сенсор лидар что такое
Для чего нужен сканер LIDAR (Лидар) в iPhone 12 и iPad Pro и что это такое?
Если появление дополнительной камеры в iPhone или iPad явно заметно, то оснащение новых устройств Apple датчиком LIDAR многими игнорируется. Что это за технология такая и насколько нужна она широкому кругу пользователей?
Что такое LiDAR?
Само слово LiDAR (Light Detection and Ranging) дословно расшифровывается, как «обнаружение и определение дальности с помощью света». Эта технология активно используется в геодезии, картографии, где излучателем света является лазер.
В системах же ближнего радиуса действия его успешно заменяют светодиоды. Принцип действия LiDAR довольно прост – излучатель испускает световые волны, а приемник получает возращенный от тела отраженный сигнал, при этом учитывается воздействие рассеивающей среды. На основании времени отклика можно определить расстояние до объекта.
Так видит LiDAR окружающий мир:
Появившийся в марте 2020 года iPad Pro (обзор) и осенью – iPhone 12 Pro и iPhone 12 Pro Max как раз и получили датчик LiDAR на блоке тыловых камер.
LiDAR в iPhone 12 Pro и iPhone 12 Pro Max
Для чего LiDAR в iPhone 12 Pro и iPad Pro?
LiDAR на iPhone может быть востребован уже сегодня и выполнять практические задачи. Можно говорить о применении технологии в съемке максимально естественных портретов с натуральным эффектом боке. LiDAR помогает волосам, ушам и другим частям тела человека или животных оставаться в фокусе. В будущем возможности этой технологии могут быть расширены и на портретные видео. Но это произойдет в следующих релизах операционной системы или даже с выходом новых моделей iPhone.
Видится возможным использовать LiDAR для сверхточного измерения физических расстояний. В практической жизни любой владелец актуального iPhone или iPad с такой технологией сможет без проблем точно измерить габариты своей квартиры: длину и высоту стен, кривизну пола. Но дело тут не в удовлетворении любопытства, такая информация может оказаться полезной при проведении строительных работ. Обычно там требуются дальномеры и нивелиры, но смартфон с лидаром может их подменить. Есть уже и приложения, которые с помощью лидара сканируют контуры рабочего пространства и затем создают модель производственного помещения, помещая туда трехмерные объекты.
А с учетом факта отличной работы сенсора LiDAR не только в светлое время суток, но и в темное, эта камера используется для улучшения Ночного режима съемки в iPhone 12 Pro и iPhone 12 Pro Max. Датчик отлично распознает объекты, что позволяет до 6 раз быстрее наводиться автофокусу. В результате резко уменьшится число ночных фотографий, в которых фокус оказался сбитым.
Есть и еще одна сфера применения технологии LiDAR. По утверждению компании, этот элемент был недостающим для реализации революционных приложений дополненной реальности. Датчик LIDAR от Apple способен измерять дистанцию до объектов на расстоянии до 5 метров, работая как в помещении, так и на улице. Операционная система объединяет эту информацию с данными камер, датчиков движения и обрабатывает с помощью алгоритмов компьютерного зрения. Это помогает iPhone и iPad Pro быстрее и лучше размещать на проанализированной сцене объекты дополненной реальности. Можно не сомневаться, что благодаря LIDAR уровень AR вырастет, даруя новые ощущения от возможностей техники Apple.
Надо сказать, что компания давно уже пытается освоить поле дополненной реальности, работая над соответствующим программным и аппаратным обеспечением еще с 2017 года. Тогда была представлена платформа ARKit для разработки под iOS подобных приложений. С тех пор каждое крупное обновление операционной системы появляется с демоверсией технологии AR, будь то Minecraft или Lego. И каждое улучшение камер или процессора неявно обещает и очередное улучшение технологии. Но пока еще не так много реальных возможностей ее применения.
Созданное на основе ARKit приложение автоматически и мгновенно получает информацию о размещении объектов в поле зрения камеры, улучшенный захват движения для вовлечения людей. Появление датчика LIDAR привело к обновлению ARKit и появлению нового Scene Geometry API, которое как раз и позволит использовать новый сканер для реализации невозможных ранее сценариев.
Вполне возможно, что датчик LIDAR даст новый импульс этой истории. И уже появляются приложения, использующие новую возможность устройств Apple. Так, в Apple Arcade появилась игра Hot Lava, которая превращает жилую комнату в игровую поверхность.
Устройство сканирует помещение и размещает в нем виртуальное поле из лавы и платформы для прыжков персонажа. Приложение Shapr3D дает возможность отсканировать комнату, а потом создает ее трехмерную модель для последующего редактирования. Похожий функционал и у IKEA Place, которая после анализа комнаты поможет подобрать для нее мебель.
Сканер LIDAR улучшит приложение Рулетка для вычисления габаритов материальных объектов. В нем появилась виртуальная рулетка для более детальных измерений.
Пока сфера дополненной реальности является удивительной, но вовсе не неотъемлемой частью нашей жизни. Компания Apple планомерно, шаг за шагом, делает все, чтобы это исправить. Можно только поприветствовать такое намерение разнообразить наше будущее. А сканер LIDAR – важный инструмент на пути реализации технологии.
Зачем iPhone 12 нужен лидар, или Самая бесполезная функция
Я всегда любил технику Apple за её практичность и продуманность. В отличие от Samsung, которая могла себе позволить совершенно бестолковые эксперименты в коммерческих смартфонах с технологиями слежения за взглядом или 100-кратным приближением изображений, компания из Купертино вела себя более осмотрительно и не предлагала своим пользователям инновации ради инноваций. Но в какой-то момент что-то пошло не так, и Apple сначала решила превратить планшет в компьютер, а потом и вовсе занялась освоением не применимых на практике AR и лидаров.
Лидар — бесспорно, очень интересная и сложная технология, но на практике мало применимая
Apple представила iPad Pro 2020 с новой камерой и клавиатурой как у MacBook
После того как Apple выпустила iPad Pro 2020 со встроенным лидаром, стало очевидно, что планшет является всего лишь тестовым полигоном для технологии компьютерного зрения перед по-настоящему важным релизом. Ведь планшет, тем более профессиональный, — это устройство узконаправленное, а вот смартфон, тем более флагманский, представляет собой гаджет более массовый. Поэтому сомнений в том, что iPhone 12 тоже получит поддержку лидара ни у кого не было с самого начала. Ведь не зря же Apple установила на корпус iPhone 11 такую большую площадку, где как раз осталось место ещё для одного модуля.
Лидар сканер — это…
В iPhone 12 тоже будет лидар, в этом почти нет сомнений. Но зачем он там нужен?
Если вы ещё не в курсе, лидар – это специальный сенсор, способный распознавать трёхмерные объекты благодаря технологиям поглощения и рассеивания света. Он просто излучает пучок света, который отталкивается от предметов, расположенных на его пути, и возвращается назад. Таким образом удаётся сформировать силует препятствий, находящихся в зоне видимости, и определить области, свободные от посторонних объектов. Как правило, лидары применяются в системах автопилотирования, выступая в роли глаз беспилотного автомобиля.
Все, что вам нужно знать о новом iPad Pro 2020
Но зачем это смартфону? Ну, на самом деле лидар можно приспособить как минимум для трёх целей. Его можно использовать для распознавания лиц, как поступила Samsung со своим Galaxy S10 5G, который разработчики компании обучили считывать рельеф лица не хуже, чем Face ID. Но поскольку Apple решила установить лидары на заднюю панель своих устройств, логично предположить, что и использоваться они будут если не конкретно для фотосъёмки, то по крайней мере в роли вспомогательного инструмента для камеры. Значит, остаются только два варианта: работа с дополненной реальностью и портретная съёмка.
Дополненная реальность на iPhone
Да, мы знаем, что Apple неровно дышит к дополненной реальности, а лидар может помочь ей в реализации намеченных целей, обучив AR-объекты работать с окружающим пространством и учитывать препятствия, чтобы не проваливаться в текстуры. Но, как видите на представленных выше изображениях, сейчас iPhone довольно неплохо справляются с размещением виртуальных предметов, создавая впечатление вполне материальных. Поэтому единственное, что улучшит лидар, — это замеры при помощи приложения «Линейка», сделав их более точными, и точность позиционирования при размещении виртуальной мебели из приложения «ИКЕА». Других сценариев я придумать пока не могу.
Сравнение iPad Pro 2020 и iPad Pro 2018: стоит ли покупать новинку?
Другое дело – насколько востребована будет эта функция у пользователей. На мой взгляд, AR – это именно та история, которая годится только в качестве вау-фактора. Ну, подумайте сами, сколько раз вы её запустите? Один? Два? Три? Уверен, что не больше, да и то только в первую неделю после покупки, пока хочется протестировать все возможности новинки. Нет, ну правда, вспомните, сколько раз вы пытались запускать AR на своём нынешнем iPhone или iPad? От силы раза полтора. Не изменит ситуацию и лидар, ведь дело не в том, что дополненная реальность плохо совмещается с повседневной, а в том, что это никому не нужно.
Как улучшить портреты на айфоне
Лидар может улучшить портретную съёмку, но зачем, если она на iPhone и так всегда была на высоте?
Портретная съёмка пока выглядит самым вероятным сценарием массового использования лидара. Благодаря тому что он позволяет распознавать трёхмерные объекты, он сможет добиться более естественного и правильного эффекта размытия. Но вот проблема – телеобъективы, которые Apple использовала в iPhone с 2016 года, и так справлялись со своей задачей на 100%. Что-то я не припомню, чтобы кто-то из экспертов негативно отозвался о портретной съёмке даже на iPhone 7 Plus, не говоря уже о более новых моделях. Напротив, флагманские аппараты Apple либо превосходили конкурентов, либо шли с ними вровень, но никак не уступали. Поэтому, в общем, и здесь лидар будет ни к чему.
Почему я думаю, что iPhone 12 не выйдет в сентябре 2020 года
Аналогичного мнения придерживается и Михаил Королёв, основатель AppleInsider.ru:
Можете забросать меня камнями, но я искренне не понимаю, зачем нужно встраивать лидар в iPhone. Ради крутых фоток с размытым фоном или ради дополненной реальности, которой никто никогда не пользовался? Удорожание смартфона в настоящее время — явно не лучшая идея. Лидару место в автомобилях Tesla или роботах Яндекса, которым он нужен для автономного передвижения, но никак не смартфону. Надеюсь, что я не прав и Apple откроет нам глаза на реальные сценарии применения лидара в iPhone 12, но пока верится с трудом, что это произойдёт.
Я бы тоже очень хотел ошибиться и в сентябре узнать, что Apple придумала для лидара в iPhone 12 совершенно гениальное применение, а не вот эти притянутые за уши сценарии вроде AR или портретной съёмки. Но, учитывая, что пока никто даже в теории не придумал, как ещё можно использовать этот аппаратный компонент, меня не покидает стойкое ощущение, что Apple действительно свернула куда-то не туда и уделяет время технологии, которая банально не нужна большинству пользователей.
3D-печать и ночные портреты: для чего в iPhone 12 Pro Max нужен лидар
В iPhone 12 Pro Max, который стоит 130 тыс. руб., установлены три камеры, один фонарик и лидар. Лидар — это сенсор, который посылает в пространство пучки невидимого света. Зачем? Чтобы лучше видеть это же пространство. Сегодня технология лидара чаще всего упоминается в контексте «зрения» беспилотного автомобиля, но зачем она смартфону? Apple объясняет необходимость технологии так:
Фотосъемка с лидаром
Фото, сделанное ночью на телефон с лидаром более четкое: на смартфоне без лидара изображение «шумит». Главное отличие iPhone 12 Pro Max от других смартфонов — у него есть ночной режим портретной съемки.
Качество видеосъемки
Тут iPhone 12 Pro Max сравним с камерой Sony Alpha A6600. Однако iPhone «вытягивает» все, что позади человека, осветляя фон. Sony же при этом сохраняет цвета, как в реальности. Примерно такие же результаты показал эксперимент по сравнению смартфона Sony уже с новым iPhone без лидара.
Вывод: для качественной видеосъемки лучше купить фотоаппарат со светочувствительным объективом.
Дополненная реальность
Что еще можно делать с помощью лидара? Два года назад Apple представила новое приложение «Рулетка».
Итак, представим, что нам нужно что-то измерить — например, столешницу на кухне. У нас есть iPhone без лидара, iPhone с лидаром и совсем обычная рулетка. В ходе эксперимента телефон без лидара сперва не различил стену, но потом все же сумел измерить ширину и длину столешницы: 58 и 91 см соответственно.
Смартфон с лидаром ориентируется быстрее. Главное отличие — вибрацией он дает понять, где стена, а где — конец столешницы. Правда, линию ведет не очень ровно. Результат: 60 и 93 см.
Обычная рулетка показала 57 и 92 см соответственно. Получается, что iPhone 12 Pro Max ошибся на несколько сантиметров.
По задумке Apple, многие бытовые проблемы можно решить с помощью дополненной реальности. Компания всеми силами способствует тому, чтобы технология дорабатывалась и ей пользовались люди. Но все же пока единственное достойное применение технологии в быту — примерить какую-нибудь мебель в квартире. Например, у IKEA есть приложение, позволяющее выбрать мебель и посмотреть, как она будет выглядеть в том или ином месте вашей квартиры.
Лидар может совершить прорыв и в области сканирования: с помощью технологии можно отсканировать какую-либо вещь, а затем распечатать на 3D-принтере ее модель.
Подписывайтесь также на Telegram-канал РБК Тренды и будьте в курсе актуальных тенденций и прогнозов о будущем технологий, эко-номики, образования и инноваций.
Технология будущего. Зачем нужен LiDAR, который появился в iPad Pro
Судя по анализу железа нового iPad Pro, его главная особенность – это новый датчик расстояния LiDAR.
Apple говорит, что NASA отправит с ним людей на Марс, а многие думают, что это прокачанный Face ID. Но многие пока не понимают, как его будут использовать разработчики.
Мы разобрались, в каких индустриях лидар используют прямо сейчас, чем его датчик отличается от чёлки в iPhone, и кому на самом деле нужна эта новая версия планшета.
Спойлер: произошла революция.
Как работает обычный лидар
По принципу работы радар и лидар отличаются только в источнике энергии, которым они измеряют величины. В первом это радио-волны, во втором лазер. Чаще всего инфракрасный, невидимый человеком.
Название LiDAR идёт от аббревиатуры light detection and ranging, на русском как «обнаружение и определение дальности через свет»
Простейшая система работы такая:
- 1. Излучатель бьёт лазером со скоростью света
2. Ресивер получает его обратно
3. Компьютер рассчитывает время возвращения луча
4. Формируется информация о расстоянии до объекта
Скорость света – величина неизменная, она всегда одинакова. Считывая разницу в скорости возвращения луча, можно составить глубинную 3D-карту местности, улицы или комнаты. Масштаб и точность такой карты зависит от размера датчиков, количества лучей, их яркости и множества других факторов.
Например, вот здесь можно пощупать информацию, которая получается на выходе сенсора для автомобилей OS1 от компании OUSTER.
NASA составила огромный список того, что умеют лидеры разного типа.
В зависимости от размера и точности сенсора, можно получить следующие данные:
Излучатели отличаются размерами, мощностью, типом лучей, их количеством, статичностью и многим другим. Их цепляют на спутники, самолёты, дроны и автомобили.
Учитывая, сколько материала можно собрать и обработать, становится понятно, что лидар может быть полезен в десятке разных областей. Пройдёмся по некоторым.
Технологию применяют в автопилотах, космосе и земледелии
С помощью сенсора можно предположить, какую область зальёт при наводнении
Все сканеры работают за счёт лучей, но площадь покрытия зависит от их количества. Это может был один лазер, который сканирует плотность газа, или полоса, которая формирует карту глубины двухмерной территории, как на примере выше.
В третьем виде излучатель бьёт квадратным полем, как это сделано в iPad Pro, и формирует объёмный отпечаток помещения, здания, метеорита и так далее.
Самоуправляемые машины выглядят самым очевидным применением для LiDAR. Почти каждая компания внедряет их по несколько штук за раз в свои проекты.
С другой стороны, Элон Маск год назад агрессивно противился им и сказал, что распознавание объектов эффективнее. Директор ИИ в Tesla Андрей Карпати считает лидар ненадёжным “костылём” по той же причине.
Анализ биосферы проводят датчиками повсеместно. У NASA есть список миссий с отчётами по ним. В них исследуют состояние озонового слоя, ищут связь выбросов и климата и изучают экосистему. Для последнего иногда даже задействуют спутники.
Но в основном в самолёты или дроны встраивают лазеры с приёмником, которые как валик с краской накрывают территорию под собой. А учёные на базе этих данных строят карты материалов и грунта.
Агрикультура и городское планирование занимают первое место по применению LiDAR. Анализ земли и воздуха помогает выбрать места для плодородных полей – такие, чтобы избежать оползней и загрязнённого воздуха.
LiDAR не умеет делать то, что может Face ID. И наоборот
Разобрались, что LiDAR стреляет лазером из дронов, самолётов и спутников. В iPad Pro это работает по тому же принципу, но на “минималках”.
В iPad Pro стоит не один луч, а 1152 штук в шахматном порядке.
Расчёт сделал так. Судя по изображению в обзоре, айпэд выпускает лазеры в 9 секторов. В каждом по 8 точек на ряд, который дублируется по диагонали. Получаем 8*8*2*9=1152.
Лучи крупнее в диаметре и намного дальше друг от друга, чем в Face ID. Из-за этого планшет технически не сможет составить точную карту глубины, потому что не считывает волосы и даже крупные детали, например уши.
Вот почему портретного режима в нём нет.
Зато у LiDAR шире покрытие. В отличие от Face ID, работает это приблизительно так:
- 1. Излучатель бьёт дальше крупными точками
2. «Приёмник» их ловит
3. Процессор A12Z собирает из отметок полигоны
4. Из полигонов под разными углами составляется карта
Точный сенсор айпэда нужен везде. Развлечениям и образованию особенно
Пока система стоит в сравнительно непопулярном устройстве, ей мало кто будет пользоваться. Вот только парк AR-устройств уже огромный, компания зря время не теряли.
Всё те же люди продолжат использовать AR-приложения, просто чаще. Раньше текстуры прыгали друг на друга, а положение объектов неудачно отслеживалось.
- 1. Студенты и профессоры с приложением по анатомии
2. Дизайнеры квартир с быстрым составлением плана
3. Ритейлеры, вроде IKEA, которые удобно покажут свои товары
4. Музеи смогут рендерить в AR скульптуры, а не только картины
Это та часть, которая хоть как-то активна в дополненной реальности. Скорее всего, теперь к ней увереннее подключатся спорт и бьюти-сфера.
Apple такая же технологичная компания, как и все остальные. Бывает, что инновации не заходят в массы, как это было с 3D Touch, и их постепенно выпилывают. Но мне кажется, что LiDAR за следующие десятилетие взлетит до ключевой технологии.
В ближайшие годы сканер рискует стать стандартом из-за AR
Если у вас iPhone 7 или новее, откройте сайт Apple и активируйте режим дополненной реальности, например с iPad или MacBook Pro.
Этот опыт будет идеальным, чтобы люди начали включать игры и приложения не на один раз рад интереса, а пользовались ими постоянно.
А там и до звонков по FaceTime в стиле Звёздных Войн недалеко. Взгляните, к примеру, научились заменять на искусственный в iOS 13.
Дополненная реальность уже здесь, и у неё нет финала
То, что раньше было неудачным Kinect для XBOX, переродилось в киллер-фичу iOS
Пока я искал информацию для материала, заметил одну вещь. Большинство заголовков о развитии лидаров вышли в последние два года, и в основном в 2019-м. Видно, что индустрия плотно развивается, в ней около десятка конкурентов, и впереди много лет прогресса.
Бесконечные маски в Инстаграме, перебрасывающие сразу на сайт QR-метки, грядущие уведомления об опасных контактах от коллаборации Apple | Google.
В общем, реальности смешиваются и, как это бывает с прогрессом, незаметно для его участников. LiDAR может станет ступенью для осязания всего процесса.
Ходит много слухов о том, что грядущие iPhone 12 Pro тоже оснастят таким сенсором. С учётом потенциала и места для улучшения технологии, легко верю в то, что Apple лучше нас понимает важность лидара, а для использования AR сканер станет критичным параметром.
Как десяток ведущих компаний пытаются создать мощный и недорогой лидар
Лидар совершенно необходим для робомобилей – и вот, как работают некоторые из ведущих датчиков
Лидар, или световой радар, это технология, критически важная для создания робомобилей. Датчики предоставляют компьютеру трёхмерное облако точек, обозначающее окружающее автомобиль пространство, а его концепт помог командам выиграть конкурс DARPA Urban Challenge в 2007 году. С тех пор системы лидаров стали стандартом для робомобилей.
В последние годы были созданы десятки стартапов, работающих с лидарами, и соревнующимися с лидером индустрии Velodyne. Все они наобещали более приемлемые цены и улучшенную эффективность работы. В 2018 году журнал Ars уже делал подборку основных тенденций в индустрии лидаров, и описал, почему эксперты ожидали появления улучшенных и менее дорогих систем в ближайшие несколько лет. В той статье не было подробностей по поводу самих компаний – в основном потому, что они держали информацию о работе своей технологии в тайне.
Но за последний год я получал непрерывный поток рекламы, исходящей от разработчиков лидаров, и побеседовал с большим количеством их представителей. Журнал Ars находится на связи директорами, по меньшей мере, восьми таких компаний, а также с компаниями, занимающимися анализом индустрии или их клиентами. Всё это общение позволило составить неплохое представление не только о тенденциях индустрии лидаров, но и о технологиях и бизнес-тратегиях отдельных компаний.
Сегодня существует три основных отличия лидаров друг от друга. После описания этих возможностей будет легче понять технологии девяти ведущих компаний, разрабатывающих лидары.
Чтобы не раздувать зря статью, мы опишем независимые компании, которые в основном занимаются лидарами. Поэтому мы не будем описывать собственную технологию лидаров от Waymo, стартапы, работающие с лидарами, которые купили себе GM и Ford в 2017 году, или попытки разработки лидаров от более крупных компаний, таких, как Valeo (сделавшая лидар для моделей Audi 2018 и 2019 годов A7 и A8), Pioneer или Continental. Сложно выпытать у этих крупных компаний подробности об их технологиях, но и без них есть, что описать.
Три крупных фактора, отличающих лидары друг от друга
Базовая идея лидара проста: датчик испускает лазерные лучи в разных направлениях, и ждёт, пока их отражения вернутся. Скорость света известна, и время в пути туда и обратно даёт точную оценку расстояния.
И хотя базовая идея проста, детали усложняют всё очень быстро. Каждый изготовитель лидаров должен принять три базовых решения: как направлять лазер в разные стороны, как измерять время на путь туда и обратно, и свет какой частоты использовать. Мы рассмотрим каждое из них по очереди.
Технология управления лучом
Большинство ведущих лидаров используют один из четырёх методов направления лазерных лучей в разные стороны (две компании, Baraja и Cepton, сообщили, что используют другие технологии, которые они не объяснили):
Измерение расстояния
Лидар измеряет время, которое требуется свету для того, чтобы дойти до объекта, и отразиться от него. Есть три простых способа сделать это:
Длина волны лазера
Описанные в данной статье лидары используют один из трёх вариантов длин волн: 850, 905 или 1550 нм.
Этот выбор имеет значение по двум причинам. Одна из них – безопасность глаз. Жидкость внутри глаза прозрачна для света с длиной волны 850 и 905 нм, что позволяет свету дойти до сетчатки. Если лазер будет слишком мощным, он может причинить глазу непоправимый вред.
С другой стороны, глаз непрозрачен для излучения с длиной волны 1550 нм, что позволяет таким лидарам работать на большей мощности, не вредя сетчатке. Увеличение мощности позволяет увеличивать дальность действия.
Так почему же все не используют лазеры с длиной волны 1550 нм в лидарах? Детекторы, работающие с частотами 850 и 905 нм, можно создать на основе недорогих и распространённых кремниевых технологий. Для создания лидара с длиной волны 1550 нм требуется использовать экзотические и дорогие материалы, такие, как арсенид галлия-индия.
И хотя лазеры на 1550 нм могут работать с большей мощностью, не представляя угрозы для глаз, такие уровни мощности могут приводить к другим проблемам. На выставке CES в Лас-Вегасе в этом году один человек сообщил, что мощный лазер на 1550 нм в лидаре от AEye испортил ему камеру. И, конечно, лазеры большей мощности потребляют больше энергии, что уменьшает дальность хода и энергетическую эффективность машины.
Учтя всё это, давайте рассмотрим десятку ведущих разработчиков лидаров.
Velodyne
Три продукта Velodyne: Alpha Puck, Velarray и Veladome
Управление лучом: вращение.
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 905 нм
Velodyne изобрела современный трёхмерный лидар более десяти лет назад, и с тех пор доминирует на этом рынке. Характерные вращающиеся лидары компании часто используются в робомобилях, и компания, скорее всего, останется лидером рынка в 2019. Однако некоторые наблюдатели задаются вопросом, сможет ли компания поддерживать свою лидирующую позицию в последующие годы.
Касательно этих цифр представитель Velodyne ответил: «Мы не раскрываем стоимость продукции, однако, озвученные цены характерны для единичных продуктов. В закупках автомобильных масштабов цены существенно ниже, и мы активно поставляем автопроизводителям продукцию по низким ценам».
Некоторые критики утверждают, что у Velodyne были трудности с производством и качеством продукции.
«Деликатные движущиеся датчики лидара, являющиеся средством к существованию компании, оказалось сложно производить эффективно и с высоким качеством, и они могут быть раздражающе хрупкими при применении в автомобилях», писал недавно журналист Эд Нидермайер, цитируя источники сектора робомобилей.
Представитель компании поспорил с таким отзывом, утверждая, что Velodyne «за годы работы довела науку изготовления этих датчиков в больших количествах до совершенства», и что «было доказано, что они выдерживают жёсткие условия эксплуатации в автомобилях».
Недавно Velodyne подписала лицензионный договор с Veoneer, известной компанией в цепочки поставок автомобильных запчастей. У Veoneer есть большой опыт создания компонентов, удовлетворяющих стандартам качества автомобильных компаний, и у неё могут появиться идеи о внесении изменений в классический дизайн Velodyne с целью улучшения качества и уменьшения цены продукта. Однако им нужно действовать быстро, поскольку целый ряд других компаний уже нацелился на место лидера.
Luminar
Управление лучом: механическое сканирование
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 1550 нм
Многие считают Luminar одним из главных соперников Velodyne. Компания занимается этим бизнесом с 2012 года, и в прошлом году начала производство лидаров в больших количествах. Компания утверждает, что качество её продукции находится на высшем уровне.
В прошлом году в ответ на наши расспросы о Luminar президент компании Velodyne Марта Холл указала нам на серьёзный недостаток лидаров от Luminar – большое энергопотребление. Это особенно важно, поскольку лидары от Luminar представляют собой фиксированные датчики с полем зрения в 120 градусов. Это значит, что для обеспечения просмотра всех 360 градусов потребуется четыре прибора от Luminar (с учётом наложения их полей зрения), вместо всего одного от Velodyne или Ouster. Однако затем в письме представитель Luminar ответил, что последняя версия их лидара значительно уменьшила потребление энергии по сравнению с ранними моделями, и потребляет «на круг примерно 50 Вт».
Также Luminar ничего не сообщает по поводу цен. В прошлом мае директор Luminar Остин Рассел рассказал нам, что их лидар должен будет «подешеветь до нескольких тысяч долларов», чтобы суметь состязаться на потребительском рынке, и что этот вопрос для компании «не является проблемой». Однако из этого следует, что в то время стоимость приборов получалась значительно выше нескольких тысяч.
Luminar опережает многих изготовителей лидаров в области реальных поставок, поскольку начала массовое производство более девяти месяцев назад. За последние 18 месяцев Luminar сумела заключить партнёрские соглашения с компаниями Toyota, Volkswagen и Volvo.
В недавнем интервью Рассел указал на эти сделки, назвав их крупнейшими конкурентными преимуществами компании. Он сказал мне, что крупнейшие компании разрабатывают робомобили на основе лидаров от Luminar, и им дорого обойдётся переход на продукцию конкурентов в будущем.
Управление лучом: механическое сканирование
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 1550 нм
У AEye много общего с Luminar. Она использует механическое сканирующее зеркало для управления лучами. Она использует лазер безопасной для глаз длины волны 1550 нм, позволяя ему работать на больших уровнях энергии. В результате у лидара от AEye впечатляющие характеристики по дальности. AEye говорит, что их лидар может видеть на расстоянии вплоть до 1000 м – это гораздо больше, чем те 200-300 м, которыми хвастаются самые дорогие устройства.
В декабрьском интервью директор AEye Люис Дюссан расхваливал высокоэнергетические импульсы, которые способны выдавать волоконные лазеры лидара AEye. Он сказал, что многие лидары конкурентов основаны на диодных лазерах, «ограниченных мощностью в 100-150 Вт. Волоконные лазеры могут доходить до 100 000 Вт – очень короткий импульс, большое количество сигнала».
Большая энергия позволяет увеличивать расстояние, но у неё есть и свои недостатки. В этом году на выставке CES в Лас-Вегас один человек рассказал журналу Ars, что его дорогая камера оказалась испорченной, когда он сделал фотографию лидара от AEye. Глаза заполнены жидкостью, непроницаемой для волн длиной 1550 нм. А камеры – нет. Видимо, мощный лазер AEye попал на хрупкую матрицу фотокамеры.
В заявлении для журнала Ars компания AEye описала повреждение камеры как проблему, присущую всей индустрии. Но Ангус Пакала, директор конкурирующей компании Ouster, спорит с этим. Он писал: «Наши сенсоры безопасны для глаз и камер. И точка». Luminar сообщила, что «мы провели всесторонние испытания с той же камерой с теми же линзами и с теми же настройками, что были у повреждённой на CES, и не смогли причинить ей вреда» при помощи лидара от Luminar.
Большинство лидаров используют фиксированную схему сканирования. Лидар AEye использует другой подход, который компания называет «подвижным сканированием». Схему сканирования AEye можно настроить программно и менять динамически. Согласно Дюссану, подвижная схема сканирования работает с гибкостью волоконного лазера. «От снимка к снимку можно контролировать энергию импульсов», — сказал он Ars. ПО управляет не только тем, когда произойдёт следующее измерение, но и тем, сколько энергии будет использовано – и, следовательно, какое расстояние будет измерено в следующий раз.
В результате, когда лидар замечает далеко находящийся объект, он может увеличить разрешение сканирования и уровень энергии в данной части изображения, и получить больше точек данных. В итоге может получиться скан с высоким разрешением, который поможет различить пешехода, мотоцикл или габаритный мусор, оставшийся на дороге.
С другой стороны, существует опасность чрезмерной оптимизации. Если лидар будет тратить много времени на сканирование уже распознанных объектов, возникает опасность, что на систематическое сканирование времени останется слишком мало, из-за чего он пропустит другие объекты.
Ouster
Управление лучом: вращение
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 850 нм
На первый взгляд, лидар от Ouster выглядит очень похоже на Velodyne. Это вращающиеся системы, измеряющие время импульсов в пути, и обе компании продают приборы с 16, 64 и 128-ю лазерами. И это не совпадение: Ouster специально разрабатывала продукцию так, чтобы её можно было использовать для замены приборов от Velodyne, поскольку многие потенциальные клиенты освоились с их классическим форм-фактором.
Ouster может запихнуть 64 лазера на чип, используя поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL) — в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности. Поскольку VCSEL излучают перпендикулярно поверхности подложки, много лазеров можно разместить на полупроводниковом кристалле. Технология уже давно используется в таких пользовательских приложениях, как компьютерные мыши, но она всегда считалась недостаточно мощной для использования в лидаре. В Ouster говорят, что придумали, как создать лидар высокой эффективности при помощи VCSEL.
Ouster использует ещё одну полупроводниковую технологию, диоды однофотонного каскада (SPAD), чтобы обнаруживать возвратившийся свет. Как и VCSEL, SPAD можно изготовить при помощи стандартных технологий производства кремниевых чипов, и в один кристалл можно запихнуть много SPAD. Благодаря этому Ouster было довольно несложно перейти с 64-лазерных приборов в прошлом году на 128-лазерные, анонс которых состоялся в январе, а поставки начнутся летом. Компании просто пришлось заменить в старой модели чипы с 64 лазерами и 64 детекторами на новые 128-е чипы.
И обновление с 64 до 128 лазеров – это только начало, утверждает директор Ангус Пакала. Он рассчитывает, что за несколько лет компания представит лидары, в распоряжении которых будут тысячи – а, возможно, и миллионы – лазеров VCSEL и детекторов SPAD.
Пока что Ouster концентрируется на создании одномерных массивов лазеров для использования во вращающемся датчике, похожем на устройства от Velodyne. Но Пакала говорит, что ту же технику можно использовать и для создания двумерных массивов из лазеров и детекторов – наподобие матрицы в фотоаппарате. Это может привести к созданию нового класса лидаров на основе вспышек, где каждый «пиксель» будет обслуживать своей парой лазер-детектор. В результате у лидара будут преимущества вспышки – никаких движущихся частей, возможность воспринять «кадр» сразу и целиком – без жертв дальности обычного лидара.
Суть стратегии Ouster заключается в том, чтобы использовать в своих интересах промышленную базу потребительской электроники, в которой VCSEL уже используются в компьютерных мышках, для дальномеров у камер смартфонов, и в других областях. Пакала утверждает, что VCSEL ещё есть куда улучшать по таким параметрам, как яркость, стоимость и энергоэффективность. А все улучшения технологий VCSEL (и SPAD) будут автоматически работать на руку Ouster.
Blackmore
Управление лучом: механическое сканирование.
Измерение расстояний: непрерывное излучение с частотной модуляцией.
Длина волны: 1550 нм
Как и Ouster, Blackmore надеется использовать в своих целях развёрнутую инфраструктуру полупроводниковой промышленности. Однако её интересует индустрия оптических коммуникаций, а не потребительской электроники.
На первый взгляд, лидары и устройства оптической связи отличаются друг от друга, но на самом деле у них больше общего, чем можно было представить. Они отправляют информацию, закодированную в свете, улавливают свет позже и извлекают информацию из него.
«Оптический слой Blackmore создан на основе стандартных компонентов для оптоволоконной связи», — написано на сайте компании. «Пользуясь наработанными за десятилетия решениями в области оптоволоконной связи, мы с уверенностью заявляем, что наши схемы масштабируемы и надёжны».
Практически во всех других аспектах лидар Blackmore удивительно сильно отличается от продукции компаний Ouster и Velodyne. Вместо вращения на 360 градусов, лидар зафиксирован с полем зрения в 120 градусов по горизонтали и 30 градусов по вертикали. Он использует непрерывное излучение с частотной модуляцией для измерения расстояний, что позволяет измерять и скорость объектов.
Baraja
Управление лучом: спектроскопическое сканирование.
Измерение расстояний: непрерывное излучение с амплитудной модуляцией.
Длина волны: 1550 нм
Baraja – один из самых необычных стартапов, о которых я рассказывал в прошлом году – и один из наиболее таинственных.
У большинства лидаров поле зрения составляет 120 градусов или меньше, что означает необходимость покупать не менее четырёх штук для обеспечения полного покрытия 360 градусов. Это может выйти дорого, а также требует расстановки хрупкой электроники по краям машины, где её очень легко повредить.
Идея Baraja состоит в том, чтобы переместить всю хрупкую электронику в багажник. Находящийся там обработчик сигналов соединяется по оптоволокну с четырьмя дешёвыми и прочными головками датчиков, которые можно разместить снаружи машины.
В интервью прошлым летом директор компании Федерико Колларте сказал мне, что четыре головки датчиков «состоят, по сути, из кремниевого стекла. Они дёшевы, надёжны, хорошо выдерживают стихии. В случае аварии нужно будет просто заменить головку датчика».
Привлекательная идея. Проблема в том, что я не могу сообразить, как она будет работать – и не смог убедить Колларте пояснить мне её в деталях.
Baraja описывает свой лидар как «лидар спектроскопического сканирования», что означает, что лучи лазеров управляются изменением частоты света, проходящего через призму. Просто представить, как можно управлять таким лучом в одном измерении, но сложно понять, как достичь двумерного управления».
Когда я спросил об этом Колларте, он сказал: «Для второго измерения мы используем тот же концепт спектрального сканирования. И у нас ещё есть вспомогательная механическая система».
Он добавил, что эта система не включает в себя ни зеркала, ни вращающиеся лазеры. Он сказал, что она «использует такую же призматическую оптику – этот момент мы всё ещё держим в секрете».
Также Baraja остаётся единственной компанией из тех, с кем мы общались, использующей непрерывное излучение с амплитудной модуляцией для измерения расстояний. Колларте рассказал нам, что одним из преимуществ такого подхода является то, что «для отдельных импульсов не требуется больших энергий». Некоторые оптические компоненты могут повредиться из-за скачков энергии, и их отсутствие даёт инженерам гибкость в использовании более широкого спектра вариантов — что потенциально позволит создать менее дорогую и более надёжную технологию.
Колларте говорит, что Baraja (как и Blackmore) старается «перенести компоненты и технологии из оптических телекоммуникаций», где большая экономия на масштабе позволяет удерживать стоимость продукта на низком уровне. Baraja, судя по всему, находится на ранних этапах коммерциализации, но Колларте говорит, что при производстве сотен тысяч устройств компания рассчитывает снизить их стоимость до «нескольких сотен» долларов.
Quanergy
Управление лучом: Активная фазированная антенная решетка.
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 905 нм
«У Quanergy, судя по всему, с трудом получается заставить датчики работать на нужных дистанциях», — сказал в интервью Сэм Абулсамид, аналитик из компании Navigant.
Quanergy – одна из немногих компаний, делающих лидары по технологии активной фазированной антенной решетки. Как было указано в пояснении к концепции 2017 года:
Фазированная решётка – это ряд передатчиков, способных менять направление электромагнитного луча, подстраивая относительную фазу сигнала от одного передатчика к другому.
Если все передатчики синхронно излучают электромагнитные волны, луч отправится прямо, т.е., перпендикулярно массиву. Чтобы отклонить луч влево, передатчики сдвигают фазу сигнала отправляемого каждой антенной, и сигнал от передатчиков слева оказывается позади сигнала передатчиков справа. Для отклонения луча вправо решётка совершает противоположное действие, сдвигая фазу самых левых элементов вперёд по отношению к правым.
Такая технология десятилетиями использовалась в радарах, где передатчиками служат антенны радаров. Оптические фазированные решётки применяют тот же принцип к свету, упаковывая массив лазеров на достаточно небольшом чипе.
Если бы Quanergy удалось заставить эту технологию хорошо работать, у неё была бы масса преимуществ. При отсутствии движущихся частей твердотельное устройство могло бы быть дешёвым, надёжным и универсальным. Лидар от Quanergy, как и прибор от AEye, настраивается программно и динамически переключается между разрешением и скоростью обновления.
Но у Quanergy нет особенных успехов на рынке. В ноябрьском интервью директор Луэй Эльдада сказал, что «мы проходим нужные этапы, мы идём по графику». Но есть причины сомневаться в этом. К примеру, Ангус Пакала был сооснователем Quanergy до того, как уйти и основать компанию Ouster в 2015-м.
Абульсамид указывает на недавний интерес Quanergy к использованию лидаров в промышленной безопасности – в этой области применения не требуются такие расстояния, как у робомобилей. Эльдада сказал мне, что теперь у Quanergy появился более типичный лидар с механическим наведением, предназначенный для рынка безопасности.
Cepton
Управление лучом: проприетарная технология микродвижений.
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 905 нм
Полностью автоматические робомобили – наиболее требовательная область применения лидаров, и пока что я в основном описывал продукты, нацеленные на этот рынок. Но Cepton – пример уважаемого производителя лидаров, в основном нацеленного на использование их технологии в передовых вспомогательных системах для водителей (ADAS). Сегодняшние системы ADAS используют радары и камеры для контроля полосы и динамического круиз-контроля. Но все ждут от автопроизводителей появления лидаров на машинах будущего, которые смогут обеспечить более сложные ADAS-системы.
Проблема в том, что, как мы увидели, лучшие лидары стоят десятки тысяч долларов, и эта ситуация может не поменяться даже при их производстве в промышленных масштабах. Поэтому такие компании, как Cepton, нацеливаются на производство лидаров средней дальности, достаточно доступных для их включения в автомобили, которые будут выпускать уже через несколько лет.
И когда я спросил директора Cepton Джун Пей о лидаре дальнего действия, требуемого для робомобилей, он открестился от этого рынка, сказав, что не думает, что клиенты начнут запрашивать подобные устройства в больших количествах «в обозримом будущем».
Вместо этого Cepton сконцентрировалась на рынке ADAS, где уже начинают заключать сделки на крупные объёмы поставок. Cepton утверждает, что её конкурентным преимуществом является цена.
Пей сказал мне, что технология микродвижения, управляющая лучом, уникальна для этой индустрии. Традиционные МЭМС используют для перенаправления света крохотное механически перемещающееся зеркальце. Но Пей говорит, что Cepton использует «очень проприетарный оптический дизайн, устраняющий зеркальце, но всё равно способный получать картинку высокого разрешения». Он также описал его, как «небольшую вибрационную систему, работающую по принципу динамика» – но отказался раскрывать подробности.
Innoviz
Управление лучом: механическое сканирование.
Измерение расстояний: время в пути.
Длина волны: 905 нм
Innoviz, как и Cepton, в основном концентрируется на сделках большого объёма с автопроизводителями. Она торгует доступными лидарами средней дальности, подходящими для использования в ADAS. И весьма успешно.
В прошлом апреле BMW объявила о планах установить лидар от Innoviz в свои автомобили в 2021 модельном году. Также в этом партнёрстве участвует Magna, известный поставщик, который поможет с логистикой, необходимой для установки готовой запчасти в тысячи автомобилей.
Автопроизводители экспериментируют со многими технологиями лидаров, поэтому многие их изготовители могут похвастать заключением сделок с OEM-производителями. Но сделка BMW выделяет Innoviz на фоне остальных конкурентов – BMW, судя по всему, серьёзно настроена на установку их лидаров в автомобили для продажи, а не просто покупает эти устройства для испытаний на прототипах.
В производстве автомобилей сроки освоения новой продукции весьма велики, поэтому Innoviz будет чем заняться в ближайшие несколько лет, и, конечно, одна заключённая сделка позволит Innoviz заключать новые сделки в будущем. Он полон оптимизма касательно этой сделки».
Сделка с BMW, судя по всему, будет использоваться для реализации ADAS, но у Innoviz есть амбиции и в области робомобилей. В последней своей модели InnovizOne компания хвастается дальностью до 200 метров с объектами с 50% отражающей способностью и полем зрения в 120 градусов.