原創 Owl 果殼
iPhone 12 Pro毫無懸念地升級了它的攝像頭，並加入了iPad Pro上的那顆雷射雷達。
iPhone 12 Pro | 蘋果官網
在iPad Pro剛發布時，外界有很多不理解的聲音，大部分買了設備的人更是完全沒有在意過雷射雷達。
iPhone 12 Pro雷射雷達介紹 | 蘋果官網
你或許並不了解蘋果宣傳頁上的「應用於NASA火星登陸任務的技術」到底代表了什麼，但雷射雷達早就在各個領域大顯身手：既能測距、又能建模、甚至還可以測霧霾……
搭載了雷射雷達的CALIPSO衛星 | NASA
測距：可遠觀，亦可近玩
雷射雷達（LiDAR）的全稱是光探測和測距（Light detection and ranging），最主要的能力是對距離的感知。這也是蘋果選擇雷射雷達的直接目的——用於增強現實（Augmented Reality，AR）。
AR技術在近些年一直被提起，但應用一直滯後：如果你用過蘋果手機裡的「測距儀」，一定會覺得並不好用。由於之前的機型使用圖像跟蹤方式識別物體，光線過暗、平面顏色變化不大、非平面區域都會導致測距不可用。
無法檢測到平面的測距儀APP
普通攝像頭的傳感器直接接收外部物體的光線從而成像，雷射雷達則是「主動探測」：雷射雷達首先向外發射雷射，雷射遇到障礙物後會反射回來進入傳感器中，通過計算雷射從發射到接收的時間，與光速相乘便可得到距離信息。這有點像小學學過的勻速直線運動物體的時間、距離與速度計算。
雷射雷達工作原理圖 | Youtube/TheUnlockr
當雷射雷達連續工作時，通過「掃描」檢測區域，就可以快速形成一張「點雲」圖——每一個被掃描的點的距離信息都會被記錄下來，從而與攝像頭的圖片信息一起合成三維世界的模型。
iPad Pro探測點雲示意圖 | 蘋果宣傳片
雷射雷達也讓拍照技術提升了一大步：在低光場景下，雷射雷達的主動探測能力可以輔助攝像頭實現快速自動對焦，並提供更多的深度信息，拍攝極為出色的人像照片。
照片樣張 | 蘋果發布會
雷射雷達給AR的應用賦予了無限可能：不僅使得「測距儀」APP可以發展成更為好用的三維測量工具，還可以讓你實現遠程口紅試色，或是在自己的客廳裡穿梭熱帶雨林。
雷射雷達的應用 | 蘋果發布會
雷射雷達優秀的測距能力在自動駕駛上發揮到了極致。自動駕駛中，車輛對於周邊環境的實時感知極其重要。
近期百度在北京正式開放了自動駕駛計程車服務，其中的所有汽車均搭載了雷射雷達。這種機械旋轉式雷射雷達通過高速旋轉，可以360度檢測周邊的環境。
自動駕駛雷達探測圖 | hesaitech.com
測繪：細識廬山真面目
如果你現在面對著一望無際的森林，該怎麼統計整個區域的樹木數量？
傳統的方法一般使用「樣方調查」，通過將實地採樣調查後的結果，推算到整個區域進行計算。但有了雷射雷達，研究人員將其裝載到飛機、衛星上，通過探測垂直距離，快速對地面上樹木的高度信息進行測量，構建森林地區的三維視圖。
小光斑機載雷射雷達獲取的植被離散點雲示意圖 | 論文[3]
隨著雷射雷達的解析度不斷提高，能夠採集到的信息也越來越多。在森林測量領域，多維度的雷射雷達不僅可以獲得樹木高度，還可以獲取更精細的樹木形態學特徵並進行樹木分類。這不僅大大降低了人工與時間成本，還能獲得更大規模的數據。
基於T-LiDAR數據自動提取樹幹、枝葉結構參數 | 論文[3]
建模：真作假時假亦真
傳統的建模軟體一般根據設計需求直接在軟體中進行模型的構建，但對於更精細的實體細節，往往還需要花更長的時間來調整參數。雷射雷達可以直接掃描整個實物，直接將物體數位化，存儲在計算機中。
雷射雷達掃描建模 | 論文[4]
雷射雷達的建模能力，在文物數位化領域大展身手。只能在博物館裡看到一面的文物，如今可以通過雷射雷達掃描形成三維圖像，更多的細節被呈現在觀眾面前。這種非接觸、無損壞式的記錄將歷史永久地記錄，同時為文物修復工作提供了直觀的模型參數，大大降低了文物修復的難度。
霧霾監測：霧裡看花？一目了然！
上面提到的幾個應用大多都逃不開「測距」這一主要功能，但光本身有這麼多的特徵信息，僅用來測量發收時間有些大材小用。
當光穿過一層顆粒物時，不同濃度區域反射回來的光信號強弱也會有明顯的區別，再加上接收時間差距，就可以計算出不同區域的顆粒物濃度。
沒錯，霧霾也可以用雷射雷達進行測量了。加之以不同的光學參數（如波長、偏振等等）的探測，可以實現汙染物濃度、種類等多個項目的監測。
雷射雷達監測霧霾示意圖 | pengky.cn
傳統的霧霾檢測手段通常是定點採樣分析，但難以獲得垂直距離上的分層信息。顆粒物雷射雷達的出現使得更大空間尺度的霧霾監測成為現實。
在環境領域使用的雷射雷達，不僅可以安裝在地面上，還擁有了車載、機載、星載等多維度探測的雷射雷達。地面上定點的雷射雷達可以連續監測固定區域上空的汙染情況，其他幾種則可以通過移動雷射雷達，繪製出汙染剖面圖，從而找出汙染物的傳播途徑。
雷射雷達探測汙染剖面 | 論文[6]
NASA在火星探測設備上裝備的雷射雷達，也是通過類似的方法，測量大氣氣體成分特徵，從而尋找新的生命跡象。
蘋果並沒有誇大其詞：光本身可以承載太多的信息，雷射雷達作為光探測的一種重要手段，已經被廣泛應用在生活和科研領域。但這似乎是第一次出現在手機上。
移動端設備搭載雷射雷達，為今後的AR應用提供了更多的可能。iPhone 12 Pro，是一個新的嘗試，也可能是雷射雷達的另一個開始。
一個AI
上得火星，下得客廳。你目前可以用手機實現後半句了~
作者：Owl
編輯：Luna
參考文獻
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[7] 蘋果公司官網 https://www.apple.com.cn/
[8] 禾賽科技官網 https://www.hesaitech.com/
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