普羅瑟也在曝光信息中提到iPhone 12有兩款型號(hào)將配備激光雷達(dá)掃描儀。由此可見蘋果對(duì)于AR市場(chǎng)的布局力度在接下來(lái)將進(jìn)一步加強(qiáng)。

小結(jié)

蘋果的顛覆能力是毋庸置疑的，從iPhone、3D結(jié)構(gòu)光、Airpods等技術(shù)和產(chǎn)品，我們—次又—次見證了蘋果憑一己之力推動(dòng)一個(gè)行業(yè)和技術(shù)的快速發(fā)展。此次iPad Pro將激光雷達(dá)帶入到消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品中，除了推動(dòng)AR行業(yè)大跨步前進(jìn)，同時(shí)激光雷達(dá)技術(shù)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈也會(huì)隨著蘋果入局迎來(lái)完善整合。而憑借目前所打造的激光雷達(dá)技術(shù)壁壘，蘋果在AR市場(chǎng)真正爆發(fā)時(shí)將占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位。在蘋果的帶領(lǐng)下，AR時(shí)代或許真的離我們的生活越來(lái)越近。