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iPad首發(fā)DToF技術(shù)背后：蘋果AR生態(tài)落地前的“小算盤”

發(fā)布: 2020-03-23 14:03 | 作者: | 來源: | 字體: 小中大

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（高靖宇/文）激光雷達(dá)(LiDAR)一向是汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要部件之一,然而沒有料到的是，它竟被蘋果裝進(jìn)了新款的iPad Pro 上。

3 月 18 日晚，蘋果官方悄悄上新了 iPad Pro、MacBook Air 和 Mac mini 等數(shù)款新品。

其中新款 iPad Pro最主要的硬件升級(jí)并非身后的“浴霸雙攝”，而是攝像頭旁搭載的dToF激光雷達(dá)，iPad Pro因此成為了蘋果 ToF技術(shù)的首發(fā)平臺(tái)。

我們都知道,蘋果每一項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不是隨便搞個(gè)噱頭出來，Touch ID、Face ID等新技術(shù)都改變了整個(gè)行業(yè)。那么，iPad Pro引入的激光雷達(dá)技術(shù)到底是什么？背后又有何玄機(jī)？

DTOF激光雷達(dá)到底是啥黑科技?

iPad Pro上所搭載的激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging）其實(shí)和手機(jī)上采用的ToF攝像頭都屬于雷達(dá)技術(shù)，以飛行時(shí)間距離（Time of Flight，飛行時(shí)間）捕捉 3D 圖像。主要原理是利用雷達(dá)發(fā)射光波，光波遇到不可穿透物體會(huì)發(fā)生反射，通過記錄反射光到達(dá)接收器的時(shí)間，便能快速計(jì)算出光源與物體的距離，由此便得到一張被測(cè)物體的 3D 圖像。

但是，不同的雷達(dá)發(fā)射的光波都不一樣，所獲得的圖像分辨率和清晰度也有差別。

手機(jī)通常采用的 ToF 技術(shù)選用的雷達(dá)波長(zhǎng)，發(fā)射的也屬于紅外面光源，接收到的是深度平面信息，成像精度有限，仍然無法捕捉高精度動(dòng) 3D 圖像。而iPad Pro 選用的激光雷達(dá)，其發(fā)射的是脈沖紅外激光，接收單點(diǎn)位置，形成點(diǎn)云圖后再變成三維模型，精度更高。

▲ TOF 相機(jī)工作原理

▲通過ToF獲得的物體距離和深度信息圖

此外，激光雷達(dá)發(fā)射的光波存在兩種調(diào)制方式：直接飛行時(shí)間（Direct-ToF）測(cè)量和間接飛行時(shí)間（Indirect-ToF）測(cè)量，直接測(cè)距，是通過發(fā)射、接收光并測(cè)量光子飛行時(shí)間，直接計(jì)算確定距離，而非直接測(cè)距iToF，是通過測(cè)量發(fā)射波形和接收波形間的相位差來?yè)Q算，從而確定距離，直接測(cè)距擁有響應(yīng)快、功耗低等優(yōu)勢(shì)。

蘋果iPad Pro用的就是DToF，而華為Mate30、vivo NEX等機(jī)型用的是iToF。DToF相比于iToF在性能上要好很多，但在生產(chǎn)工藝上也更復(fù)雜。

由于采用DToF方法，iPad Pro背部的激光雷達(dá)將能解決直接測(cè)距面臨的低時(shí)間分辨率難題，達(dá)ps（皮秒）級(jí)時(shí)間分辨率，精度也不會(huì)隨距離拉遠(yuǎn)有大的衰減。換句話說，iPad Pro的ToF相機(jī)性能將提升的不是一點(diǎn)半點(diǎn)，它帶來了一顆進(jìn)化版的ToF鏡頭，AR體驗(yàn)的精準(zhǔn)度、流暢度將大大提高，功耗也會(huì)大大降低。

蘋果為AR生態(tài)落地打“小算盤”

蘋果引入DTOF激光雷達(dá)技術(shù)并非為了拍照，而是有自己的“小算盤”。

蘋果表示，支持 ARKit 的應(yīng)用程序都將自動(dòng)獲得 LiDAR 所能提供的特性，并且能極大地縮短 AR 建模的速度，提高測(cè)量精度，降低抖動(dòng)、錯(cuò)位的情況。

蘋果給出了三個(gè)典型場(chǎng)景：AR 量身高、AR 游戲和宜家的 AR 家庭裝修。

比如 iPad Pro 的激光雷達(dá)掃描儀可以把客廳變成一個(gè)現(xiàn)實(shí)增強(qiáng) (AR) 版的《熾熱熔巖 (Hot Lava)》，這是一款電子游戲，其根據(jù)兒童的娛樂活動(dòng)設(shè)計(jì)而出，玩具可以跳到家具上以此來避開模擬中的地板熔巖。

此外，通過調(diào)用 CAD 應(yīng)用 Shapr3D，iPad Pro 的激光雷達(dá)可以掃描房間創(chuàng)建該房間的 3D 模型，然后用戶可以對(duì)該模型展開編輯、將新對(duì)象添加到房間中并使用 AR 查看實(shí)際房間中添加的對(duì)象。

而解剖學(xué)應(yīng)用 Complete anatomy，通過使用激光雷達(dá)掃描儀實(shí)時(shí)測(cè)量出某人手臂的運(yùn)動(dòng)范圍。宜家 Place 應(yīng)用也可以通過蘋果的這項(xiàng)功能掃描一個(gè)房間然后獲得與之匹配的家具推薦，用戶可以在 AR 中查看擺上去的效果。

據(jù)媒體透露，蘋果的規(guī)劃應(yīng)該是通過DToF激光雷達(dá)掃描儀和iPadOS軟硬一體，把新iPad Pro打造成集開發(fā)AR和體驗(yàn)AR的工具。以此來吸引那些AR應(yīng)用開發(fā)的程序員使用iPad Pro來進(jìn)行調(diào)試和編寫AR應(yīng)用。

有消息稱，蘋果今年下半年將要推出帶有ToF功能的iPhone12，蘋果如意算盤應(yīng)該是將iPad和iPhone組合起來，增強(qiáng)ＡＲ硬件和應(yīng)用，逐步蘋豐富蘋果的AR生態(tài)。

AR行業(yè)“新風(fēng)向”來了?

在5G時(shí)代到來之際，5G除了會(huì)帶來極高的網(wǎng)速之外，還會(huì)促進(jìn)部分生態(tài)發(fā)展成熟，這其中就包括AR。從技術(shù)角度講，AR結(jié)合未來體感技術(shù)的加持，將為用戶打造“真實(shí)的虛擬世界”。而這，很可能將使AR在5G時(shí)代煥發(fā)出新的活力，成為5G時(shí)代的一個(gè)全新增長(zhǎng)點(diǎn)。

事實(shí)上，早于5G商用之前，業(yè)界就已經(jīng)有包括華為、vivo、OPPO、三星、LG、索尼在內(nèi)的多家手機(jī)品牌，已經(jīng)先后展示或者推出了他們基于ToF技術(shù)的機(jī)型。

2018年，OPPO在R17 Pro上首次搭載了TOF 3D立體攝像頭。緊接著vivo在vivo NEX雙屏版上搭載了3D TOF攝像頭；榮耀也推出了搭載3D TOF立體攝像頭的V20。

2019年，搭載TOF的新機(jī)開始明顯增加。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，華為、三星、LG這幾家手機(jī)廠商均有搭載TOF，其中三星在S10 5G版中前后均采用了TOF攝像頭，同時(shí)三星在NOTE系列和A系列中也采用了TOF攝像頭。華為Mate 30 Pro也均采用了TOF攝像頭。

進(jìn)入2020年，TOF鏡頭在手機(jī)端的滲透率有望進(jìn)一步提升。有業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)， 2020年全球TOF手機(jī)的出貨量將達(dá)到1.5億臺(tái)，而2021年預(yù)估將達(dá)到5億臺(tái)。

然而在TOF手機(jī)“表面繁榮”的背后，我們不能忽略的是，當(dāng)前在AR依然缺少“殺手級(jí)”的消費(fèi)應(yīng)用，成為AR產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)掣肘。目前，手機(jī)廠商正在積極組建自己的AR生態(tài)。

早在2017年WWDC上，蘋果就發(fā)布了ARKit開發(fā)工具，可以讓開發(fā)者為iOS設(shè)備開發(fā)AR應(yīng)用。蘋果官方表示，已經(jīng)向開發(fā)者釋出 iPad Pro 的 ARKit，并預(yù)告在今年稍后帶來對(duì)應(yīng)的 AR 應(yīng)用，涵蓋生活、醫(yī)學(xué)、游戲、建筑等不同方向的應(yīng)用。

華為布局手機(jī)AR的核心優(yōu)勢(shì)是軟硬件整合。華為于2018年6月發(fā)布AR Engine，并針對(duì)麒麟芯片的DSP（數(shù)字處理信號(hào)）和NPU進(jìn)行算法加速。在開發(fā)者生態(tài)層面，華為還牽頭制定了AR/VR的API接口標(biāo)準(zhǔn)，以完善開發(fā)者支持。

▲華為Mate30演示AR技術(shù)看車

OPPO也在2018年便組建了ARUnit平臺(tái)，針對(duì)開發(fā)者設(shè)立的能力引擎，該平臺(tái)已經(jīng)升級(jí)至2.0版本，全新加入了空間計(jì)算能力、環(huán)境理解升級(jí)、多人AR云和手勢(shì)骨骼識(shí)別功能。OPPO想要做的就是通過開放性的方式整合各方面的力量，讓自身的AR體驗(yàn)增強(qiáng)，以便于普及手機(jī)AR功能。