西安夜生活_苹果没说谎:iPhone和火星车都在用激光雷达

本文来自公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:Owl,题图来自:苹果官网

今天凌晨1点,苹果发布会如约举行。iPhone 12 Pro毫无悬念地升级了它的摄像头,并加入了iPad Pro上的那颗激光雷达。

在iPad Pro刚发布时,外界有很多不理解的声音,大部分买了设备的人更是完全没有在意过激光雷达。

iPhone 12 Pro激光雷达介绍 | 苹果官网

你或许并不了解苹果宣传页上的“应用于NASA火星登陆任务的技术”到底代表了什么,但激光雷达早就在各个领域大显身手:既能测距、又能建模、甚至还可以测雾霾……

搭载了激光雷达的CALIPSO卫星 | NASA

一、测距:可远观,亦可近玩

激光雷达(LiDAR)的全称是光探测和测距(Light detection and ranging),最主要的能力是对距离的感知。这也是苹果选择激光雷达的直接目的——用于增强现实(Augmented Reality,AR)

AR技术在近些年一直被提起,但应用一直滞后:如果你用过苹果手机里的“测距仪”,一定会觉得并不好用。由于之前的机型使用图像跟踪方式识别物体,光线过暗、平面颜色变化不大、非平面区域都会导致测距不可用。

无法检测到平面的测距仪APP

普通摄像头的传感器直接接收外部物体的光线从而成像,激光雷达则是“主动探测”:激光雷达首先向外发射激光,激光遇到障碍物后会反射回来进入传感器中,通过计算激光从发射到接收的时间,与光速相乘便可得到距离信息。这有点像小学学过的匀速直线运动物体的时间、距离与速度计算。

激光雷达工作原理图 | Youtube/TheUnlockr

当激光雷达连续工作时,通过“扫描”检测区域,就可以快速形成一张“点云”图——每一个被扫描的点的距离信息都会被记录下来,从而与摄像头的图片信息一起合成三维世界的模型。

iPad Pro探测点云示意图 | 苹果宣传片

激光雷达也让拍照技术提升了一大步:在低光场景下,激光雷达的主动探测能力可以辅助摄像头实现快速自动对焦,并提供更多的深度信息,拍摄极为出色的人像照片。

照片样张 | 苹果发布会

激光雷达给AR的应用赋予了无限可能:不仅使得“测距仪”APP可以发展成更为好用的三维测量工具,还可以让你实现远程口红试色,或是在自己的客厅里穿梭热带雨林

激光雷达的应用 | 苹果发布会

激光雷达优秀的测距能力在自动驾驶上发挥到了极致。自动驾驶中,车辆对于周边环境的实时感知极其重要。

近期百度在北京正式开放了自动驾驶出租车服务,其中的所有汽车均搭载了激光雷达。这种机械旋转式激光雷达通过高速旋转,可以360度检测周边的环境。

自动驾驶雷达探测图 | hesaitech.com

二、测绘:细识庐山真面目

如果你现在面对着一望无际的森林,该怎么统计整个区域的树木数量?

谁说一定要美术专业才能做游戏视觉?

Supergiant10周年Jen Zee绘制的贺图从Supergiant开发的第一款《堡垒》到现在的《Hades》,能看到的海外媒体对这四款游戏的褒奖无不是首先对艺术风格发出赞叹。在上篇文章《Hades》美术全览,这区区20人的团队开发的游戏个个好评 – idartist 中,我提到了Supergiant Games的艺术总监Jen Zee,正是她缔造出了Supergiant所拥有的这一视觉宝藏。《堡垒》原画没有专业理论的束缚,Zee在艺术创作上天马行空,无拘无束,极具辨识度的画风也为Supergiant独树一帜的艺术世界奠定了基础。

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传统的方法一般使用“样方调查”,通过将实地采样调查后的结果,推算到整个区域进行计算。但有了激光雷达,研究人员将其装载到飞机、卫星上,通过探测垂直距离,快速对地面上树木的高度信息进行测量,构建森林地区的三维视图。

小光斑机载激光雷达获取的植被离散点云示意图 | 论文[3]

随着激光雷达的分辨率不断提高,能够采集到的信息也越来越多。在森林测量领域,多维度的激光雷达不仅可以获得树木高度,还可以获取更精细的树木形态学特征并进行树木分类。这不仅大大降低了人工与时间成本,还能获得更大规模的数据。

基于T-LiDAR数据自动提取树干、枝叶结构参数 | 论文[3]

三、建模:真作假时假亦真

传统的建模软件一般根据设计需求直接在软件中进行模型的构建,但对于更精细的实体细节,往往还需要花更长的时间来调整参数。激光雷达可以直接扫描整个实物,直接将物体数字化,存储在计算机中。

激光雷达扫描建模 | 论文[4]

激光雷达的建模能力,在文物数字化领域大展身手。只能在博物馆里看到一面的文物,如今可以通过激光雷达扫描形成三维图像,更多的细节被呈现在观众面前。这种非接触、无损坏式的记录将历史永久地记录,同时为文物修复工作提供了直观的模型参数,大大降低了文物修复的难度。

四、雾霾监测:雾里看花?一目了然!

上面提到的几个应用大多都逃不开“测距”这一主要功能,但光本身有这么多的特征信息,仅用来测量发收时间有些大材小用。

当光穿过一层颗粒物时,不同浓度区域反射回来的光信号强弱也会有明显的区别,再加上接收时间差距,就可以计算出不同区域的颗粒物浓度。

没错,雾霾也可以用激光雷达进行测量了。加之以不同的光学参数(如波长、偏振等等)的探测,可以实现污染物浓度、种类等多个项目的监测。

激光雷达监测雾霾示意图 | pengky.cn

传统的雾霾检测手段通常是定点采样分析,但难以获得垂直距离上的分层信息。颗粒物激光雷达的出现使得更大空间尺度的雾霾监测成为现实。

在环境领域使用的激光雷达,不仅可以安装在地面上,还拥有了车载、机载、星载等多维度探测的激光雷达。地面上定点的激光雷达可以连续监测固定区域上空的污染情况,其他几种则可以通过移动激光雷达,绘制出污染剖面图,从而找出污染物的传播途径。

激光雷达探测污染剖面 | 论文[6]

NASA在火星探测设备上装备的激光雷达,也是通过类似的方法,测量大气气体成分特征,从而寻找新的生命迹象。

苹果并没有夸大其词:光本身可以承载太多的信息,激光雷达作为光探测的一种重要手段,已经被广泛应用在生活和科研领域。但这似乎是第一次出现在手机上。

移动端设备搭载激光雷达,为今后的AR应用提供了更多的可能。iPhone 12 Pro,是一个新的尝试,也可能是激光雷达的另一个开始。

参考文献

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[2] Nelson, R., Krabill, W., & MacLean, G. (1984). Determining forest canopy characteristics using airborne laser data. Remote Sensing of Environment, 15(3), 201-212.

[3] 郭庆华, 刘瑾, 陶胜利等.(2014). 激光雷达在森林生态系统监测模拟中的应用现状与展望. 科学通报, 59(06), 459-478.

[4] 张勇, 王长科, 原瑞红.(2020). 激光扫描与3D打印在文物保护中的应用. 岩土工程技术, 34(05), 260-262+267.

[5] Lv, L., Xiang, Y., Zhang, T., Chai, W., & Liu, W. (2020). Comprehensive study of regional haze in the North China Plain with synergistic measurement from multiple mobile vehicle-based lidars and a lidar network. Science of The Total Environment, 721, 137773.

[6] Lv, L. , Liu, W. , Zhang, T. , Chen, Z. , Dong, Y. , & Fan, G. , et al. (2017). Observations of particle extinction, pm2.5 mass concentration profile and flux in north china based on mobile lidar technique. Atmospheric Environment, 164(sep.), 360-369.

[7] 苹果公司官网 https://www.apple.com.cn/

[8] 禾赛科技官网 https://www.hesaitech.com/

本文来自公众号:果壳(ID:Guokr42),作者:Owl