新款iPad Pro「背后」暗藏玄机:激光雷达还能这么小?

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一般情况下,激光雷达主要用于测绘学、遥感、机器人视觉、无人驾驶等需要精密测量的领域,同时也是美国航空航天局火星测绘的选定技术。

没有料到的是,它进入大众视野竟然是在 iPad Pro 上,苹果将这一高精尖半导体技术大规模商用,同时将其缩减到如此小的体积,并引入一款成熟数码产品中,足以见其在精密仪器领域的技术储备和工艺保障。

在测量方式上,iPad Pro 采用了直接飞行时间 dToF(Direct-ToF),需要高精密时钟进行从测量且需要产生短时间、高频率、高强度的激光,对硬件要求比较高。相应地,ToF 的硬件要求较低,所以目前大多厂商在红外 ToF 里大多采用后者,比如华为 Mate、OPPO 等。

未来,红外 ToF 将逐步向激光雷达过渡,而这个开头由苹果开始。


撰文 | 徐丹

编辑 | 四月


3 月 18 日晚,苹果官方悄悄上新了 iPad Pro、MacBook Air 和 Mac mini 等数款新品。

其中新款 iPad Pro 已经在天猫 Apple Store 官方旗舰店开启预热,6299 元起售,并参与 12 期分期免息。时隔近两年,iPad Pro 系列终于迎来更新。

新版 iPad Pro 将运行 iPadOS 13 系统,配备 A12Z 仿生芯片和 8 核图片处理器,并且针对散热架构和性能控制进行了加强,支持大型游戏、3D 设计和 4k 视频剪辑。

同 iPad Pro 一起发布的还有 Magic Keyboard 键盘,以标准的 1mm 间隙设计,带有触控板和夜间反光功能,并采用悬浮式设计,可以支撑屏幕,加强了办公属性。

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最惹眼的变化还是身后的「浴霸双摄」,包括可以同时运行的 1200 万像素广角摄像头和 1200 万像素超广角摄像头。

不管是功能设计还是海报,iPad Pro 都印证了那句产品标语「代替笔记本电脑」。

然而,此次 iPad Pro 最大的变革并不仅仅在于硬件升级或者像素提升,而是摄像头旁搭载的那颗激光雷达

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这个原本用于航天、测绘、自动驾驶的高精尖技术如今「下凡」到了 iPad Pro 上,真正推动了 AR 技术的落地。

 一 和 Google Pixel华为 Mate、OPPO 都不一样

iPad Pro 上所搭载的激光雷达(Light Detection And Ranging)属于 3D 感知技术的一种,它与之前在 Google Pixel4 上搭载的用于手势识别的毫米波雷达(millimeter wave radar)和目前 OPPO、华为等应用在手机摄像中的 ToF 技术都不同。

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虽然三者都属于雷达技术,以飞行时间距离(Time of Flight,飞行时间)捕捉 3D 图像。主要原理是利用雷达发射光波,光波遇到不可穿透物体会发生反射,通过记录反射光到达接收器的时间,便能快速计算出光源与物体的距离,由此便得到一张被测物体的 3D 图像。

雷达技术具有抗干扰性强、FPS 刷新率高的特点,所以多被应用在动态动作捕捉。

但是,不同的雷达发射的光波都不一样,从 毫米波雷达 到 相机 ToF 再到 激光雷达,光源波长正在变得越来越短,频率越来越高。根据雷达原理,频率越高,分辨率就越高,雷达图像也就越清晰。

毫米波雷达的光源波长最长,接收到的 3D 图像也最模糊,在实际应用中,Google Pixel4 也仅能支持简单的手势识别。

手机通常采用的 ToF 技术选用的雷达波长比毫米波雷达更短,但发射的也属于红外面光源,接收到的是深度平面信息,成像精度虽有提升,但仍然无法捕捉高精度动 3D 图像,实际应用有限。

华为 mate30 为例,这款手机前后摄像头都搭载了 ToF 技术,目前可支持的是 AI 凌空操作,比如凌空截取图片、上下挥手浏览页面等,AR 技术的运用并不成熟。

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华为 mate30 手势感应

此次 iPad Pro 选用的激光雷达是可以说升级版的手机 ToF 技术。特制的激光雷达发射的是脉冲红外激光,接收单点位置,形成点云图后再变成三维模型,精度非常高。

和传统的雷达一样,为了利用光的飞行时间(Time of Flight,ToF)测距,激光雷达发射的光波也存在两种调制方式:脉冲调制和连续波调制。

对应的两种测量方式分别是直接飞行时间(Direct-ToF)和间接飞行测量(Indirect-ToF)。

由于 dToF 需要高精密时钟进行从测量且需要产生短时间、高频率、高强度的激光,所以对硬件要求比较高。对应地,ToF 的硬件要求较低,所以目前大多厂商在红外 ToF 里大多采用后者,未来,红外 ToF 将逐步向激光雷达过渡,而这个开头由苹果开始。

目前,激光雷达主要用于测绘学、遥感、机器人视觉、无人驾驶等领域,也是美国航空航天局火星测绘的选定技术。

没有料到的是,它进入大众视野竟然是在 iPad Pro 上,苹果将这一高精尖半导体技术大规模商用,同时将其缩减到如此小的体积,并引入一款成熟数码产品中,足以见其在精密仪器领域的技术储备和工艺保障。

 二 高精尖技术下凡,为什么是苹果?

从应用效果看,iPad Pro 搭载激光雷达后可真正支持 AR 技术的落地。苹果给出了三个典型场景:AR 量身高、AR 游戏和宜家的 AR 家庭装修。

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比如 iPad Pro 的激光雷达扫描仪可以把客厅变成一个现实增强 (AR) 版的《炽热熔岩 (Hot Lava)》,这是一款电子游戏,其根据儿童的娱乐活动设计而出,玩具可以跳到家具上以此来避开模拟中的地板熔岩。

此外,通过调用 CAD 应用 Shapr3D,iPad Pro 的激光雷达可以扫描房间创建该房间的 3D 模型,然后用户可以对该模型展开编辑、将新对象添加到房间中并使用 AR 查看实际房间中添加的对象。

而解剖学应用 Complete anatomy,通过使用激光雷达扫描仪实时测量出某人手臂的运动范围。宜家 Place 应用也可以通过苹果的这项功能扫描一个房间然后获得与之匹配的家具推荐,用户可以在 AR 中查看摆上去的效果。

率先将 ToF 技术应用在手机相机技术中的是国内的厂商,但真正将其升级,并达到更好优良 AR 体验的为什么还是苹果?

苹果与激光雷达的渊源从它入局自动驾驶领域时就已经开始。

早在 2014 年,苹果便以重资产模式入局造车,推出「泰坦计划」,计划复刻 iPhone 的成功,从零开始打造一款颠覆汽车行业的产品,并为此频繁挖角电动车领域技术工程师。但因为缺乏相关经验,苹果在这条赛道上走得磕磕绊绊,战略目标由整车制造变为自动驾驶技术研究,后又调整到驾驶辅助技术研究。

到 2019 年,苹果的驾驶辅助技术研究有了一定突破。当时的外媒报道,苹果正准备设计一款能建立起道路三维远景图的的激光雷达传感器,若设计成功,这将为自动驾驶提供更安全且全方位的保障。目前,苹果已经与至少四家公司进行了谈判,意在寻找比目前技术所能实现的更小型、更便宜、更易量产的激光雷达设备。

同年,苹果还收购前百度首席科学家吴恩达团队的自动驾驶公司 Drive.ai,该公司的主要发力点是自动驾驶后装市场,通过提供激光雷达等硬件套件,将车辆改装为自动驾驶汽车

虽然自动驾驶领域的研究成果一直尚未落地,但这方面的研究一定程度上有利于苹果在激光雷达上的技术创新和供应链积累。

值得注意的是,苹果并未将已有的激光雷达技术在自动驾驶方向死磕,早在 2018 年,苹果就申请了相关专利,意在将这项高精尖技术融入日常使用的电子设备中。

2018 年年初,一家名为 TriLumina 的公司开发出了 VCSEL 技术,VCSEL 是 vertical-cavity surface-emitting laser 的缩写,是指垂直腔面发射激光器。这种发射器生产成本较低、光束质量更高,输出功率较低,可应用在激光雷达上。

当大多数人认为,激光雷达系统仅与自动驾驶汽车和景观测绘有关时,TriLumina 提出,当激光雷达和 VSCEL 相结合,便可以应用于混合现实耳机、ToF 摄像头和 AR 等新产品上。

苹果的专利主题就是激光雷达与 VCSEL 技术相结合,专注于改进激光雷达传感器及其使用方法。

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苹果专利图解

在苹果申请专利的具体案例中,目标场景被一束或多束光所照亮和扫描。在本发明使用多光束的案例中,这些光束是利用衍射光学元件(DOE)、棱镜、分束器或该领域中已知的其他光学元件来分裂光束,从而形成多光束。其他案例的多光束通常是利用多个分立激光光源产生。本发明案例中,多光束由如 VCSEL 或 VCSEL 阵列等单片激光阵列所产生。

这个专利技术很大程度上帮助了今天搭载激光雷达的 iPad Pro 产品的诞生。

 三 压宝 iPad Pro,苹果意欲何为?

当国内的手机厂商将 ToF 技术用于手机上时,围绕 AR 应用场景的技术竞争就已经开始。

当智能设备外观创新、硬件升级等都到达瓶颈期,下一波移动终端或许将是围绕 AR 进行革命性创新。

数据显示,经过几年的发展,AR 市场有望在近年迎来一次大爆发。

根据 IDC 预计,未来随着 AR 技术的成熟,AR 产品单价的下降,AR 市场将会迎来新的爆发,未来全球 AR 市场将以超过 69% 的年均复合增速增长,到 2024 年,全球增强现实行业市场规模将达到 2872 亿元。5G 技术的应用也可能会让爆发节点提前来到。

AR 一直是苹果业务中的重点。

从 2020Q1 财报看,苹果在业务分布上有「去 iPhone 化」趋势,虽然 iPhone 11 的销售数据不错,但 iPhone 占收入比重低达占 60.94%,是近 10 年来 Q1 记录里的新低,新的增长引擎就是可穿戴设备和智能配件。基于此考虑,苹果未来可能会加大在 AR 方面的投入和布局。

当然,竞争对手们也都没有闲着,这几年,Facebook、微软、索尼等巨头公司都在布局 AR 市场,华为和 OPPO 将 ToF 技术用在摄像中可能也不仅仅只想让它局限在「食之无味,弃之可惜」的隔空手势感应方面,华为在早期对 ToF 的介绍中就对它在 AR 方面的应用寄予厚望,只是限于技术瓶颈并没有实现。

在这种情况下,谁先将 AR 推入千家万户,建立用户认知,谁就能率先抢占市场。所以,苹果选择了 iPad Pro。

以往苹果在 AR 方向的投入主要是 AR 眼镜、iwatch 等,这些设备的应用场景大多局限在技术发烧友中,很难普及到千家万户。而 iPad 系列产品则是针对用户休闲需求开发,应用场景广泛且屏幕大,游戏和影视体验都比 iPhone 更好,是搭载 VR 技术的绝佳载体。

而在 iPad 系列产品中,iPad Pro 更加强调专业性,功能定位于喜爱电子产品,追求高性能或有职业需求的人群,这类人群会更容易接受新技术。再加上 Pro 系列已有两年未更新,成了一个鸡肋的存在,AR 会是挽救它的一个重要武器。

在看苹果在 AR 市场布局,雷达扫描仪构建了技术护城河,价格适中的 iPad Pro 将 VR 推向千家万户,很容易引导公众习惯,让用户喜欢上苹果 AR 软件。以 iPad Pro 为契机,该技术后续可能会逐渐拓展至 iPhone 上,并给自家 AR 眼镜积累软件和用户。

 四 苹果的出现对激光雷达市场意味着什么?

除了推动 AR 技术的成熟,iPad Pro 的出现对整个激光雷达市场都有革命性的影响。

直到今天,激光雷达技术一直都局限在自动驾驶汽车、环保、气象、生态、农业、海洋和测绘等领域,商用的情况非常少,市场一直处在缓慢增长的形势中。2017-2022 年间全球激光雷达行业规模复合增速 25.8%,到 2022 年全球激光雷达市场规模超 52 亿美元。

市场规模不大,激光雷达技术创新也有限,目前为止能实现量产的公司非常少。以自动驾驶领域看,据前瞻经济学人预测:

按 2020 年汽车年销量 1 亿台,每台低配(4 线或更低)激光雷达价格 150 美元、每套系统使用一个激光雷达计算,市场缺口达 13.5 亿美元,在中短期内激光雷达产量将决定市场空间。

iPad Pro 将激光雷达商用以后,以每年巨大的销量,必将迅速催熟整个产业链条,刺激消费和生产,促进激光雷达技术的普及。无论如何,iPad Pro 的出现,说明 AR 时代真的不远了。

产业iPad激光雷达
相关数据
华为机构

华为创立于1987年,是全球领先的ICT(信息与通信)基础设施和智能终端提供商,致力于把数字世界带入每个人、每个家庭、每个组织,构建万物互联的智能世界。目前华为有19.4万员工,业务遍及170多个国家和地区,服务30多亿人口。

https://www.huawei.com/cn/
Microsoft机构

微软是美国一家跨国计算机科技公司,以研发、制造、授权和提供广泛的计算机软件服务为主。总部位于美国华盛顿州的雷德蒙德,最为著名和畅销的产品为Microsoft Windows操作系统和Microsoft Office办公室软件,以及Xbox的游戏业务。微软是美国《财富》杂志2015年评选的世界500强企业排行榜中的第95名。

https://www.microsoft.com/en-us/about
吴恩达人物

斯坦福大学教授,人工智能著名学者,机器学习教育者。2011年,吴恩达在谷歌创建了谷歌大脑项目,以通过分布式集群计算机开发超大规模的人工神经网络。2014年5月16日,吴恩达加入百度,负责“百度大脑”计划,并担任百度公司首席科学家。2017年3月20日,吴恩达宣布从百度辞职。2017年12月,吴恩达宣布成立人工智能公司Landing.ai,并担任公司的首席执行官。2018年1月,吴恩达成立了投资机构AI Fund。

所属机构
增强现实技术

增强现实,是指透过摄影机影像的位置及角度精算并加上图像分析技术,让屏幕上的虚拟世界能够与现实世界场景进行结合与互动的技术。这种技术于1990年提出。随着随身电子产品运算能力的提升,增强现实的用途也越来越广。

自动驾驶技术技术

从 20 世纪 80 年代首次成功演示以来(Dickmanns & Mysliwetz (1992); Dickmanns & Graefe (1988); Thorpe et al. (1988)),自动驾驶汽车领域已经取得了巨大进展。尽管有了这些进展,但在任意复杂环境中实现完全自动驾驶导航仍被认为还需要数十年的发展。原因有两个:首先,在复杂的动态环境中运行的自动驾驶系统需要人工智能归纳不可预测的情境,从而进行实时推论。第二,信息性决策需要准确的感知,目前大部分已有的计算机视觉系统有一定的错误率,这是自动驾驶导航所无法接受的。

激光雷达技术

自动驾驶车辆传感器的一种,采用激光扫描和测距来建立车辆周围环境的详细三维模型。Lidar 图像具有高度准确性,这使得它可以与摄像头、超声波探测器和雷达等常规传感器相提并论。然而激光传感器面临体积过大的问题,同时,它的机械结构非常复杂。

感知技术

知觉或感知是外界刺激作用于感官时,脑对外界的整体的看法和理解,为我们对外界的感官信息进行组织和解释。在认知科学中,也可看作一组程序,包括获取信息、理解信息、筛选信息、组织信息。与感觉不同,知觉反映的是由对象的各样属性及关系构成的整体。

自动驾驶汽车技术

自动驾驶汽车,又称为无人驾驶汽车、电脑驾驶汽车或轮式移动机器人,是自动化载具的一种,具有传统汽车的运输能力。作为自动化载具,自动驾驶汽车不需要人为操作即能感测其环境及导航。

遥感技术

遥感(remote sensing)是指非接触的、远距离的探测技术。一般指运用传感器/遥感器探测物体的电磁波辐射、反射特性。遥感通过遥感器这类对电磁波敏感的仪器,在远离目标和非接触目标物体条件下探测目标。

百度机构

百度是全球最大的中文搜索引擎,是一家互联网综合信息服务公司,更是全球领先的人工智能平台型公司。2000年1月1日创立于中关村,公司创始人李彦宏拥有“超链分析”技术专利,也使中国成为美国、俄罗斯、和韩国之外,全球仅有的4个拥有搜索引擎核心技术的国家之一。

https://www.baidu.com/
Drive.ai机构

Drive.ai是一家总部位于加利福尼亚州山景城的美国科技公司,该公司使用人工智能为汽车制造自动驾驶系统。迄今为止,该公司已筹集了大约7700万美元的资金。

5G技术

第五代移动通信系统(5th generation mobile networks),简称5G,是4G系统后的延伸。美国时间2018年6月13日,圣地牙哥3GPP会议订下第一个国际5G标准。由于物理波段的限制,5G 的网络也将会与其他通信技术并用,包含长距离的其他传统电信波段。

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