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iPad Pro 2020激光雷达露真容,或是行业下一个趋势

前言:5G时代的到到来,移动终端的一种发展趋势是AR。而激光雷达是AR的核心传感器,决定了AR的交互体验。

iPad Pro 2020激光雷达露真容,或是行业下一个趋势

一、什么是LiDAR?

LiDAR通常指的是激光雷达(又称光学雷达),激光雷达包含了三维激光扫描仪。

LiDAR主要区分于Radar,Radar是采用无线电磁波来实现测距,而LiDAR(Light Dection And Ranging, LiDAR)这类通常是指用发射激光来实现检测和测距,常用实现技术为Time of fligth(ToF,飞行时间,通过激光发射和接受的相位差来计算光源到物体的距离)。

以飞行时间距离(Time of Flight,飞行时间)捕捉 3D 图像,是利用雷达发射光波,光波遇到不可穿透物体会发生反射,通过记录反射光到达接收器的时间,便能快速计算出光源与物体的距离,由此便得到一张被测物体的 3D 图像。

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但是,不同的雷达发射的光波都不一样,所获得的图像分辨率和清晰度也有差别。

手机通常采用的 ToF 技术选用的雷达波长,发射的也属于红外面光源,接收到的是深度平面信息,成像精度有限,仍然无法捕捉高精度动 3D 图像。而iPad Pro 选用的激光雷达,其发射的是脉冲红外激光,接收单点位置,形成点云图后再变成三维模型,精度更高。

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二、LiDAR的技术分类

激光雷达发射的光波存在两种调制方式:直接飞行时间(Direct-ToF)测量和间接飞行时间(Indirect-ToF)测量。

直接测距dToF:是通过发射、接收光并测量光子飞行时间,直接计算确定距离;

非直接测距iToF:是通过测量发射波形和接收波形间的相位差来换算,从而确定距离,直接测距拥有响应快、功耗低等优势。

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dToF 和 iToF 的原理区别主要在于发射和反射光的区别:dToF 的原理比较直接,即直接发射一个光脉冲,之后测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔,就可以得到光的飞行时间。而 iToF 的原理则要复杂一些。在 iToF 中,发射的并非一个光脉冲,而是调制过的光。接收到的反射调制光和发射的调制光之间存在一个相位差,通过检测该相位差就能测量出飞行时间,从而估计出距离。

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iToF的(indirect time of flight,间接ToF)技术。所谓间接ToF,并不是直接测量光发射返回的时间,而是根据相位偏移来间接计算距离。

通过发射光和返回光的相位偏差,和收发的时间进行函数运算,来获得具体的距离。例如激光发射器可以发射850nm的调制红外光,反射回来滤片过滤之后接收的自然也就是调制红外光。

具体计算方法比较复杂,这里就不进行阐述,但基本的测量指标只有几个基本要件:光发射的振幅、频率,而反射回来的光要经过四个快门的判定,以此来得出时延、衰减后的振幅以及强度偏移(环境光),最后就可以计算出相位偏移,而加上环境光影响的强度偏移,可以得出距离。

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iToF设立如此繁杂的机制,归根结底是因为有利于小型化。如今的手机上的iToF的芯片像素可以小到5um,以此来实现较高的分辨率(现在可以做到640*480左右)。并且系统容易集成,不需要额外的测量电路。不过这种运算方式,需要高帧率图像进行运算,功耗不小。

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而相比之下,dToF的原理就简单多了:dToF只需要发射脉冲波,然后光反射回来被接收,只要计算光发射和返回的时间,自然就可以计算距离了。

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在具体的实现上,dToF 相较于 iToF 来说难度要大许多。dToF 的难点在于要检测的光信号是一个脉冲信号,因此检测器对于光的敏感度比需要非常高。常见的 dToF 传感器实现是使用 SPAD (single-photon avalanche diode,单光子雪崩二极管)。

此外,从读出电路来看,dToF 需要能分辨出非常精细的时间差(通常使用 time-to-digital converter,TDC 来实现)。假若需要实现 1.5cm 的测距精度,则 TDC 的分辨率需要达到 10ps,这一点并不容易。

以上关于 dToF 和 iToF 的对比是针对传统的技术而言。随着近几年深度传感器和 LiDAR 的发展,dToF 也得到了长足的发展。从光传感器像素来看,dToF 目前也可以使用 CMOS 工艺实现,并且已经可以实现不错的 2D 分辨率。

三、激光雷达与AR

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根据iFixit拆解提供了iPad Pro 2020中新相机模块的特写视图,该模块具有12MP广角镜和10MP超广角镜。新款iPad Pro内部最引人注目的新功能是LiDAR激光雷达扫描仪,它可以测量五米外周围物体的距离,并可以通过AR增强现实体验。

早在2017年iOS 11 系统的发布之时,苹果提供了 ARKit 增强现实开发套件,大大降低了 AR (增强现实) 类 APP 的开发门槛和难度,因此涌现出了一批 AR 应用。

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四、5G加持下DToF增强AR体验

在5G时代到来之际,5G除了会带来极高的网速之外,还会促进部分生态发展成熟,这其中就包括AR。从技术角度讲,AR结合未来体感技术的加持,将为用户打造“真实的虚拟世界”。而这很可能将使AR在5G时代焕发出新的活力,成为5G时代的一个全新增长点。

苹果iPad Pro用的就是DToF,而华为Mate30、vivo NEX等机型用的是iToF。DToF相比于iToF在性能上要好很多,但在生产工艺上也更复杂。由于采用DToF方法,iPad Pro背部的激光雷达将能解决直接测距面临的低时间分辨率难题,达ps(皮秒)级时间分辨率,精度也不会随距离拉远有大的衰减。iPad Pro的ToF相机性能将提升的不是一点半点,它带来了一颗进化版的ToF镜头,AR体验的精准度、流畅度将大大提高,功耗也会大大降低。

这必将是行业的一个全新趋势。

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