據麥姆斯咨詢報道,前不久蘋果發布了新款iPad Pro,成為蘋果第一款為虛擬現實/增強現實(VR/AR)應用引入激光雷達(LiDAR)的智能設備。迄今為止,激光雷達已經廣泛應用于自動駕駛、工業自動化、機器人、無人機以及安防等領域。蘋果此次的激光雷達應用,或將標志著激光雷達已經超越了它最初的工業自動化領域,逐步打開主流消費類市場。
三維空間感知需求
蘋果的開發團隊認為,激光雷達可以改善AR體驗,而這僅僅依賴攝像頭技術是難以實現的。對于整個傳感器行業來說,蘋果公司的示范效應意義重大,因為,一直到現在業界仍在爭論純攝像頭技術的可行性。許多廠商嘗試僅采用攝像頭,通過算法推算三維空間信息來改善AR體驗,但是,低質量的空間數據,使這些嘗試的用戶體驗并不理想。
AR設計師希望用戶看到的畫面
基于攝像頭的AR系統的實際體驗
激光雷達輸出的3D數據可以提供精確的環境3D深度信息,解決了以往AR系統僅使用攝像頭的不足,并且,激光雷達對于陰影、眩光和低/無光照條件具有原生的免疫力。對蘋果來說,激光雷達技術給AR體驗帶來的優勢遠超成本。為了實現這一目標,蘋果公司采用了一種長期來看具有最高性能、最佳可靠性以及最低成本的激光雷達架構:數字激光雷達。
蘋果選擇的數字激光雷達
蘋果新款iPad Pro配備了數字Flash激光雷達(一種固態激光雷達)系統。顧名思義,Flash激光雷達就像照相機的閃光燈一樣,通過發射一整幅光束來探測物體,而不是傳統機械旋轉激光雷達的逐點掃描激光束。
這套激光雷達系統采用垂直腔面發射激光器(VCSEL)作為光源,單光子雪崩二極管(SPAD)陣列作為光探測器。這兩項核心技術構成了數字激光雷達的基礎,這種方案所具有的多項優勢使其更理想地適于商業化:
1、VCSEL和SPAD能夠提供卓越的性能、尺寸和成本。與其它激光發射器技術相比,VCSEL更小、更輕、更耐用、更易于制造。而SPAD能夠進行單個光子計數,可以密集地封裝在芯片上,具有出色的時間分辨率,與傳統的模擬激光雷達探測器(如APD)相比,SPAD具有更簡單、更小、更耐用且更原生的數字架構。
2、由于VCSEL和SPAD都可以以陣列形式集成,因此它們可以實現更堅固更耐久的系統。將所有激光器和探測器都以單芯片陣列形式體現,能夠大幅減少系統中的組件數量,提高耐久性和魯棒性。
3、VCSEL和SPAD的成本正隨著規模的擴大而快速下降,并且,能夠隨著摩爾定律的發展而不斷改善。而邊發射激光器(EEL)和傳統的模擬APD探測器已經成熟,幾乎沒有改進的空間。
2015年,Ouster成為第一家采用這種方案的激光雷達公司,擁有該領域最早的基礎專利,并在2017年率先發布了第一款數字激光雷達傳感器。從那以后,Ouster一直見證著這項技術的成本、可靠性和性能在持續改善,而2020年蘋果對這項技術的應用,是推動該激光雷達方案邁向大規模量產的又一里程碑。
利用近紅外相機拍攝的Ouster商用激光雷達和蘋果iPad Pro消費級激光雷達分辨率對比
傳統的基于模擬APD的激光雷達系統(匹配邊發射激光器)一直用于研發,難以突破商業化。這種過時的系統有上百個激光器、探測器及其它組件,需要人工手動組裝,并且需要不斷重新校準。因此,這種復雜系統的成本可以高達35000美元,而且在室外條件下故障率很高,因此不具備商業化所要求的成本或可靠性。
相比之下,Ouster和現在蘋果使用的數字激光雷達系統只需要兩顆芯片。這種系統簡單、經濟、可靠性高,能夠抵御最嚴苛的工業應用環境(現在已經實現消費級應用)。Ouster的激光雷達傳感器通過了嚴格的車規級沖擊和振動測試,達到IP68和IP69K防護等級,是目前市場上所有激光雷達傳感器中防護等級最高的產品。
振動測試中的Ouster激光雷達
蘋果iPad Pro中的激光雷達系統只需要數米的探測范圍,但對于自動駕駛、工業自動化和3D測繪等應用,性能需求要高得多,例如,感知范圍可能需要數百米。為了達到超過200米的探測性能,Ouster數字激光雷達傳感器應用了相同的底層數字激光雷達技術,但是采用了更先進的專利光學設計。
左圖,iPad Pro室內測繪圖;右圖,Ouster新款128線激光雷達OS1-128生成的高分辨率即時定位與地圖構建(SLAM)圖
隨著芯片升級,系統性能還可以持續改善
蘋果iPad Pro對VCSEL和SPAD應用的示范作用,勢必會鼓勵供應鏈合作伙伴加大投入,推動該技術方案在未來幾年內快速發展。隨著VCSEL和SPAD品質和性能的改進,Ouster數字激光雷達傳感器可以在不改變核心系統架構的情況下,獲得更高的分辨率、更遠的探測距離和更高的精度。
近紅外攝像頭拍攝的運行中的OS0-128激光雷達
事實上,自Ouster在2015年首次設計該方案以來,在5年左右的時間內,VCSEL和SPAD的性能已經提高了約1000%,而其它機械旋轉式激光雷達所使用的模擬技術幾乎沒有什么改進。
2020年初,Ouster推出了第二代激光雷達傳感器,將垂直分辨率提高了一倍,達到了128線,同時精度還提高了一倍。此外,最大探測距離提高到了240米,并且,仍然能夠提供市場上最低的價格。隨著時間的推移,分辨率、探測范圍和精度還會持續改善,同時成本將不斷走低。在高性能激光雷達市場上,Ouster的數字激光雷達技術將以極具競爭力的價格,提供令人難以置信的性能和可靠性。隨著蘋果數字激光雷達方案的商業化應用,Ouster期待將同樣的優勢和性能交付給全球各地的消費者。
責任編輯:pj
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