再次引領行業風潮?一文了解iPad Pro雷射雷達掃描儀

3月18日，蘋果在官網更新了iPad Pro、MacBook Air和Mac mini三款產品。iPad Pro毫無疑問是此次更新中的重磅產品，A12Z仿生晶片、攝像頭雙攝、妙控鍵盤、雷射雷達掃描儀……對於此次的更新，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，其中最讓人浮想聯翩的還是新加入的雷射雷達掃描儀，那麼它到底是什麼，又能做什麼？想必很多朋友都非常好奇，接下來就讓我們一起了解一下。

什麼是雷射雷達？

首先，我們看一下蘋果官方對新加入的雷射雷達掃描儀的描述：「雷射雷達 (LiDAR光探測和測距) 這項先進技術，是通過測量光觸及物體並反射回來所需的時間，來確定距離。特製的雷射雷達掃描儀利用直接飛行時間 (dToF)，測量室內或室外環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，並能以納秒速度運行。」LiDAR全稱是「Light Detection and Ranging」，在蘋果使用之前，它其實早已廣泛運用於自動駕駛、地形探測、航空航天等領域。比如，谷歌旗下Waymo的車載雷射雷達技術已經更新到了第五代，它用雷射雷達監測的畫面清晰度幾乎接近以前的黑白照片。

▲特製的雷射雷達掃描儀利用直接飛行時間 (dToF)，測量室內或室外環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，並能以納秒速度運行。

相信大家在日常生活中或多或少都聽過雷達（Radar）這個詞語，其實我們可以藉助雷達來理解雷射雷達。從工作原理上來講，雷射雷達和雷達基本類似，它以雷射作為信號源，由雷射器發射出的脈衝雷射，遇到不可穿透的障礙物會發生反射，部分反射回到雷射雷達的接收器上，由此可得到從雷射雷達到目標點的距離，脈衝雷射不斷地掃描可以得到目標物上全部目標點的數據，用此數據進行成像處理後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，可以回想一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。

▲攝像模組迎來全面升級，包括1000萬像素超廣角攝像頭+1200萬像素廣角攝像頭+雷射雷達掃描儀。

要想進一步了解雷射雷達，不得不提的是ToF技術。目前市面上大部分雷射雷達是基於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係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方案並不直接測量飛行時間，通常做法是把發射的光波調製成一定頻率的周期性信號，然後通過測量發射信號和該信號經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。」兩種方案各有優缺點，iToF的優勢在於原理簡單，容易集成，但是精度較低，並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，它對硬體要求比較高，雷射雷達晶片創業公司飛芯電子CEO雷述宇曾表示：「dToF需要一個重要器件—單光子雪崩二極體(SPAD)，它需要在一個電壓被嚴格控制的數值區間裡才能工作。工藝上面，把握火候很難，但很關鍵。」據悉，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上的雷射雷達掃描儀有何不同？

其實在iPad Pro之前，ToF技術就已經出現在一些智慧型手機上，OPPO、華為、三星等曾經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AI凌空操作。不過，上述廠商使用ToF技術還是和蘋果有所區別，在蘋果對於這個雷射雷達掃描儀的描述中已經明確指出它是採用的dToF技術。

此外，國外的拆解機構TechInsights和iFixit都對iPad Pro的雷射雷達掃描儀進行了拆解。TechInsights表示：「iPad Pro的雷射雷達掃描儀採用的是索尼的ToF傳感器，尺寸為4.18mm×4.30mm，解析度為3萬像素，像素尺寸為10μm。」

▲國外拆解機構對新款iPad Pro的攝像模組進行了拆解

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，要想實現立體的三維圖像構建，還需要合適的掃描方案。根據目前iPad Pro已經披露的一些信息，Livox推測它採用的應該是Flash+dToF的方案。

▲從宣傳語來看，蘋果對此次iPad Pro的更新非常有信心。

據了解，Flash是一種結構和光子發射原理，它不靠活動的機械部件來控制雷射雷達的發射角度，而是靠電子部件發出的數位訊號。因此，它的系統簡單穩定，體積便於控制，可以做成晶片被嵌入到其他硬體中去。不過，Flash的掃描範圍一般比較小，超出50米就會受到很多幹擾。因此蘋果在iPad Pro的介紹中明確規定測量室內或室外環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上的雷射雷達掃描儀到底要幹什麼？

蘋果如此大費周章的將雷射雷達加入到iPad Pro只為了一個目的—推進AR（增強現實）應用落地。AR技術需要將虛擬內容與現實世界相結合，而iPad Pro的這個雷射雷達掃描儀就能很好感知現實世界的空間信息，並且收集處理這些數據。

▲AR應用落地將給各行各業帶來革新

比如，有一個Complete Anatomy醫學類App展示了雷射雷達掃描儀的使用場景。根據該公司的說法，目前還沒有一種標準化的方法來測量運動範圍，而iPad Pro的雷射雷達掃描儀解決了這個問題。通過iPad Pro，Complete Anatomy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，然後將動作與三維肌肉動畫相結合，並且提供執行動作所需的主要肌肉的信息，以此來判斷肌肉運動狀態。據悉，雷射雷達掃描儀的功能將在不久的將來出現在完整的解剖學應用程式中，但目前沒有提供具體的發布日期。此外，蘋果官方還展示了AR家庭裝修、AR遊戲、AR測量等應用，由此可見AR在各行各業的應用前景是非常廣泛的。

▲雷射雷達掃描儀可以獲取3D空間數據

根據國際調查機構IDC預計，未來隨著AR技術的成熟，AR產品單價的下降，AR市場將會迎來新的爆發，未來全球AR市場將以超過69%的年均複合增速增長，到2024年，全球AR行業市場規模將達到2872億元。面對如此巨大的市場，蘋果對於AR市場的布局計劃其實在之前就已經展開。

▲Complete Anatomy通過雷射雷達掃描儀將動作與三維肌肉動畫相結合，進而判斷肌肉運動狀態。

在2017年的蘋果全球開發者大會上，蘋果就推出了一個AR開發平臺—ARKit，隨後2018年蘋果又將該平臺升級到了ARKit 2.0。開發人員可以使用這套工具創建iPhone和iPad的AR應用程式。如果說前些年僅靠ARKit打造的軟體應用讓蘋果在AR市場的布局顯得有些外強中乾，那麼現在雷射雷達掃描儀的出現無疑讓蘋果的AR應用在硬體上得到了強有力的支持，真正做到了表裡如一。

▲蘋果此前就申請了關於雷射雷達的相關專利

還值得一提的是，近日有網友在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有兩款型號將配備雷射雷達掃描儀。由此可見蘋果對於AR市場的布局力度在接下來將進一步加強。

▲雷射雷達掃描儀局部細節

小結

蘋果的顛覆能力是毋庸置疑的，從iPhone、3D結構光、Airpods等技術和產品，我們一次又一次見證了蘋果憑一己之力推動一個行業和技術的快速發展。此次iPad Pro將雷射雷達帶入到消費級電子產品中，除了推動AR行業大跨步前進，同時雷射雷達技術的上下遊產業鏈也會隨著蘋果入局迎來完善整合。而憑藉目前所打造的雷射雷達技術壁壘，蘋果在AR市場真正爆發時將佔據絕對的優勢地位。在蘋果的帶領下，AR時代或許真的離我們的生活越來越近。