ToF與LiDAR，不同的稱呼背后是技術(shù)的差異和底氣

雖然9月16日凌晨蘋果的新品發(fā)布會(huì)中并未帶來(lái)iPhone 12系列，但對(duì)于神通廣大的眾多消息源來(lái)說(shuō)，iPhone 12系列亮相的推遲似乎并不會(huì)影響到他們曝光新品的“本領(lǐng)”。比如說(shuō)日前，EverythingApplePro就在近日發(fā)布了可信度頗高iPhone 12 Pro的金屬外殼上手視頻。

在這段長(zhǎng)度僅為5秒，但信息量卻相當(dāng)大的短視頻內(nèi)容中，我們可以看到iPhone 12 Pro“致敬”iPhone 4時(shí)代的硬朗拋光金屬中框，內(nèi)置的大尺寸無(wú)線充電線圈，疑似在邊框上開孔放置的5G天線，以及這次可能會(huì)是iPhone 12 Pro系列標(biāo)配的后置三攝設(shè)計(jì)。

除此之外，更有消息人士指出，在視頻中iPhone 12 Pro的后攝部分共有五個(gè)開孔。除了大家都能看出的三枚攝像頭之外，剩下的兩個(gè)尺寸較小圓孔，一個(gè)是為LED補(bǔ)光燈準(zhǔn)備，而另一個(gè)則會(huì)是此次iPhone 12 Pro系列的最大特征之一，同時(shí)也是蘋果與其他手機(jī)品牌相比，在技術(shù)和用料上更為領(lǐng)先的一大體現(xiàn)——LiDAR傳感器。

何謂LiDAR？它的另一個(gè)名字我們其實(shí)很常見

LiDAR是什么？在蘋果第一款配備了這個(gè)功能的產(chǎn)品，iPad Pro（2020）的官方描述中我們可以清楚地看到，LiDAR的全稱是“Light Detection and Ranging”，也就是“光探測(cè)和測(cè)距”，或者說(shuō)也可以被叫做“激光雷達(dá)”。

而在更具體的官方說(shuō)明文字中，蘋果則進(jìn)一步解釋了“LiDAR”的工作原理。用他們自己的話來(lái)說(shuō)，LiDAR“通過(guò)測(cè)量光觸及物體并反射回來(lái)所需的時(shí)間，來(lái)確定距離”。

看到這里，或許平時(shí)經(jīng)常關(guān)注科技產(chǎn)品信息的朋友就會(huì)覺得很熟悉了。沒錯(cuò)，通過(guò)測(cè)量光束反射所需的時(shí)間從而進(jìn)行測(cè)距的此類傳感器，其實(shí)都有一個(gè)共同的名字，那就是ToF（time-of-flight，飛行時(shí)間）傳感器。比如早在2018年6月，vivo就成為了首個(gè)公開展示ToF技術(shù)在手機(jī)上應(yīng)用場(chǎng)景的品牌。在當(dāng)時(shí)我們?nèi)咨畹膱?bào)道中可以看到，vivo當(dāng)時(shí)想的是將ToF傳感器集成在智能手機(jī)的屏幕“劉?！敝?，用于實(shí)現(xiàn)高精度人臉識(shí)別、3D美顏算法，以及AR試妝等功能。

到了2018年12月底，榮耀V20成為了大部分消費(fèi)者所能買到的首款配備ToF傳感器的智能手機(jī)。只不過(guò)，在當(dāng)時(shí)的V20的系統(tǒng)里，ToF傳感器所能實(shí)現(xiàn)的功能與“拍照”并沒有太大關(guān)系，而是主要用在一些玩樂性質(zhì)的AR功能上。直到2020年，當(dāng)三星Galaxy S20 Ultra與索尼Xepria 1 II在內(nèi)的一眾旗艦機(jī)型帶著新款ToF傳感器亮相時(shí)，我們才終于見到了將ToF用在對(duì)物測(cè)距，輔助對(duì)焦等方面的拍照使用案例。

ToF與LiDAR，不同的稱呼背后是技術(shù)的差異

話說(shuō)了這么多，問(wèn)題也就隨之產(chǎn)生了，既然LiDAR本質(zhì)上是ToF傳感器的一種，那么為什么蘋果不直接稱其為ToF，而是非要“特立獨(dú)行”地取一個(gè)“激光雷達(dá)”的名字。反過(guò)來(lái)說(shuō)，也就是為什么在iPad Pro（2020）之前，我們從未看到過(guò)有其他廠商將他們配備的ToF傳感器取一個(gè)類似于“LiDAR”的別名呢？

可能有的朋友會(huì)馬上說(shuō)，這不是蘋果善于營(yíng)銷嗎？事實(shí)上還真不是。因?yàn)樘O果所使用的LiDAR激光雷達(dá)，雖然也屬于ToF的一種，但它與其他智能手機(jī)上所使用的“ToF傳感器”卻有著工作原理上的本質(zhì)區(qū)別。更具體一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，就是蘋果使用的LiDAR屬于dToF（直接飛行時(shí)間）傳感器，而當(dāng)前其他品牌智能手機(jī)使用的，全部都是iToF（間接飛行時(shí)間）傳感器。

所謂dToF，正如我們前面講到的那樣，是通過(guò)發(fā)射器發(fā)射出激光束，照射到物體上之后，再使用專門的傳感器接收反射光信號(hào)，通過(guò)直接測(cè)量從發(fā)射到接收的時(shí)間差，乘以光速，就能測(cè)量出對(duì)象物體的相對(duì)距離。之所以蘋果將dToF稱之為“激光雷達(dá)”，就是因?yàn)槌税l(fā)射出去的是激光信號(hào)而不是無(wú)線電波之外，dToF的工作原理其實(shí)和雷達(dá)是一模一樣的。

但是，iToF就不同了。它發(fā)射的并不是“直來(lái)直去”的激光束，而是經(jīng)過(guò)了正弦波調(diào)制，明暗強(qiáng)度呈現(xiàn)規(guī)律變換的光信號(hào)。這些光信號(hào)照射到物體表面之后，也會(huì)原樣被反射回來(lái)，并被iToF的接收傳感器所捕捉。只不過(guò)iToF的傳感器反應(yīng)速度沒有dToF那么快，無(wú)法做到精確感知皮秒、納秒級(jí)別的時(shí)間差，因此其所捕捉的，其實(shí)是反射回來(lái)的信號(hào)光強(qiáng)度特征。由于iToF的發(fā)射光（和反射光）信號(hào)是呈現(xiàn)規(guī)律變化的，所以對(duì)比發(fā)射光和反射光的信號(hào)差異，就能間接計(jì)算出中間經(jīng)過(guò)了多長(zhǎng)時(shí)間，從而再乘以光速，得出相對(duì)距離。

更糟糕的是，由于iToF實(shí)際上是靠感知正弦波光信號(hào)的差異來(lái)“估算”其從發(fā)射到反射回來(lái)的距離。假使某個(gè)iToF發(fā)射器所產(chǎn)生的正弦波光信號(hào)每走1米的距離，信號(hào)強(qiáng)度的變化就經(jīng)歷一個(gè)周期，那么這就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)非常非常嚴(yán)重的問(wèn)題，即只要每間隔1米的距離，所反射回來(lái)的信號(hào)特征就會(huì)是完全一樣的。也就是說(shuō)，iToF本身其實(shí)存在著非常嚴(yán)重的測(cè)距不準(zhǔn)隱患，或者說(shuō)，它只能在一個(gè)非常短的距離內(nèi)真正起作用。

舍“近”求“遠(yuǎn)”，蘋果的ToF技術(shù)有自己的打算

簡(jiǎn)單來(lái)總結(jié)的話，LiDAR、激光雷達(dá)，或者說(shuō)dToF技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在于測(cè)距距離遠(yuǎn)（可達(dá)5-200m）和測(cè)量精度高，同時(shí)因?yàn)槭羌す?，所以抗干擾能力也很強(qiáng)，但缺點(diǎn)是接收端必須要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。

Galaxy S20 Ultra右下側(cè)的鏡頭，就是iToF的接收器

相比之下，iToF的優(yōu)點(diǎn)首當(dāng)其沖就是可以做到低成本。因?yàn)樗恍枰厥獾母咚賯鞲衅?，所以甚至可以用普通的小尺寸CMOS作為受光單元，可以輕松實(shí)現(xiàn)小型和廉價(jià)化的設(shè)計(jì)。但缺點(diǎn)就是我們剛剛提到的作用距離有限，測(cè)量精度低等問(wèn)題。

需要注意的是，盡管有著以上的種種短板，但如果僅僅是用在智能手機(jī)上，用作簡(jiǎn)單的AR游戲、近距離的對(duì)焦測(cè)距等等場(chǎng)景，那么iToF的性能其實(shí)也是足夠的。比如說(shuō)，曾經(jīng)很受好評(píng)的微軟Kinect體感游戲攝像頭，本質(zhì)上就是使用的iToF技術(shù)，而它在跟蹤快速移動(dòng)的人體動(dòng)作時(shí)，其實(shí)已經(jīng)表現(xiàn)出了很好的性能。那么既然如此，為什么蘋果又非得要堅(jiān)持使用高成本的dToF“激光雷達(dá)”方案呢？

從前段時(shí)間曝光的一張測(cè)試版iPhone 12手機(jī)的功能截圖中，我們似乎可以找到這個(gè)問(wèn)題的一部分答案?？梢钥吹剑O果的LiDAR激光雷達(dá)不僅僅被用于輔助自動(dòng)對(duì)焦，同時(shí)還在視頻拍攝和夜間模式中起到物體探測(cè)的作用。而這是此前配備低精度iToF方案的其他智能手機(jī)都未曾實(shí)現(xiàn)過(guò)的功能。換句話說(shuō)，雖然我們目前尚不清楚這一“物體探測(cè)”技術(shù)屆時(shí)會(huì)如何起作用，但蘋果似乎很愿意為了它而在ToF傳感器的方案上花上更多的成本。

蘋果的自動(dòng)駕駛技術(shù)測(cè)試車

不僅如此，雖然iToF現(xiàn)在才是手機(jī)領(lǐng)域的主流方案，但蘋果所使用的dToF激光雷達(dá)實(shí)際上在消費(fèi)電子行業(yè)也不算什么稀有玩意。因?yàn)樵缭诙嗄昵?，許多帶有高級(jí)輔助駕駛功能的汽車，就已經(jīng)使用dToF作為遠(yuǎn)距離的障礙物傳感器，而關(guān)注蘋果的朋友可能都知道，這家企業(yè)其實(shí)一直都有在研發(fā)自動(dòng)駕駛汽車相關(guān)的技術(shù)?；蛟S，dToF激光雷達(dá)的長(zhǎng)探測(cè)距離、高精度成像特性在將來(lái)iPhone上所能體現(xiàn)出的，也就是更好一點(diǎn)點(diǎn)的夜拍、視頻體驗(yàn)，或者更精確一點(diǎn)的AR效果而已。但誰(shuí)又能知道，蘋果是不是在為更加遠(yuǎn)大的計(jì)劃提前做準(zhǔn)備呢？
責(zé)編AJX