謝慧華

在2020年秋季新品發(fā)布會(huì)上，蘋(píng)果帶來(lái)了包含4款機(jī)型的iPhone 12系列，定價(jià)更高的iPhone 12 Pro/12 ProMax上除了多一枚長(zhǎng)焦鏡頭外，還加入了LiDAR激光雷達(dá)掃描儀，用以提供更強(qiáng)的對(duì)焦和AR能力。從技術(shù)原理來(lái)看，LiDAR和Android手機(jī)上早已應(yīng)用的ToF鏡頭類(lèi)似，都是通過(guò)測(cè)量光線的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量距離。蘋(píng)果為何要將其特別命名，與ToF劃清界限呢？我們一起來(lái)了解它們之間的區(qū)別。

什么是ToF？

ToF是Time of flight的簡(jiǎn)寫(xiě)，即飛行時(shí)間的意思。在實(shí)際應(yīng)用中，ToF技術(shù)從發(fā)射端發(fā)射光信號(hào)，通過(guò)測(cè)量光信號(hào)飛行到物體的時(shí)間來(lái)測(cè)量物體的距離，進(jìn)而知道畫(huà)面里每一個(gè)物體的距離。飛行時(shí)間又分為直接飛行時(shí)間（dToF）和間接飛行時(shí)間（iToF）：前者向目標(biāo)發(fā)射一個(gè)激光脈沖信號(hào)，直接測(cè)量光子從出發(fā)到返回的用時(shí);后者發(fā)射一連串經(jīng)過(guò)正弦調(diào)制的光波，通過(guò)檢測(cè)來(lái)回光波間的相位差測(cè)量飛行時(shí)間。雖然兩者的原理相同，但iToF發(fā)射的光波具有呈現(xiàn)規(guī)律變換的明暗強(qiáng)度，接收端的傳感器捕捉到光強(qiáng)度特征后，還需要對(duì)比發(fā)射光和反射光的信號(hào)差異，才能間接計(jì)算出這中間經(jīng)過(guò)了多長(zhǎng)時(shí)間，從而再乘以光速，得出相對(duì)距離。相比之下，dToF發(fā)射的激光脈沖信號(hào)波長(zhǎng)短、頻率高，像是“直來(lái)直去”的光束，可以直接計(jì)算獲得距離數(shù)據(jù)。

在穩(wěn)定性和精度方面，dToF也表現(xiàn)出更多的優(yōu)勢(shì)。掌握一定物理知識(shí)的用戶(hù)都知道，正弦光波具有周期性，相差波長(zhǎng)整數(shù)倍的距離反射回來(lái)的信號(hào)特征完全一樣，容易出現(xiàn)誤差。而高頻的激光束不存在這方面的短板，同時(shí)也帶來(lái)了出色的抗干擾性，測(cè)距距離達(dá)到5m-200m，可以得到分辨率更高的圖像，精度可達(dá)厘米甚至毫米級(jí)別。

當(dāng)然，技術(shù)落地還需要考慮到成本因素。iToF技術(shù)不需要特殊的高速傳感器，甚至可以用普通的小尺寸CMOS作為接收端，可以輕松實(shí)現(xiàn)小型和廉價(jià)化的設(shè)計(jì);dToF技術(shù)的接收端必須使用精度非常高的特殊傳感器，成本難以降低，小型化也比較困難。

在數(shù)碼領(lǐng)域，大多數(shù)搭載ToF鏡頭的手機(jī)使用的是iToF技術(shù)，而蘋(píng)果的iPad Pro和iPhone 12系列使用的則是基于dToF技術(shù)的LiDAR激光雷達(dá)掃描儀。因?yàn)樘O(píng)果，LiDAR-詞才被大家熟知，認(rèn)為這是一個(gè)新事物，但在其他行業(yè)中它早已被廣泛應(yīng)用。這幾年新款的中高端車(chē)型以及無(wú)人駕駛汽車(chē)中普遍搭載了LiDAR傳感器，作為普通雷達(dá)的升級(jí)，或是與毫米波雷達(dá)、攝像頭等其他設(shè)備儀一起確定前方車(chē)輛、障礙物的位置和距離，幫助無(wú)人駕駛系統(tǒng)規(guī)避駕駛危險(xiǎn)。除了無(wú)人駕駛汽車(chē)之外，LiDAR還被用在探索宇宙等科研方面，1971年的阿波羅15號(hào)飛船就搭載了LiDAR高度計(jì)用于繪制月球表面圖像。到了現(xiàn)在，LiDAR的運(yùn)用范圍越來(lái)越廣泛，涵蓋了測(cè)距、測(cè)繪建模、探測(cè)霧霾等方面。

從3D結(jié)構(gòu)光ILiDAR

在看到LiDAR通過(guò)投射矩陣光束捕捉位置深度圖時(shí)，我們不免想到了Face ID所采用的3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)。在紅外攝像機(jī)的鏡頭下，F(xiàn)ace ID的3D結(jié)構(gòu)光傳感器通過(guò)點(diǎn)陣投影發(fā)射出超過(guò)3萬(wàn)個(gè)不可見(jiàn)的光斑，利用扭曲建模制作出一張準(zhǔn)確的面部深度圖，從而將2D的圖像轉(zhuǎn)換為帶有深度信息的3D圖像。相比LiDAR.3D結(jié)構(gòu)光的點(diǎn)陣更加密集、細(xì)小，但有一定的距離限制;而LiDAR投射的點(diǎn)陣大且疏，更適合用來(lái)對(duì)整個(gè)房間進(jìn)行掃描和建模。

針對(duì)面部識(shí)別解鎖，Android機(jī)型往往通過(guò)前置攝像頭對(duì)用戶(hù)面部進(jìn)行2D掃描，蘋(píng)果的Face ID則是它們的進(jìn)階應(yīng)用，通過(guò)3D建模獲取用戶(hù)面部信息后，不僅能夠有效地提升面部識(shí)別的安全性和解鎖率，還可以創(chuàng)建生動(dòng)的Memoji表情。為iPhone加入LiDAR，當(dāng)然也不是僅僅用于測(cè)量位置深度這么簡(jiǎn)單，它能做的遠(yuǎn)遠(yuǎn)更多。

強(qiáng)化拍攝能力

過(guò)去的兩年里，不少智能手機(jī)廠商都對(duì)iToF技術(shù)進(jìn)行了探索，并推出了面向不同應(yīng)用的機(jī)型。2018年10月，OPPO推出的R17 Pro就搭載了iToF鏡頭，能夠?qū)崿F(xiàn)三維建模、測(cè)距、AR尺子等功能;同年12月，榮耀發(fā)布的V20也搭載了iToF鏡頭模組，加入3D Qmoji、AR合影、趣味變妝等功能。2020年，三星Galaxy S20 Ultra、索尼Xepria1Ⅱ等旗艦機(jī)型將iToF傳感器用在對(duì)物測(cè)距、輔助對(duì)焦等拍攝功能上，進(jìn)一步拓寬了iToF技術(shù)的應(yīng)用面。

在這些功能上，成本更低的iToF技術(shù)足以滿(mǎn)足普通用戶(hù)近距離使用的需求，但在更高要求下多少有些不足。譬如在大家常用的人像虛化拍攝中，面對(duì)復(fù)雜背景和人物頭發(fā)分離處理時(shí)，即便有iToF鏡頭輔助也難以避免算法誤判的問(wèn)題，拍攝主體邊緣常常出現(xiàn)不自然的模糊效果。面對(duì)復(fù)雜、棘手的應(yīng)用場(chǎng)景，dToF技術(shù)的加入才能帶來(lái)更精準(zhǔn)的深度信息，以便于AI算法理解物體之間的前后關(guān)系，繪制出一張空間位圖，并將照片中的景物按照距離進(jìn)行不同程度的模糊處理。在更高精度的需求下，蘋(píng)果將dToF技術(shù)引入數(shù)碼產(chǎn)品的影像系統(tǒng)，先后在iPad Pro和iPhone 12系列上搭載了LiDAR激光雷達(dá)掃描儀。使用時(shí)，LiDAR發(fā)射器會(huì)投射出9x64大小的矩陣光束，捕捉并繪制最遠(yuǎn)5米范圍內(nèi)的位置深度圖。如此一來(lái)，過(guò)去需要借助大光圈鏡頭才能拍攝的景深照片，完全可以通過(guò)算法處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，激光雷達(dá)掃描儀還可以在低光照條件下提升攝像頭的對(duì)焦速度，在黑暗中準(zhǔn)確找到畫(huà)面中的人物，為夜間模式下的人像照片打下基礎(chǔ)。

為AR布局

除了拍攝領(lǐng)域，LiDAR激光雷達(dá)掃描儀更大的作用是提升了AR應(yīng)用的真實(shí)性。2017年開(kāi)始，蘋(píng)果推出AR軟件開(kāi)發(fā)套件ARKit，開(kāi)發(fā)者們可以使用它制作出精致的AR應(yīng)用，但由于沒(méi)有深度信息的輔助，AR應(yīng)用無(wú)法很好地判斷3D模型和真實(shí)世界的空間關(guān)系。加入LiDAR激光雷達(dá)掃描儀之后，iPhone可以通過(guò)測(cè)量出真實(shí)場(chǎng)景的深度數(shù)據(jù)，將游戲里的3D模型附著在地面、桌面等平面上，合理地處理兩者的空間位置關(guān)系并動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模型的光照和陰影，使游戲體驗(yàn)更加真實(shí)。

此外，LiDAR還可以用于更多領(lǐng)域。用于醫(yī)學(xué)的Complete Anatomy App就展示了激光雷達(dá)掃描儀的使用場(chǎng)景，通過(guò)iPhone 12 Pro/iPad Pro， Complete Anatomy能夠從三維角度觀察運(yùn)動(dòng)，使用運(yùn)動(dòng)捕捉來(lái)識(shí)別一個(gè)人正在做的運(yùn)動(dòng)，然后將動(dòng)作與三維肌肉動(dòng)畫(huà)相結(jié)合，并且提供執(zhí)行動(dòng)作所需的主要肌肉的信息，以此來(lái)判斷肌肉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此外，蘋(píng)果官方還展示了AR家庭裝修、AR游戲、AR測(cè)量等應(yīng)用，由此可見(jiàn)AR在各行各業(yè)的應(yīng)用前景是非常廣泛的。