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苹果技术-测量雷达与物体之间距离的一项技术

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圖片來源:Apple官方網站

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3D結構光作為蘋果在2017年iPhone X上首次亮相的技術,通過投影器向物體平面主動投影已知圖案,同時通過攝影機採集匹配特徵點,來實現對於物體深度信息的測量。 其中3D結構光測量距離最短、精度最高,因此被安放在正面用於3D人臉解鎖、支付認證、以及人像美顏等功能;而ToF雖精度稍遜於結構光,但有效距離更長(5米內),可以輔助設備實現一定空間內深度信息的捕捉,適合在室內進行更為精準的AR應用;而再大範圍的取景,由於實際精度要求更低,通過設備現有的攝像頭的景深測量即可實現。 2017年,蘋果在WWDC上,正式面向開發者推出了ARkit,將相機、動作傳感器以及圖形處理器等硬件特性與深度感應、人造光渲染等精密算法結合,可以讓開發者們將更多 AR 應用代入到 iOS 設備。雖然蘋果在AR研究方面起步並不算早,但通過平台對於開發者的強大號召力,通過為開發者提供成熟的開發套件,「催熟」AR應用生態。 可以說,光學雷達的加入,短期內為蘋果在建設AR生態上提供了更為豐富的傳感器種類,也讓iPad這個「平板電腦」的形態在一些功能上做到了傳統PC做不到的事,在手機與PC之間爭取了更多「夾縫中生存」的機會。 而從長期來看,傳感器相關技術的積累,也為蘋果日後推出更新形態的硬件產品夯實基礎,例如AR眼鏡、蘋果汽車等,雖然在蘋果嚴格保密的企業文化下,我們尚不能看到這些設備的雛形,但從產品搭載的新技術以及相繼曝光的專利來看,這些已經不再是「空中樓閣」。

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作者 / 喬志斌來源 / 速途網受到客觀因素影響,蘋果春季新品發佈會不得不面臨改期或取消,就在人們還在期待新款廉價iPhone的到來之時,蘋果悄然在商店上架了新款的iPad Pro。

相比核心硬件方面從A12X升級到A12Z的小幅進步,最為核心的進步便是加入了「浴霸」攝像機矩陣,在1200萬像素廣角鏡頭(主攝像頭)的基礎上,加入了一枚1000萬像素的超廣角鏡頭。而更為重要的是,蘋果還加入了一個LiDAR(Light Detection And Ranging,光學雷達),實現了深度測量,藉此實現更強大的AR(增強現實)功能。 為了突出這顆「LiDAR」的先進性,蘋果甚至在宣傳文案中還提到「就連NASA(美國國家航空航天局)也會在下次火星登陸任務中用到它」,雖然我們尚不清楚NASA何時「下次」登陸火星,但和航空航天聯繫在一起,規格也如火箭一般被吹上了天。 速途網發現,雖然蘋果在規格上把這顆光學雷達吹上了天,但在技術原理方面其實就是ToF技術範疇中的一個分支。而且小到手機,大到無人車,都能見到它的身影。 dToF技術,移動傳感器的再升級 說到dToF,我們還要從他的本源「ToF」(Time of Flight,飛行時間)講起。顧名思義,就是通過計算光線發射器(通常為不可見光)與接收器接收到的反射光的時間差,測量雷達與物體之間距離的一項技術。

圖為百度Apollo平台自動駕駛車輛頂部的雷達矩陣 相比移動設備上所採用的光學雷達,車載雷達要面對更為廣闊的道路空間、以及更為複雜的道路狀況,所以在體積以及發射功率上都會更大。同時由於自動駕駛的核心在於在高速行進的過程中保障安全駕駛,所以更需要厘米級別的精確距離,那對傳輸時間測量分辨率必須做到1納秒。 而這樣的激光雷達,隨着自動駕駛研究的演進,我們很快就能在地球上越來越多地見到。不過,在功能上更接近NASA火星登陸器的的車載激光雷達短期無法擺脫大體積、高成本的制約(單個成本在數萬元以上)。而iPad上的LiDAR只是同類產品中的縮微版本。 結構光+ToF,蘋果面對AR的雙重準備 值得一提是,隨着LiDAR元件的加入,新款的iPad Pro成為了蘋果首個集正面「3D結構光」與背面「ToF」兩種技術方案為一體的機型。

而這項技術,早些年就已常見於各類半導體產品,例如在手機相機上,通過ToF技術,可以實現測量物體間距,只不過那時更多被稱為「紅外對焦」、「激光對焦」;再後來更為高級的ToF也被用於物體3D掃描建模、3D人臉識別等。 在剛剛發佈iPad Pro上,蘋果提到的「dToF」技術,可以看作是上述提到的ToF的進階版本。 所謂「dToF」,其中「d」是「direct(直接)」的意思,即發射器發射脈衝光線,接受器接收反射光並計算其中時間差,即可實現距離測量。與普通手機紅外對焦所採用的iToF(i為indirect,間接),通過連續正弦波之間的相位差計算入射于發射時間差,再去計算物體距離的模式相比,dToF具有響應更快、精度更高、抗干擾性強、感應距離更長等優勢,但相對體積更大、成本也更高,對於從硬件電路到軟件算法都有更為複雜的要求。 同時,無論哪種ToF,受限於移動設備尺寸與發射功率,感應距離通常不超過5米,且距離越遠功耗越大、精度越低。 激光雷達的廣泛應用 至於LiDAR如何在NASA登陸火星中大顯神威,可能離大家「太遠」無法感知,然而在自動駕駛領域,LiDAR幾乎成為了一項非常主流的技術,同時隨着車輛網以及道路「新基建」的建設,可能很快就將照進現實。

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