新款 iPad Pro「背後」暗藏玄機:激光雷達還能這麼小?

愛範兒 於 20/03/2020 發表 收藏文章

本文來自微信公眾號「機器之能」(ID:almosthuman2017),作者徐丹,愛範兒經授權發佈。
引用一般情況下,激光雷達主要用於測繪學、遙感、機器人視覺、無人駕駛等需要精密測量的領域,同時也是美國航空航天局火星測繪的選定技術。

沒有料到的是,它進入大眾視野竟然是在 iPad Pro 上,蘋果將這一高精尖半導體技術大規模商用,同時將其縮減到如此小的體積,並引入一款成熟數碼產品中,足以見其在精密儀器領域的技術儲備和工藝保障。

在測量方式上,iPad Pro 採用了直接飛行時間 dToF(Direct-ToF),需要高精密時鐘進行從測量且需要產生短時間、高頻率、高強度的激光,對硬件要求比較高。相應地,ToF 的硬件要求較低,所以目前大多廠商在紅外 ToF 裏大多采用後者,比如華為 Mate、OPPO 等。

未來,紅外 ToF 將逐步向激光雷達過渡,而這個開頭由蘋果開始。

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

其中新款 iPad Pro 已經在天貓 Apple Store 官方旗艦店開啟預熱,6299 元起售,並參與 12 期分期免息。時隔近兩年,iPad Pro 系列終於迎來更新。

新版 iPad Pro 將運行 iPadOS 13 系統,配備 A12Z 仿生芯片和 8 核圖片處理器,並且針對散熱架構和性能控制進行了加強,支持大型遊戲、3D 設計和 4k 視頻剪輯。

同 iPad Pro 一起發佈的還有 Magic Keyboard 鍵盤,以標準的 1mm 間隙設計,帶有觸控板和夜間反光功能,並採用懸浮式設計,可以支撐屏幕,加強了辦公屬性。


最惹眼的變化還是身後的「浴霸雙攝」,包括可以同時運行的 1200 萬像素廣角攝像頭和 1200 萬像素超廣角攝像頭。

不管是功能設計還是海報,iPad Pro 都印證了那句產品標語「代替筆記本電腦」。

然而,此次 iPad Pro 最大的變革並不僅僅在於硬件升級或者像素提升,而是攝像頭旁搭載的那顆激光雷達。


這個原本用於航天、測繪、自動駕駛的高精尖技術如今「下凡」到了 iPad Pro 上,真正推動了 AR 技術的落地。

和 Google Pixel、華為 Mate、OPPO 都不一樣

iPad Pro 上所搭載的激光雷達(Light Detection And Ranging)屬於 3D 感知技術的一種,它與之前在 Google Pixel4 上搭載的用於手勢識別的毫米波雷達(millimeter wave radar)和目前 OPPO、華為等應用在手機攝像中的 ToF 技術都不同。


雖然三者都屬於雷達技術,以飛行時間距離(Time of Flight,飛行時間)捕捉 3D 圖像。主要原理是利用雷達發射光波,光波遇到不可穿透物體會發生反射,通過記錄反射光到達接收器的時間,便能快速計算出光源與物體的距離,由此便得到一張被測物體的 3D 圖像。

雷達技術具有抗干擾性強、FPS 刷新率高的特點,所以多被應用在動態動作捕捉。

但是,不同的雷達發射的光波都不一樣,從 毫米波雷達 到 相機 ToF 再到 激光雷達,光源波長正在變得越來越短,頻率越來越高。根據雷達原理,頻率越高,分辨率就越高,雷達圖像也就越清晰。

毫米波雷達的光源波長最長,接收到的 3D 圖像也最模糊,在實際應用中,Google Pixel4 也僅能支持簡單的手勢識別。

手機通常採用的 ToF 技術選用的雷達波長比毫米波雷達更短,但發射的也屬於紅外面光源,接收到的是深度平面信息,成像精度雖有提升,但仍然無法捕捉高精度動 3D 圖像,實際應用有限。

以華為 mate30 為例,這款手機前後攝像頭都搭載了 ToF 技術,目前可支持的是 AI 凌空操作,比如凌空截取圖片、上下揮手瀏覽頁面等,AR 技術的運用並不成熟。

▲ 華為 mate30 手勢感應

此次 iPad Pro 選用的激光雷達是可以説升級版的手機 ToF 技術。特製的激光雷達發射的是脈衝紅外激光,接收單點位置,形成點雲圖後再變成三維模型,精度非常高。

和傳統的雷達一樣,為了利用光的飛行時間(Time of Flight,ToF)測距,激光雷達發射的光波也存在兩種調製方式:脈衝調製和連續波調製。

對應的兩種測量方式分別是直接飛行時間(Direct-ToF)和間接飛行測量(Indirect-ToF)。

由於 dToF 需要高精密時鐘進行從測量且需要產生短時間、高頻率、高強度的激光,所以對硬件要求比較高。對應地,ToF 的硬件要求較低,所以目前大多廠商在紅外 ToF 裏大多采用後者,未來,紅外 ToF 將逐步向激光雷達過渡,而這個開頭由蘋果開始。

目前,激光雷達主要用於測繪學、遙感、機器人視覺、無人駕駛等領域,也是美國航空航天局火星測繪的選定技術。

沒有料到的是,它進入大眾視野竟然是在 iPad Pro 上,蘋果將這一高精尖半導體技術大規模商用,同時將其縮減到如此小的體積,並引入一款成熟數碼產品中,足以見其在精密儀器領域的技術儲備和工藝保障。

高精尖技術下凡,為什麼是蘋果?

從應用效果看,iPad Pro 搭載激光雷達後可真正支持 AR 技術的落地。蘋果給出了三個典型場景:AR 量身高、AR 遊戲和宜家的 AR 家庭裝修。


比如 iPad Pro 的激光雷達掃描儀可以把客廳變成一個現實增強 (AR) 版的《熾熱熔巖 (Hot Lava)》,這是一款電子遊戲,其根據兒童的娛樂活動設計而出,玩具可以跳到傢俱上以此來避開模擬中的地板熔巖。
此外,通過調用 CAD 應用 Shapr3D,iPad Pro 的激光雷達可以掃描房間創建該房間的 3D 模型,然後用户可以對該模型展開編輯、將新對象添加到房間中並使用 AR 查看實際房間中添加的對象。

而解剖學應用 Complete anatomy,通過使用激光雷達掃描儀實時測量出某人手臂的運動範圍。宜家 Place 應用也可以通過蘋果的這項功能掃描一個房間然後獲得與之匹配的傢俱推薦,用户可以在 AR 中查看擺上去的效果。

率先將 ToF 技術應用在手機相機技術中的是國內的廠商,但真正將其升級,並達到更好優良 AR 體驗的為什麼還是蘋果?

蘋果與激光雷達的淵源從它入局自動駕駛領域時就已經開始。

早在 2014 年,蘋果便以重資產模式入局造車,推出「泰坦計劃」,計劃復刻 iPhone 的成功,從零開始打造一款顛覆汽車行業的產品,併為此頻繁挖角電動車領域技術工程師。但因為缺乏相關經驗,蘋果在這條賽道上走得磕磕絆絆,戰略目標由整車製造變為自動駕駛技術研究,後又調整到駕駛輔助技術研究。

到 2019 年,蘋果的駕駛輔助技術研究有了一定突破。當時的外媒報道,蘋果正準備設計一款能建立起道路三維遠景圖的的激光雷達傳感器,若設計成功,這將為自動駕駛提供更安全且全方位的保障。目前,蘋果已經與至少四家公司進行了談判,意在尋找比目前技術所能實現的更小型、更便宜、更易量產的激光雷達設備。

同年,蘋果還收購前百度首席科學家吳恩達團隊的自動駕駛公司 Drive.ai,該公司的主要發力點是自動駕駛後裝市場,通過提供激光雷達等硬件套件,將車輛改裝為自動駕駛汽車。

雖然自動駕駛領域的研究成果一直尚未落地,但這方面的研究一定程度上有利於蘋果在激光雷達上的技術創新和供應鏈積累。

值得注意的是,蘋果並未將已有的激光雷達技術在自動駕駛方向死磕,早在 2018 年,蘋果就申請了相關專利,意在將這項高精尖技術融入日常使用的電子設備中。

2018 年年初,一家名為 TriLumina 的公司開發出了 基於 VCSEL 技術的激光雷達系統,VCSEL 是 vertical-cavity surface-emitting laser 的縮寫,是指垂直腔面發射激光器。這種發射器生產成本較低、光束質量更高,輸出功率較低,可應用在激光雷達上。

當大多數人認為,激光雷達系統僅與自動駕駛汽車和景觀測繪有關時,TriLumina 提出,當激光雷達和 VSCEL 相結合,便可以應用於混合現實耳機、ToF 攝像頭和 AR 等新產品上。

蘋果的專利主題就是激光雷達與 VCSEL 技術相結合,專注於改進激光雷達傳感器及其使用方法。


▲ 蘋果專利圖解

在蘋果申請專利的具體案例中,目標場景被一束或多束光所照亮和掃描。在本發明使用多光束的案例中,這些光束是利用衍射光學元件(DOE)、稜鏡、分束器或該領域中已知的其他光學元件來分裂光束,從而形成多光束。其他案例的多光束通常是利用多個分立激光光源產生。本發明案例中,多光束由如 VCSEL 或 VCSEL 陣列等單片激光陣列所產生。

這個專利技術很大程度上幫助了今天搭載激光雷達的 iPad Pro 產品的誕生。

壓寶 iPad Pro,蘋果意欲何為?

當國內的手機廠商將 ToF 技術用於手機上時,圍繞 AR 應用場景的技術競爭就已經開始。
當智能設備外觀創新、硬件升級等都到達瓶頸期,下一波移動終端或許將是圍繞 AR 進行革命性創新。

數據顯示,經過幾年的發展,AR 市場有望在近年迎來一次大爆發。

根據 IDC 預計,未來隨着 AR 技術的成熟,AR 產品單價的下降,AR 市場將會迎來新的爆發,未來全球 AR 市場將以超過 69% 的年均複合增速增長,到 2024 年,全球增強現實行業市場規模將達到 2872 億元。5G 技術的應用也可能會讓爆發節點提前來到。

AR 一直是蘋果業務中的重點。

從 2020Q1 財報看,蘋果在業務分佈上有「去 iPhone 化」趨勢,雖然 iPhone 11 的銷售數據不錯,但 iPhone 佔收入比重低達佔 60.94%,是近 10 年來 Q1 記錄裏的新低,新的增長引擎就是可穿戴設備和智能配件。基於此考慮,蘋果未來可能會加大在 AR 方面的投入和佈局。

當然,競爭對手們也都沒有閒着,這幾年,Facebook、微軟、Sony等巨頭公司都在佈局 AR 市場,華為和 OPPO 將 ToF 技術用在攝像中可能也不僅僅只想讓它侷限在「食之無味,棄之可惜」的隔空手勢感應方面,華為在早期對 ToF 的介紹中就對它在 AR 方面的應用寄予厚望,只是限於技術瓶頸並沒有實現。

在這種情況下,誰先將 AR 推入千家萬户,建立用户認知,誰就能率先搶佔市場。所以,蘋果選擇了 iPad Pro。

以往蘋果在 AR 方向的投入主要是 AR 眼鏡、iwatch 等,這些設備的應用場景大多侷限在技術發燒友中,很難普及到千家萬户。而 iPad 系列產品則是針對用户休閒需求開發,應用場景廣泛且屏幕大,遊戲和影視體驗都比 iPhone 更好,是搭載 VR 技術的絕佳載體。

而在 iPad 系列產品中,iPad Pro 更加強調專業性,功能定位於喜愛電子產品,追求高性能或有職業需求的人羣,這類人羣會更容易接受新技術。再加上 Pro 系列已有兩年未更新,成了一個雞肋的存在,AR 會是挽救它的一個重要武器。

在看蘋果在 AR 市場佈局,雷達掃描儀構建了技術護城河,價格適中的 iPad Pro 將 VR 推向千家萬户,很容易引導公眾習慣,讓用户喜歡上蘋果 AR 軟件。以 iPad Pro 為契機,該技術後續可能會逐漸拓展至 iPhone 上,並給自家 AR 眼鏡積累軟件和用户。

蘋果的出現對激光雷達市場意味着什麼?

除了推動 AR 技術的成熟,iPad Pro 的出現對整個激光雷達市場都有革命性的影響。

直到今天,激光雷達技術一直都侷限在自動駕駛汽車、環保、氣象、生態、農業、海洋和測繪等領域,商用的情況非常少,市場一直處在緩慢增長的形勢中。2017-2022 年間全球激光雷達行業規模複合增速 25.8%,到 2022 年全球激光雷達市場規模超 52 億美元。

市場規模不大,激光雷達技術創新也有限,目前為止能實現量產的公司非常少。以自動駕駛領域看,據前瞻經濟學人預測:

按 2020 年汽車年銷量 1 億台,每台低配(4 線或更低)激光雷達價格 150 美元、每套系統使用一個激光雷達計算,市場缺口達 13.5 億美元,在中短期內激光雷達產量將決定市場空間。

iPad Pro 將激光雷達商用以後,以每年巨大的銷量,必將迅速催熟整個產業鏈條,刺激消費和生產,促進激光雷達技術的普及。無論如何,iPad Pro 的出現,説明 AR 時代真的不遠了。


資料來源:愛範兒(ifanr)

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