再次引領行業(yè)風潮？一文了解iPad Pro激光雷達掃描儀

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、激光雷達掃描儀……對于此次的更新，蘋果似乎是信心十足，甚至打出了“你的下一臺電腦，何必是電腦”的宣傳語。當然，其中最讓人浮想聯(lián)翩的還是新加入的激光雷達掃描儀，那么它到底是什么，叉能做什么？想必很多朋友都非常好奇，接下來就讓我們一起了解—下。

什么是激光雷達？

首先，我們看-下蘋果官方對新加入的激光雷達掃描儀的描述：“激光雷達（LiDAR光探測和測距）這項先進技術，是通過測量光觸及物體并反射回來所需的時間，來確定距離。特制的激光雷達掃描儀利用直接飛行時間（dToF），測量室內(nèi)或室外環(huán)境中從最遠五米處反射回來的光。它可從光子層面進行探測，并能以納秒速度運行。“LiDAR全稱是”LightDetection and Ranging”，在蘋果使用之前，它其實早已廣泛運用于自動駕駛、地形探測、航空航天等領域。比如，谷歌旗下Waymo的車載激光雷達技術已經(jīng)更新到了第五代，它用激光雷達監(jiān)測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（ Radar）這個詞語，其實我們可以借助雷達來理解激光雷達。從工作原理上來講，激光雷達和雷達基本類似，它以激光作為信號源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，遇到不可穿透的障礙物會發(fā)生反射，部分反射回到激光雷達的接收器上，由此可得到從激光雷達到目標點的距離，脈沖激光不斷地掃描可以得到目標物上全部目標點的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進行成像處理后可得到精確的三維立體圖像。如果大家理解起來還有困難的話，可以回想—下_上學時課本上蝙蝠通過超聲波來定位的情景，這樣就很直觀了。

要想進一步了解激光雷達，不得不提的是ToF技術。目前市面上大部分激光雷達是基于ToF技術的，ToF的全稱為”Time of flight"，即飛行時間。此前華為Camera總工程師羅巍在微博上對其進行了詳細解釋：“ToF的原理是通過測量光從發(fā)射、到達物體表面再反射回來的總時間，結合已知的‘光速，計算即可得到被測物的距離。此外，與結構光依靠視差關系和空間三角計算的原理不同，ToF測距依靠的是時間維度的測量，因此在器件結構上ToF模組可以設計得非常緊湊。而在目前的技術路線中有iToF（間接飛行時間）和dToF（直接飛行時間）兩種方案。iToF方案并不直接測量飛行時間，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，然后通過測量發(fā)射信號和該信號經(jīng)過被測物反射回來到達接收端時的相位差，間接計算出光的飛行時間，而dToF方案則直接完成光飛行時間的測量?！眱煞N方案各有優(yōu)缺點，iToF的優(yōu)勢在于原理簡單，容易集成，但是精度較低，并且精度還會隨距離增大而降低，功耗也比較大。dToF在一定程度上彌補了iToF的劣勢，不過有得必有失，它對硬件要求比較高，激光雷達芯片創(chuàng)業(yè)公司飛芯電子CEO雷述宇曾表示：“dToF需要一個重要器件——單光子雪崩二極管（SPAD），它需要在一個電壓被嚴格控制的數(shù)值區(qū)間里才能工作。工藝上面，把握火候很難，但很關鍵?！睋?jù)悉，目前僅有索尼和意法半導體有供應能力。由此可見，dToF的技術門檻還是非常高的。

iPad Pro上ai激光雷達掃描儀有何不同？

其實在iPad Pro之前，ToF技術就已經(jīng)出現(xiàn)在一些智能手機上，OPPO、華為、三星等曾經(jīng)都在旗下某些手機中集成了這項技術。比如華為Mata30 Pro就使用了這項技術，主要是為了實現(xiàn)AI凌空操作。不過，上述廠商使用ToF技術還是和蘋果有所區(qū)別，在蘋果對于這個激光雷達掃描儀的描述中已經(jīng)明確指出它是采用的dToF技術。此外，國外的拆解機構Techlnsights和iFixit者B對iPadPro的激光雷達掃描儀進行了拆解。Techlnsights表示：“iPad Pro的激光雷達掃描儀采用的是索尼的ToF傳感器，尺寸為4.18mmx4.30mm，分辨率為3萬像素，像素尺寸為lOUm。”

當然僅有dToF是完全不夠的，它僅僅只是幫助iPad Pro擁有更加精確的測量方式，要想實現(xiàn)立體的三維圖像構建，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推測它采用的應該是Flash+dToF的方案。據(jù)了解，F(xiàn)lash是一種結構和光子發(fā)射原理，它不靠活動的機械部件來控制激光雷達的發(fā)射角度，而是靠電子部件發(fā)出的數(shù)字信號。因此，它的系統(tǒng)簡單穩(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米就會受到很多干擾。因此蘋果在iPad Pro的介紹中明確規(guī)定測量室內(nèi)或室外環(huán)境中從最遠五米處反射回來的光，以保障用戶得到最好的使用體驗。

iPad Pro上的激光雷達掃描儀到底要干什么？

蘋果如此大費周章的將激光雷達加入到iPad Pro只為了一個目的——推進AR（增強現(xiàn)實）應用落地。AR技術需要將虛擬內(nèi)容與現(xiàn)實世界相結合，而iPad Pro的這個激光雷達掃描儀就能很好感知現(xiàn)實世界的空間信息，并且收集處理這些數(shù)據(jù)。

比如，有一個Complete Anatomy醫(yī)學類App展示了激光雷達掃描儀的使用場景。根據(jù)該公司的說法，目前還沒有一種標準化的方法來測量運動范圍，而iPad Pro的激光雷達掃描儀解決了這個問題。通過iPad Pro，CompleteAnatomy能夠從三維角度觀察運動，使用運動捕捉來識別一個人正在做的運動，然后將動作與三維肌肉動畫相結合，并且提供執(zhí)行動作所需的主要肌肉的信息，以此來判斷肌肉運動狀態(tài)。據(jù)悉，激光雷達掃描儀的功能將在不久的將來出現(xiàn)在完整的解剖學應用程序中，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測量等應用，由此可見AR在各行各業(yè)的應用前景是非常廣泛的。

根據(jù)國際調(diào)查機構IDC預計，未來隨著AR技術的成熟，AR產(chǎn)品單價的下降，AR市場將會迎來新的爆發(fā)，未來全球AR市場將以超過69%的年均復合增速增長，到2024年，全球AR行業(yè)市場規(guī)模將達到2872億元。面對如此巨大的市場，蘋果對于AR市場的布局計劃其實在之前就已經(jīng)展開。

在2017年的蘋果全球開發(fā)者大會上，蘋果就推出了一個AR開發(fā)平臺-ARKit，隨后2018年蘋果又將該平臺升級到了ARKit 2.0。開發(fā)人員可以使用這套工具創(chuàng)建iPhone和iPad的AR應用程序。如果說前些年僅靠ARKit打造的軟件應用讓蘋果在AR市場的布局顯得有些外強中干，那么現(xiàn)在激光雷達掃描儀的出現(xiàn)無疑讓蘋果的AR應用在硬件上得到了強有力的支持，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，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有兩款型號將配備激光雷達掃描儀。由此可見蘋果對于AR市場的布局力度在接下來將進一步加強。

小結

蘋果的顛覆能力是毋庸置疑的，從iPhone、3D結構光、Airpods等技術和產(chǎn)品，我們—次又—次見證了蘋果憑一己之力推動一個行業(yè)和技術的快速發(fā)展。此次iPad Pro將激光雷達帶入到消費級電子產(chǎn)品中，除了推動AR行業(yè)大跨步前進，同時激光雷達技術的上下游產(chǎn)業(yè)鏈也會隨著蘋果入局迎來完善整合。而憑借目前所打造的激光雷達技術壁壘，蘋果在AR市場真正爆發(fā)時將占據(jù)絕對的優(yōu)勢地位。在蘋果的帶領下，AR時代或許真的離我們的生活越來越近。