iPad Pro那个高大上的激光雷达：LiDAR是什么？

发表于 5年以前 | 总阅读数：1357 次

什么是LiDAR？

首先LiDAR并非是个苹果创造出的营销名词，它全称为“Light Detection and Ranging”，直译为“光学侦测和定距”，这是过去更多应用在测绘、林业、地理学等专业领域的一种成熟技术，比如科研机构会在飞机上搭载LiDAR系统来扫描地貌、丛林，用于绘制地形图，还有如今一些汽车上也会用到LiDAR判断道路车况，实现自动辅助驾驶等，现在只是苹果通过iPad Pro把它搬到消费级市场而已。

可能这个英文会把大家看得云里雾里的，但实际上从LiDAR的中文名，“光学雷达”，可以更容易理解它是个什么东西，它与广泛认知的雷达(RADAR)，不仅在名字上接近，其实在原理上也是很相似的，只是雷达用的是微波或者无线电，而LiDAR则采用光波来作测量介质。

而有意思的是，苹果在iPad Pro的中文介绍中，把LiDAR描述成“激光雷达扫描仪”，要知道，一提到激光，大家可能都会担心这对人体，特别是人眼会不会有什么损害，实际上LiDAR一般采用波长在600-1550nm之间的近红外作为光源，这个范围对于人眼是相对安全的，而且iPad Pro本身是消费电子产品，苹果理应会考虑到对人体使用安全的问题，所以大可不必过分担心。

其实如同以前iPhone首次用电容屏，首次用指纹识别器，首次用Face ID，苹果都是把在其它行业本来很成熟的技术和硬件，重新包装和赋予新的用法，所以LiDAR本身不是什么非常创新的东西，甚至相比电容屏和指纹识别，它在变革程度上，给用户带来的使用体验改变可能还相对有限的。

iPad Pro上LiDAR的原理

在LiDAR的最基本工作原理中，主要由发射器和接收器两部分组成，发射器会发射出激光，在触及到物体后反射回来，被接收器捕获，然后LiDAR会通过计算光线从射出到接收这个过程的时间，乘上发射光的速度，再除于2（射出和返回路程），从而获得LiDAR与物体之间的距离，这是一道非常简单的算术题，被称为ToF（飞行时间）测量方式。

这个ToF出现在消费电子产品上，大家可能会想起前几年一些手机上，用到的“激光对焦”，其中的原理是比较接近的，但在iPad Pro上的LiDAR，却远不止是为了测量设备与物体的单个距离数据，而是为了获得高密度的深度（Depth）信息分布，简单来讲，就是iPad Pro不仅想知道它到桌子桌面的距离，还要知道四个桌角、桌脚，甚至桌子外四周围其它物体与它的距离。

这就要求LiDAR有更高精准度的测量方式，所以苹果用到了dToF（直接测量飞行时间），能达到ps级时间分辨率，并且在准确度、响应速度上，也要被此前一些设备采用的iToF方式更快更强，有认为苹果应该是在SPAD（Single-Photon Avalanche Diode，单光子雪崩二极管），以及TDC（Time-to-Digital Converter）这两个dToF的关键部件投入了很大研发改进，使得dToF能被应用到iPad Pro这样的小型设备上。

再就是LiDAR的扫描方式上，据称苹果选择用到的是Flash（快闪）方案，工作时会快速发射一大片光线，能在同一时间内获得数量较多的距离数据，这个方案由于是非机械式扫描，所以苹果号称是“纳秒速度运行”，但Flash方案的扫描范围较小，据苹果介绍，iPad Pro最大测量5米范围的物体距离，还算能应付目标大多数使用场景。

所以iPad Pro上这个LiDAR的工作过程，大致就是激光雷达的发射器通过Flash形式，脉冲出一大片光线投放到目标探测的环境，这些光线经过反射后回到接收器，然后利用dToF技术计算不同物体、不同部位的距离数据，再最终经过处理成一幅3D的深度信息地图。

由此也可以看出，LiDAR在iPad Pro的整套硬件中只是个传感器部件，而实际使用时，它还需要与iPad Pro上其它硬件和软件结合，比如新的后置双摄相机、以及运动传感器，并利用到A12Z Bionic的图像视觉运算能力，才能发挥最大的作用。

那LiDAR在iPad Pro上有什么用？

iPad Pro之所以要配备LiDAR，最主要的目的是为了AR（Augmented Realit，增强现实），因为AR需要结合周边的现实世界，在屏幕上来呈现一些虚拟的内容，所以便要求设备对物体远近的环境位置有感知能力，而能让硬件读懂这些3D空间的情况，靠的就是深度信息，也就是LiDAR所收集到数据。

为此苹果也是布局已久，他们早在2017年就推出ARkit的开发套件，让开发者们利用设备后置摄像头来做AR应用，现在LiDAR的加入，可以让这些AR应用更加精准和生动，比如iOS系统里面自带的测量仪app，现在可以算出具体的数值，算出人的身高，还有宜家的app，有了更详细的室内环境空间数据，更好模拟出摆放了新家具后的情况，再就是游戏里面，角色也能看起来更融入到真实世界。

另外尽管苹果没有特别介绍，但从原理来看，由于LiDAR可以获取深度信息，所以在手机相机标配的人像模式拍摄中，可以帮助产生景深虚化（即模拟主体外背景模糊）的效果，这在苹果以往的iPhone上面，主要是通过不同焦距的镜头，以及结合AI算法来实现的。

可能大家看到这里，会感觉这个LiDAR对自己的日常使用体验，也没有很大用处啊，确实如果你不是有与空间测绘相关的使用需求，它绝对不会是你入手iPad Pro的理由，最多也就在刚买来时，玩个一两次AR游戏，就忘掉这个功能，但你有做AR应用、家居设计、模型绘制等工作，那么iPad Pro才会是你的生产力工具。