激光雷達更高級嗎？ToF與LiDAR的區別

謝慧華

在2020年秋季新品發布會上，蘋果帶來了包含4款機型的iPhone 12系列，定價更高的iPhone 12 Pro/12 ProMax上除了多一枚長焦鏡頭外，還加入了LiDAR激光雷達掃描儀，用以提供更強的對焦和AR能力。從技術原理來看，LiDAR和Android手機上早已應用的ToF鏡頭類似，都是通過測量光線的飛行時間來測量距離。蘋果為何要將其特別命名，與ToF劃清界限呢？我們一起來了解它們之間的區別。

什么是ToF？

ToF是Time of flight的簡寫，即飛行時間的意思。在實際應用中，ToF技術從發射端發射光信號，通過測量光信號飛行到物體的時間來測量物體的距離，進而知道畫面里每一個物體的距離。飛行時間又分為直接飛行時間（dToF）和間接飛行時間（iToF）：前者向目標發射一個激光脈沖信號，直接測量光子從出發到返回的用時;后者發射一連串經過正弦調制的光波，通過檢測來回光波間的相位差測量飛行時間。雖然兩者的原理相同，但iToF發射的光波具有呈現規律變換的明暗強度，接收端的傳感器捕捉到光強度特征后，還需要對比發射光和反射光的信號差異，才能間接計算出這中間經過了多長時間，從而再乘以光速，得出相對距離。相比之下，dToF發射的激光脈沖信號波長短、頻率高，像是“直來直去”的光束，可以直接計算獲得距離數據。

在穩定性和精度方面，dToF也表現出更多的優勢。掌握一定物理知識的用戶都知道，正弦光波具有周期性，相差波長整數倍的距離反射回來的信號特征完全一樣，容易出現誤差。而高頻的激光束不存在這方面的短板，同時也帶來了出色的抗干擾性，測距距離達到5m-200m，可以得到分辨率更高的圖像，精度可達厘米甚至毫米級別。

當然，技術落地還需要考慮到成本因素。iToF技術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，可以輕松實現小型和廉價化的設計;dToF技術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。

在數碼領域，大多數搭載ToF鏡頭的手機使用的是iToF技術，而蘋果的iPad Pro和iPhone 12系列使用的則是基于dToF技術的LiDAR激光雷達掃描儀。因為蘋果，LiDAR-詞才被大家熟知，認為這是一個新事物，但在其他行業中它早已被廣泛應用。這幾年新款的中高端車型以及無人駕駛汽車中普遍搭載了LiDAR傳感器，作為普通雷達的升級，或是與毫米波雷達、攝像頭等其他設備儀一起確定前方車輛、障礙物的位置和距離，幫助無人駕駛系統規避駕駛危險。除了無人駕駛汽車之外，LiDAR還被用在探索宇宙等科研方面，1971年的阿波羅15號飛船就搭載了LiDAR高度計用于繪制月球表面圖像。到了現在，LiDAR的運用范圍越來越廣泛，涵蓋了測距、測繪建模、探測霧霾等方面。

從3D結構光ILiDAR

在看到LiDAR通過投射矩陣光束捕捉位置深度圖時，我們不免想到了Face ID所采用的3D結構光技術。在紅外攝像機的鏡頭下，Face ID的3D結構光傳感器通過點陣投影發射出超過3萬個不可見的光斑，利用扭曲建模制作出一張準確的面部深度圖，從而將2D的圖像轉換為帶有深度信息的3D圖像。相比LiDAR.3D結構光的點陣更加密集、細小，但有一定的距離限制;而LiDAR投射的點陣大且疏，更適合用來對整個房間進行掃描和建模。

針對面部識別解鎖，Android機型往往通過前置攝像頭對用戶面部進行2D掃描，蘋果的Face ID則是它們的進階應用，通過3D建模獲取用戶面部信息后，不僅能夠有效地提升面部識別的安全性和解鎖率，還可以創建生動的Memoji表情。為iPhone加入LiDAR，當然也不是僅僅用于測量位置深度這么簡單，它能做的遠遠更多。

強化拍攝能力

過去的兩年里，不少智能手機廠商都對iToF技術進行了探索，并推出了面向不同應用的機型。2018年10月，OPPO推出的R17 Pro就搭載了iToF鏡頭，能夠實現三維建模、測距、AR尺子等功能;同年12月，榮耀發布的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等旗艦機型將iToF傳感器用在對物測距、輔助對焦等拍攝功能上，進一步拓寬了iToF技術的應用面。

在這些功能上，成本更低的iToF技術足以滿足普通用戶近距離使用的需求，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，面對復雜背景和人物頭發分離處理時，即便有iToF鏡頭輔助也難以避免算法誤判的問題，拍攝主體邊緣常常出現不自然的模糊效果。面對復雜、棘手的應用場景，dToF技術的加入才能帶來更精準的深度信息，以便于AI算法理解物體之間的前后關系，繪制出一張空間位圖，并將照片中的景物按照距離進行不同程度的模糊處理。在更高精度的需求下，蘋果將dToF技術引入數碼產品的影像系統，先后在iPad Pro和iPhone 12系列上搭載了LiDAR激光雷達掃描儀。使用時，LiDAR發射器會投射出9x64大小的矩陣光束，捕捉并繪制最遠5米范圍內的位置深度圖。如此一來，過去需要借助大光圈鏡頭才能拍攝的景深照片，完全可以通過算法處理來實現。此外，激光雷達掃描儀還可以在低光照條件下提升攝像頭的對焦速度，在黑暗中準確找到畫面中的人物，為夜間模式下的人像照片打下基礎。

為AR布局

除了拍攝領域，LiDAR激光雷達掃描儀更大的作用是提升了AR應用的真實性。2017年開始，蘋果推出AR軟件開發套件ARKit，開發者們可以使用它制作出精致的AR應用，但由于沒有深度信息的輔助，AR應用無法很好地判斷3D模型和真實世界的空間關系。加入LiDAR激光雷達掃描儀之后，iPhone可以通過測量出真實場景的深度數據，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系并動態調節模型的光照和陰影，使游戲體驗更加真實。

此外，LiDAR還可以用于更多領域。用于醫學的Complete Anatomy App就展示了激光雷達掃描儀的使用場景，通過iPhone 12 Pro/iPad Pro， Complete Anatomy能夠從三維角度觀察運動，使用運動捕捉來識別一個人正在做的運動，然后將動作與三維肌肉動畫相結合，并且提供執行動作所需的主要肌肉的信息，以此來判斷肌肉運動狀態。此外，蘋果官方還展示了AR家庭裝修、AR游戲、AR測量等應用，由此可見AR在各行各業的應用前景是非常廣泛的。