大家都在用的ToF,为何只有苹果敢叫“激光雷达”

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虽然距离9月16日凌晨苹果发布会的日期越来越临近,一些最新的爆料信息声称,传闻中的iPhone 12系列可能还是会推迟亮相,但对于海外神通广大的众多相关消息源来说,iPhone 12亮相的推迟似乎并不会影响到他们曝光新品的“本领”。比如说日前,EverythingApplePro就在近日发布了可信度颇高iPhone 12 Pro的金属外壳上手视频。

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在这段长度仅为5秒,但信息量却相当大的短视频内容中,我们可以看到iPhone 12 Pro“致敬”iPhone 4时代的硬朗抛光金属中框,内置的大尺寸无线充电线圈,疑似在边框上开孔放置的5G天线,以及这次可能会是iPhone 12 Pro系列标配的后置三摄设计。

除此之外,更有消息人士指出,在视频中iPhone 12 Pro的后摄部分共有五个开孔。除了大家都能看出的三枚摄像头之外,剩下的两个尺寸较小圆孔,一个是为LED补光灯准备,而另一个则会是此次iPhone 12 Pro系列的最大特征之一,同时也是苹果与其他手机品牌相比,在技术和用料上更为领先的一大体现——LiDAR传感器。

何谓LiDAR?它的另一个名字我们其实很常见

LiDAR是什么?在苹果第一款配备了这个功能的产品,iPad Pro(2020)的官方描述中我们可以清楚地看到,LiDAR的全称是“Light Detection and Ranging”,也就是“光探测和测距”,或者说也可以被叫做“激光雷达”。

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而在更具体的官方说明文字中,苹果则进一步解释了“LiDAR”的工作原理。用他们自己的话来说,LiDAR“通过测量光触及物体并反射回来所需的时间,来确定距离”。

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看到这里,或许平时经常关注科技产品信息的朋友就会觉得很熟悉了。没错,通过测量光束反射所需的时间从而进行测距的此类传感器,其实都有一个共通的名字,那就是ToF(time-of-flight,飞行时间)传感器。比如早在2018年6月,vivo就成为了首个公开展示ToF技术在手机上应用场景的品牌。在当时我们三易生活的报道中可以看到,vivo当时想的是将ToF传感器集成在智能手机的屏幕“刘海”中,用于实现高精度人脸识别、3D美颜算法,以及AR试妆等功能。

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到了2018年12月底,荣耀V20成为了大部分消费者所能买到的首款配备ToF传感器的智能手机。只不过,在当时的V20的系统里,ToF传感器所能实现的功能与“拍照”并没有太大关系,而是主要用在一些玩乐性质的AR功能上。直到2020年,当三星Galaxy S20 Ultra与索尼Xepria 1 II在内的一众旗舰机型带着新款ToF传感器亮相时,我们才终于见到了将ToF用在对物测距,辅助对焦等方面的拍照使用案例。

ToF与LiDAR,不同的称呼背后是技术的差异

话说了这么多,问题也就随之产生了,既然LiDAR本质上是ToF传感器的一种,那么为什么苹果不直接称其为ToF,而是非要“特立独行”地取一个“激光雷达”的名字。反过来说,也就是为什么在iPad Pro(2020)之前,我们从未看到过有其他厂商将他们配备的ToF传感器取一个类似于“LiDAR”的别名呢?

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可能有的朋友会马上说,这不是苹果善于营销吗?事实上还真不是。因为苹果所使用的LiDAR激光雷达,虽然也属于ToF的一种,但它与其他智能手机上所使用的“ToF传感器”却有着工作原理上的本质区别。更具体一点来说,就是苹果使用的LiDAR属于dToF(直接飞行时间)传感器,而当前其他品牌智能手机使用的,全部都是iToF(间接飞行时间)传感器。

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所谓dToF,正如我们前面讲到的那样,是通过发射器发射出激光束,照射到物体上之后,再使用专门的传感器接收反射光信号,通过直接测量从发射到接收的时间差,乘以光速,就能测量出对象物体的相对距离。之所以苹果将dToF称之为“激光雷达”,就是因为除了发射出去的是激光信号而不是无线电波之外,dToF的工作原理其实和雷达是一模一样的。

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但是,iToF就不同了。它发射的并不是“直来直去”的激光束,而是经过了正弦波调制,明暗强度呈现规律变换的光信号。这些光信号照射到物体表面之后,也会原样被反射回来,并被iToF的接收传感器所捕捉。只不过iToF的传感器反应速度没有dToF那么快,无法做到精确感知皮秒、纳秒级别的时间差,因此其所捕捉的,其实是反射回来的信号光强度特征。由于iToF的发射光(和反射光)信号是呈现规律变化的,所以对比发射光和反射光的信号差异,就能间接计算出中间经过了多长时间,从而再乘以光速,得出相对距离。

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更糟糕的是,由于iToF实际上是靠感知正弦波光信号的差异来“估算”其从发射到反射回来的距离。假使某个iToF发射器所产生的正弦波光信号每走1米的距离,信号强度的变化就经历一个周期,那么这就会出现一个非常非常严重的问题,即只要每间隔1米的距离,所反射回来的信号特征就会是完全一样的。也就是说,iToF本身其实存在着非常严重的测距不准隐患,或者说,它只能在一个非常短的距离内真正起作用。

舍“近”求“远”,苹果的ToF技术有自己的打算

简单来总结的话,LiDAR、激光雷达,或者说dToF技术的优点,在于测距距离远(可达5-200m)和测量精度高,同时因为是激光,所以抗干扰能力也很强,但缺点是接收端必须要使用精度非常高的特殊传感器,成本难以降低,小型化也比较困难。

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Galaxy S20 Ultra右下侧的镜头,就是iToF的接收器

相比之下,iToF的优点首当其冲就是可以做到低成本。因为它不需要特殊的高速传感器,所以甚至可以用普通的小尺寸CMOS作为受光单元,可以轻松实现小型和廉价化的设计。但缺点就是我们刚刚提到的作用距离有限,测量精度低等问题。

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需要注意的是,尽管有着以上的种种短板,但如果仅仅是用在智能手机上,用作简单的AR游戏、近距离的对焦测距等等场景,那么iToF的性能其实也是足够的。比如说,曾经很受好评的微软Kinect体感游戏摄像头,本质上就是使用的iToF技术,而它在跟踪快速移动的人体动作时,其实已经表现出了很好的性能。那么既然如此,为什么苹果又非得要坚持使用高成本的dToF“激光雷达”方案呢?

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从前段时间曝光的一张测试版iPhone 12手机的功能截图中,我们似乎可以找到这个问题的一部分答案。可以看到,苹果的LiDAR激光雷达不仅仅被用于辅助自动对焦,同时还在视频拍摄和夜间模式中起到物体探测的作用。而这是此前配备低精度iToF方案的其他智能手机都未曾实现过的功能。换句话说,虽然我们目前尚不清楚这一“物体探测”技术届时会如何起作用,但苹果似乎很愿意为了它而在ToF传感器的方案上花上更多的成本。

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苹果的自动驾驶技术测试车

不仅如此,虽然iToF现在才是手机领域的主流方案,但苹果所使用的dToF激光雷达实际上在消费电子行业也不算什么稀有玩意。因为早在多年前,许多带有高级辅助驾驶功能的汽车,就已经使用dToF作为远距离的障碍物传感器,而关注苹果的朋友可能都知道,这家企业其实一直都有在研发自动驾驶汽车相关的技术。或许,dToF激光雷达的长探测距离、高精度成像特性在将来iPhone上所能体现出的,也就是更好一点点的夜拍、视频体验,或者更精确一点的AR效果而已。但谁又能知道,苹果是不是在为更加远大的计划提前做准备呢?

【本文图片来自网络】

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