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蘋(píng)果最新的Ipad pro上使用的新的激光雷達(dá)到底是什么?和車(chē)載常說(shuō)的雷達(dá)有什么區(qū)別?和之前的3D TOF又有什么區(qū)別呢?
首先這些雷達(dá)的使用的都是TOF技術(shù),也就是time of fly通過(guò)測(cè)量光飛回的時(shí)間計(jì)算距離.不過(guò)這次的雷達(dá)和之前的車(chē)載雷達(dá)從外觀和形式上并不一樣.反而和之前手機(jī)上使用在前攝的3D Tof一樣使用的平面3D TOF.但是TOF算法和sensor原理上和車(chē)載雷達(dá)一樣使用的Dtof技術(shù),而不是手機(jī)上3D TOF常見(jiàn)的Itof技術(shù).
下面本文分析蘋(píng)果新的激光雷達(dá)和之前的手機(jī)3D TOF還有車(chē)載雷達(dá)有什么區(qū)別,有什么技術(shù)突破.首先三者的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)和算法原理的區(qū)別可以參考下表：
從物理結(jié)構(gòu)上的區(qū)別
目前車(chē)載激光雷達(dá),多是利用旋轉(zhuǎn)的線性掃描,有單線程或者多線程的.如下面兩張圖第一張圖是車(chē)載雷達(dá)單次掃描的示意,只能掃描一些線.比如64線程雷達(dá)單次只能獲得64個(gè)點(diǎn)的深度.然后如第二張圖的結(jié)構(gòu)上面部分進(jìn)行旋轉(zhuǎn),每旋轉(zhuǎn)一定角度進(jìn)行一次掃描,轉(zhuǎn)一圈得到360度的一幀3D圖像.這樣的物理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致車(chē)載雷達(dá)的幀率和價(jià)格一直不理想.Velodyne的64線程的激光雷達(dá)價(jià)格高達(dá)8W美金,這也從一定程度上也限制了使用激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛的發(fā)展.
而蘋(píng)果這次的雷達(dá)其實(shí)和之前使用3D TOF則更為類(lèi)似.在不討論sensor pixel和算法的原理上.他們都是通過(guò)一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器.而唯一不同的是之前的3D TOF都是使用Itof技術(shù),蘋(píng)果這次使用的是Dtof技術(shù).所以蘋(píng)果使用激光雷達(dá)的名字,個(gè)人覺(jué)得更多的是博眼球的一種宣傳策略.
3D TOF成像
Itof和Dtof的區(qū)別
Itof和Dtof的區(qū)別,首先從發(fā)出信號(hào)來(lái)看,Dtof是單個(gè)脈沖,Itof多是正弦波.
Itof和Dtof的區(qū)別
Itof和Dof在sensor和算法上的也有不小的區(qū)別. Itof目前更多是使用global shutter sensor 或者是在這個(gè)基礎(chǔ)上改進(jìn)的專(zhuān)用sensor.以原始的global shutter sensor 為例,最終的算法是使用基于正弦波的相位計(jì)算, 一般需要使用四幀圖像才能通過(guò)相位得到距離,而這導(dǎo)致了sensor不得不工作在4倍于3D成像的幀率,比如3D成像需要30fps,sensor就不得不工作在120fps.這導(dǎo)致了系統(tǒng)功耗的增加和幀率提升的困難.
Itof的計(jì)算原理
而目前的Dtof則可以過(guò)雪崩二極管擺脫傳統(tǒng)脈沖tof計(jì)算需要使用兩幀基于global shutter sensor圖像的束縛.SPAD的像素(SiPM)可以直接輸出脈沖信號(hào).通過(guò)像素的脈沖輸出直接進(jìn)行簡(jiǎn)單的模數(shù)轉(zhuǎn)換就可以得到光子回來(lái)的時(shí)間和個(gè)數(shù),這大大增大了偵測(cè)距離,減少了功耗和運(yùn)算量.
傳統(tǒng)脈沖TOF的計(jì)算原理
SPAD的簡(jiǎn)化Singal Chain(該圖缺少轉(zhuǎn)換的TDC的器件,只做示意,今后會(huì)更詳細(xì)的介紹SPAD技術(shù))
雪崩二極管
雪崩二極管是DTOF的關(guān)鍵,其作用是通過(guò)在像素上增加
下圖左起第一個(gè)是一般成像使用的PD(光電二極管),第二是APD(雪崩二極管),第三個(gè)是SPAD(單光子雪崩二極管),其主要差別APD和SPAD在通過(guò)增加偏置電壓,在光子到光電二極管的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生雪崩效應(yīng),就是產(chǎn)生大量的電子.這對(duì)成像不利,但是對(duì)于檢測(cè)脈沖則很好.而SPAD比PAD更敏感,也就是只需要很少的光子就能產(chǎn)生雪崩效應(yīng).
其實(shí)Dtof并不是第一次在消費(fèi)類(lèi)設(shè)備上使用.最早在手機(jī)上是在后攝的激光對(duì)焦和蘋(píng)果Face id的測(cè)距使用的Dtof sensor.之前的限制主要是來(lái)自于SPAD的難以小型化導(dǎo)致sensor的的分辨率很難提高.而這次蘋(píng)果的激光雷達(dá)在這個(gè)上面是有所突破的,分辨率比之前設(shè)備上的Dtof都要高.
蘋(píng)果激光雷達(dá)參數(shù)的估計(jì):
由于目前蘋(píng)果還沒(méi)有公布具體的參數(shù),下面參數(shù)是本公眾號(hào)不負(fù)責(zé)任的估計(jì).待正式產(chǎn)品參數(shù)出現(xiàn)后我們會(huì)進(jìn)一步更新.
蘋(píng)果公司有兩家成像sensor的供應(yīng)商都有能力實(shí)現(xiàn)SPAD的sensor :Sony和ST.從目前已知的外網(wǎng)消息,這顆sensor應(yīng)該是Sony的產(chǎn)品.根據(jù)現(xiàn)在SPAD技術(shù)的發(fā)展,和之前蘋(píng)果3Dface id 的分辨率.以及從目前得到產(chǎn)品外觀中鏡頭面積來(lái)估計(jì)蘋(píng)果這次的激光雷達(dá)分辨率應(yīng)該能達(dá)到QVGA~VGA之間,最低也不會(huì)小于QQVGA.單個(gè)pixel的size應(yīng)該在10um到15um之間.從理論上Dtof能到100m~300M的偵測(cè)距離,考慮到平板的使用場(chǎng)景和功耗的追求,這次的激光雷達(dá)應(yīng)該可以達(dá)到5~10米左右的距離,是大于之前手機(jī)上Itof 3米左右的有效距離.
前景展望
ITOF 和DTOF 比較
下表是Itof和Dtof的優(yōu)缺點(diǎn)比較,從表中可以看到,Dtof的優(yōu)勢(shì)還是很明顯的,關(guān)鍵參數(shù)上只有分辨率略差,不過(guò)這次蘋(píng)果的使用的sensor上突破可能扭轉(zhuǎn)這個(gè)局面.
另外DTOF在實(shí)際工程化中需要的校準(zhǔn)項(xiàng)也要比Itof少,實(shí)際生產(chǎn)的難度更低.價(jià)格比起車(chē)載雷達(dá)來(lái)說(shuō)也更便宜,使用多個(gè)3D tof也可以滿足自動(dòng)駕駛的需求.個(gè)人認(rèn)為蘋(píng)果使用的這種3D Dtof在各種場(chǎng)景中會(huì)更有優(yōu)勢(shì),發(fā)展前途也更大.
（注：本文系微信公眾號(hào)《大話成像》，知乎專(zhuān)欄《all in camera》原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 ）
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