蘋果又一改變產(chǎn)業(yè)的黑科技揭秘！iPad Pro的激光雷達有什么玄機？
前天晚上，蘋果春季新品以官網(wǎng)直接上線的形式進行了亮相，沒有傳說中的iPhone 9，幾款新品大都是常規(guī)升級，包括iPad Pro、Mac mini和Macbook Air家族的產(chǎn)品。
但有一款產(chǎn)品卻不得不引起我們的關(guān)注，那就是2020版iPad Pro，不是因為其加入了“雙攝”，而是其首次引入的“激光雷達”組件。在蘋果官網(wǎng)，對這部分做了相當(dāng)篇幅的介紹。蘋果公司認(rèn)為這是實現(xiàn)革命性AR應(yīng)用的重要一步。以往，蘋果曾多次激進采用的新技術(shù)都改變了整個行業(yè)，Touch ID、FaceID結(jié)構(gòu)光鏡頭、AirPods的SiP封裝等等；為此有必要從技術(shù)本身到應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)鏈深扒下這顆激光雷達背后的玄機。
▲蘋果官網(wǎng)對iPad Pro激光雷達組件的介紹
“激光雷達”這兩年更多被提到是在自動駕駛領(lǐng)域，所以看到蘋果把激光雷達裝到了iPad里的消息，很多人的疑問是，激光雷達不是長得“那么大”，多用在自動駕駛汽車、掃地機器人上的嗎？難道是蘋果偷換了概念？
▲用于自動駕駛的車載激光雷達
其實并不是一回事，在同多位業(yè)內(nèi)從業(yè)者交流中得知，iPad Pro激光雷達背后仍是ToF（Time of flight）三維視覺技術(shù)方案，其實華為、三星、OPPO、vivo等安卓廠雖然早就玩過，比如華為智能手機中出現(xiàn)過的隔空操控屏幕，即利用了ToF鏡頭實現(xiàn)，但iPad Pro這里用的ToF鏡頭技術(shù)和這些廠商所用有很大不同。
注意，蘋果iPad Pro上用的ToF技術(shù)多了一個前綴“d”，dToF，這可能是一個革命性的提升。利用dToF（直接測量飛行時間法），iPad Pro有望將AR應(yīng)用效果的精確度、流暢性提高到新的級別，同時能耗大大降低。有人說，蘋果可能是第一個將dToF技術(shù)商用化的消費級硬件公司。
▲利用iPad Pro的雷達系統(tǒng)實現(xiàn)增強現(xiàn)實功能
據(jù)了解，應(yīng)用在iPad Pro上的dToF激光雷達，只是一個開始，iPhone或許很快也會用上，很有可能就在今年，早在兩年前蘋果就讓工程師研究后置三維深度相機。
從2017年首次推出ARKit，蘋果一直在探索AR在移動終端中的應(yīng)用，這次dToF激光雷達的加入是其繼結(jié)構(gòu)光鏡頭模組之后在硬件上圍繞AR應(yīng)用的又一次重要革新，蘋果的做法到底有什么不同，背后又牽涉到哪些技術(shù)和供應(yīng)鏈，通過與多位從業(yè)者的交流，我們來扒一扒iPad Pro激光雷達葫蘆里賣的什么藥，以及背后又蘊藏著蘋果怎樣的AR野心。
一、iPad Pro裝激光雷達，老賣點還是新變革？說到激光雷達，很多人會聯(lián)想到自動駕駛汽車。激光雷達以接近真實的方式構(gòu)建周圍的三維地圖，從而使汽車“看見”其它汽車、樹木、道路。
自動駕駛領(lǐng)域的激光雷達公司RoboSense聯(lián)合創(chuàng)始人兼COO Mark告訴智東西，完全是兩回事，車載激光雷達主要保障安全，識別距離遠，性能要求高；相比于男士錢包大小的車載激光雷達，iPad Pro上的激光雷達可識別數(shù)米，探測標(biāo)準(zhǔn)不同，成本也更低。
根據(jù)Mark的推測，新版iPad Pro背部的激光雷達大概率采用的是Flash方案。固態(tài)激光雷達目前大致形成了三種技術(shù)路線：MEMS（微機電系統(tǒng)）、OPA（光學(xué)相控陣技術(shù)）與Flash（快閃）。按照專業(yè)認(rèn)知，其中MEMS和OPA均為掃描式，而Flash為非掃描式。簡單說，F(xiàn)lash就是快速直接發(fā)射一大面光墻，從而通過飛行時間法獲知深度信息，某種意義上，它類似于夜視攝像機，不過光源是自己主動發(fā)射出去的。
既然沒機械式的“掃描”動作，那么蘋果官網(wǎng)上為什么宣傳“雷達掃描儀”？相比于其它兩種技術(shù)路線，F(xiàn)lash不靠活動的機械部件，而是靠電子部件發(fā)出的數(shù)字信號來控制激光發(fā)射角度。因此，蘋果宣傳頁面中的“掃描”可能是描述了具象的感知過程，而不是機械運轉(zhuǎn)。
那么，蘋果的激光雷達和華為、OV、三星、小米等推出的ToF深度相機有什么區(qū)別？其實，激光雷達是傳感器硬件，ToF則是激光測距的方法，指向的是一個事情。
▲OPPO R17 Pro的ToF模組
TOF（Time of Flight）譯為飛行時間法，是一個包羅萬象的術(shù)語，指的是通過光、氣體、液體等粒子的速度計算距離的一種技術(shù)，已有一百多年歷史。早在1887年，邁克爾遜就首次提出將光波作為測量長度的尺子。20世紀(jì)60年代，激光的發(fā)明讓“以光測距”成為現(xiàn)實。
▲國內(nèi)推出的智能手機中TOF相機模組的部分應(yīng)用情況
▲用三星Note10系列手機進行三維建模
除此之外，蘋果只說了測量距離達五米，這不是很遠，同時5m內(nèi)的識別效果怎么樣，抗干擾性怎么樣？都還不知道，相信產(chǎn)品開賣后，用戶會有直觀體驗。
由此我們可以看到，蘋果iPad Pro上的dToF方案和之前安卓手機上用過的iToF方案以及車載激光雷達有這些異同：
1、三者都用到了光學(xué)傳感和ToF距離計算方法。2、iPad Pro的dToF方案相比車載激光雷達，前者是固定的平面3D傳感器，后者是旋轉(zhuǎn)的單線或多線；同時Flash這一方式在車載應(yīng)用中有感知距離短的問題，在蘋果設(shè)定的場景中則正合適。3、iPad Pro的dToF方案相比安卓機的iToF方案，發(fā)射的脈沖信號不同，因而傳感器組件、算法也都有差異。
下面我們對dToF和iToF的差異做進一步的拆解。
二、一顆進化版的ToF相機，有何技術(shù)玄機？雖然都是ToF測量方法，但是蘋果這次用的是dToF 直接測量飛行時間法（direct time of flight），有別于華為Mate30、Vivo NEX等機型中的iToF 間接測量飛行時間法（indirect time of flight）。
▲dToF與iToF的主要區(qū)別
▲iToF與dToF的測量法示意圖
從圖表可以看出來，dToF相比于iToF在性能上要好很多，但在生產(chǎn)工藝上也更復(fù)雜。
由于采用dToF方法，iPad Pro背部的激光雷達將能解決直接測距面臨的低時間分辨率難題，達ps（皮秒）級時間分辨率，精度也不會隨距離拉遠有大的衰減。換句話說，iPad Pro的ToF相機性能將提升的不是一點半點，它帶來了一顆進化版的ToF鏡頭，AR體驗的精準(zhǔn)度、流暢度將大大提高，功耗也會大大降低。
▲視覺效果更真實、流暢的AR游戲體驗
同時，dToF大多依托陣列SPAD（single photon avalanche diode，單光子雪崩二極管）等元件，而SPAD工藝非常復(fù)雜，世界上能做的廠家較少，集成難度高，這也是為什么先前一直沒有廠家將dToF方案塞進手機平板累產(chǎn)品中的一大原因，不過現(xiàn)在逐漸有廠家開始將dToF技術(shù)引入到掃地機器人這樣的產(chǎn)品中，不過模組體積要比iPad Pro上大很多。
這里引用一位知乎達人Zhang Eric對dToF關(guān)鍵部件SPAD的科普：
雪崩二極管是dToF的關(guān)鍵，下圖左起第一個是一般成像使用的PD(光電二極管)，第二是APD(雪崩二極管)，第三個是SPAD(單光子雪崩二極管)，其主要差別APD和SPAD在通過增加偏置電壓，在光子到光電二極管的時候會產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，就是產(chǎn)生大量的電子。這對成像不利,但是對于檢測脈沖則很好.而SPAD比PAD更敏感,也就是只需要很少的光子就能產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。
SPAD的小型化是dToF難以在手機等小型消費電子上使用的技術(shù)瓶頸之一，Zhang Eric認(rèn)為，其實dToF并不是第一次在消費類設(shè)備上使用。最早在手機的后攝激光對焦和蘋果Face ID測距也用到dToF sensor。但優(yōu)于SPAD的難以小型化的限制導(dǎo)致sensor的的分辨率很難提高。這次iPad Pro的激光雷達在這方面是有所突破的，分辨率比之前設(shè)備上的dToF都要高，他預(yù)估蘋果這次的激光雷達分辨率應(yīng)該能達到QVGA~VGA（320*240像素～640*480像素）之間。
▲SPAD單光子雪崩二極管元件的功能特點示意
既然關(guān)鍵零件的小型化這么難，蘋果又是如何做到的呢？有分析人士認(rèn)為蘋果是將專門用于感光的雪崩二極管和數(shù)字電路部分完全獨立制造后進行晶圓級縫合而成，看來這極有可能又是蘋果倒逼供應(yīng)鏈技術(shù)進步的一個例子。
三、誰會是iPad Pro激光雷達背后的贏家？那么iPad Pro的激光雷達背后的產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)商是誰？會是為蘋果提供Face ID技術(shù)的Lumentum嗎？Face ID同樣采用三維視覺技術(shù)獲取人臉深度信息，但其采用的是結(jié)構(gòu)光三維視覺技術(shù)，與ToF、RGB雙目視覺是三種不同的技術(shù)方向，與iPad Pro上的激光雷達-ToF方案也有區(qū)別。
同時，據(jù)外媒Fast Company上周報道，Lumentum公司表示還沒有和蘋果探討在未發(fā)布設(shè)備中使用其三維視覺技術(shù)。
為iPhone 7 Plus提供傳感器的意法半導(dǎo)體（ST）參與了嗎？該公司是全球首家提供基于SPAD技術(shù)的公司，目前也沒有回應(yīng)。
另據(jù)了解，蘋果公司曾在2019年獲得了一項“Light Detection and Ranging Sensor”的授權(quán)，其中提到的Trilumina也可能參與了iPad Pro的激光雷達設(shè)計。
一位激光雷達產(chǎn)業(yè)鏈資深專業(yè)人士分析認(rèn)為，iPad Pro背部雷達SPAT傳感器的供應(yīng)商無外乎索尼（Sony）、意法半導(dǎo)體（ST）、LG innotek等幾家公司。據(jù)推測，新版iPad Pro很有可能采用了索尼的背照式堆疊技術(shù)，采用LG在韓國大邱的攝像頭模組工廠制造，才將激光雷達濃縮到如此小的空間里。
有沒有國產(chǎn)玩家在內(nèi)呢？該專業(yè)人士稱，國產(chǎn)Sensor還要很長一段路要走，國產(chǎn)模組、鏡頭則在準(zhǔn)備一段時間后會陸續(xù)進入。還有業(yè)內(nèi)人士透露，之前聽產(chǎn)業(yè)鏈消息說蘋果到2021年才可能推出dToF，目前來看，國產(chǎn)手機可能要兩年后才能做到這種程度。
▲華為Mate 30 Pro中的ToF方案供應(yīng)商中有許多國產(chǎn)廠家
四、營銷賣點背后，蘋果的AR生態(tài)應(yīng)用大廈如果說iPad Pro的激光雷達是一顆進化版的ToF相機，那么我們又要回到老生常談的話題。
為什么是蘋果第一個吃螃蟹，應(yīng)用生態(tài)有沒有準(zhǔn)備好？
從市面上已有產(chǎn)品來看，后置深度傳感器的應(yīng)用主要有三大方向。
一是相機拍照優(yōu)化，能使景深虛化、美顏等效果更好；二是AR體驗，比如人物識別（比如視頻直播中的應(yīng)用）、MR游戲、體型測量、AR尺子、Emoji表情、三維建模、AR導(dǎo)航等；三是人臉解鎖、手勢操作等更復(fù)雜的功能。
▲利用AR進行導(dǎo)航
總體來說，這些應(yīng)用都不夠硬。而在人臉解鎖、手勢識別相對硬核一些的應(yīng)用上，ToF激光雷達方案其實很容易被毫米波雷達、結(jié)構(gòu)光三維視覺等方案替代。
“應(yīng)用乏力”問題直擊ToF三維視覺技術(shù)的“切入點”和“落腳點”。如果三維視覺應(yīng)用需求“硬”不起來，激光雷達也好，ToF相機也好，都是科技圈換了馬甲、一年一更新的營銷賣點罷了。
但是，跳出來看，蘋果會不會是在醞釀什么別的驚喜呢？很有可能。
蘋果為什么選擇在Pad上最新推出ToF相機？有人說，可能模組還沒發(fā)小到能集成到手機上。
但是，上周，外媒Fast Company報道今年至少有一款iPhone會在背后安裝ToF三維深度攝像頭。據(jù)稱，iPhone的工程師們已經(jīng)花了至少兩年的時間研究后置三維深度相機，而更輕巧便攜的AR眼鏡也已經(jīng)在路上。
除了技術(shù)上，蘋果自身也在推進AR應(yīng)用的開發(fā)和賦能。早在三年前，蘋果就推出了AR開發(fā)平臺ARKit，但一直以來略顯低調(diào)。蘋果的AR布局已久，可謂“軟硬兼施”，還有一種放長線釣大魚的樣子。
醉翁之意不在酒，蘋果眼下在傳感器硬件上進行新嘗試，看中的卻是將AR應(yīng)用程序和軟件生態(tài)帶向新的高度。在蘋果推動AR的三年時間里，沒有“殺手級”應(yīng)用出現(xiàn)。而激光雷達傳感器的進展，就是要望解決這個難題。
在iPad Pro激光雷達傳感器應(yīng)用展示中，蘋果已經(jīng)在努力展現(xiàn)其AR應(yīng)用的強大。例如，其Apple Arcade Hot Lava游戲，可以使用數(shù)據(jù)更快更準(zhǔn)確地為客廳建模以生成游戲表面；有一個CAD應(yīng)用程序，可以掃描房間的3D模型并查看其外觀；另一個演示可以準(zhǔn)確確定手臂的運動范圍。
▲利用AR玩逼真的在線游戲
▲利用AR模擬生態(tài)系統(tǒng)
▲利用iPad Pro實現(xiàn)更多學(xué)習(xí)、工作方面的功能
據(jù)9to5Mac的Benjamin Mayo報道，蘋果公司目前正在為iOS 14系統(tǒng)開發(fā)一款A(yù)R應(yīng)用，用戶可以將iPhone對準(zhǔn)蘋果商店和星巴克的商品，從而在手機屏幕上看到商品的更多信息，以AR疊層形式顯現(xiàn)。
夏蟲不可語冰，蘋果的眼光，遠不在沖營銷賣點，而是在消費級AR的新風(fēng)口，是一座平地而起的AR大廈。到時候，手機會不會變成了AR設(shè)備，蘋果會不會成了AR公司？
結(jié)語：一顆攝像頭背后，蘋果的AR野心蘋果iPad Pro推出激光雷達，乍見驚奇，細看不足為奇。它更像一顆進化版的ToF相機，雖然這個賣點早在去年被各大安卓廠商玩過了，但蘋果的到來，可能會再次引燃這一技術(shù)應(yīng)用。
早在2016年蘋果推出AirPods耳機的時候，并未引起行業(yè)的關(guān)注，但此后幾年的發(fā)展，直接催生了一個年出貨量過億臺的TWS耳機市場，而蘋果也因此創(chuàng)造了一個超過Mac電腦的營收新品類，立訊精密、歌爾股份等供應(yīng)鏈公司更是跟隨TWS的東風(fēng)，股價水漲船高。這次，由iPad Pro開端的dToF技術(shù)應(yīng)用，如果能夠廣泛使用，勢必會給上游供應(yīng)鏈帶來新的機遇。
在應(yīng)用層則有可能催生真正的AR殺手級應(yīng)用，畢竟蘋果為AR方向，已經(jīng)打了三四年的地基。從2017年首推ARKit，到推動開發(fā)者在AR應(yīng)用上的開發(fā)，比如宜家公司的家具選購App等等，蘋果公司一直是AR領(lǐng)域最積極的探索者。
跳出這一層來看，蘋果在iPad布設(shè)激光雷達背后還凸顯了更深遠的謀慮。隨著帶有后置ToF相機的iPhone也面世，那么AR眼鏡、輕量級的MR設(shè)備還會遠嗎？再加持蘋果AR應(yīng)用生態(tài)的雙管齊下，蘋果的AR大廈會不會越筑越高？還有很多想象空間。
