新款iPad Pro“背后”暗藏玄机：激光雷达还能这么小
文/徐丹编辑/四月
来源：机器之能(ID:almosthuman2017)
一般情况下，激光雷达主要用于测绘学、遥感、机器人视觉、无人驾驶等需要精密测量的领域，同时也是美国航空航天局火星测绘的选定技术。
没有料到的是，它进入大众视野竟然是在iPadPro上，苹果将这一高精尖半导体技术大规模商用，同时将其缩减到如此小的体积，并引入一款成熟数码产品中，足以见其在精密仪器领域的技术储备和工艺保障。
在测量方式上，iPadPro采用了直接飞行时间dToF(Direct-ToF)，需要高精密时钟进行从测量且需要产生短时间、高频率、高强度的激光，对硬件要求比较高。相应地，ToF的硬件要求较低，所以目前大多厂商在红外ToF里大多采用后者，比如华为Mate、OPPO等。
未来，红外ToF将逐步向激光雷达过渡，而这个开头由苹果开始。
3月18日晚，苹果官方悄悄上新了iPadPro、MacBookAir和Macmini等数款新品。
其中新款iPadPro已经在天猫AppleStore官方旗舰店开启预热，6299元起售，并参与12期分期免息。时隔近两年，iPadPro系列终于迎来更新。
新版iPadPro将运行iPadOS13系统，配备A12Z仿生芯片和8核图片处理器，并且针对散热架构和性能控制进行了加强，支持大型游戏、3D设计和4k视频剪辑。
同iPadPro一起发布的还有MagicKeyboard键盘，以标准的1mm间隙设计，带有触控板和夜间反光功能，并采用悬浮式设计，可以支撑屏幕，加强了办公属性。
最惹眼的变化还是身后的“浴霸双摄”，包括可以同时运行的1200万像素广角摄像头和1200万像素超广角摄像头。
不管是功能设计还是海报，iPadPro都印证了那句产品标语“代替笔记本电脑”。
然而，此次iPadPro最大的变革并不仅仅在于硬件升级或者像素提升，而是摄像头旁搭载的那颗激光雷达。
这个原本用于航天、测绘、自动驾驶的高精尖技术如今“下凡”到了iPadPro上，真正推动了AR技术的落地。
一
和GooglePixel
华为Mate、OPPO都不一样
iPadPro上所搭载的激光雷达(LightDetectionAndRanging)属于3D感知技术的一种，它与之前在GooglePixel4上搭载的用于手势识别的毫米波雷达(millimeterwaveradar)和目前OPPO、华为等应用在手机摄像中的ToF技术都不同。
虽然三者都属于雷达技术，以飞行时间距离(TimeofFlight，飞行时间)捕捉3D图像。主要原理是利用雷达发射光波，光波遇到不可穿透物体会发生反射，通过记录反射光到达接收器的时间，便能快速计算出光源与物体的距离，由此便得到一张被测物体的3D图像。
雷达技术具有抗干扰性强、FPS刷新率高的特点，所以多被应用在动态动作捕捉。
但是，不同的雷达发射的光波都不一样，从毫米波雷达到相机ToF再到激光雷达，光源波长正在变得越来越短，频率越来越高。根据雷达原理，频率越高，分辨率就越高，雷达图像也就越清晰。
毫米波雷达的光源波长最长，接收到的3D图像也最模糊，在实际应用中，GooglePixel4也仅能支持简单的手势识别。
手机通常采用的ToF技术选用的雷达波长比毫米波雷达更短，但发射的也属于红外面光源，接收到的是深度平面信息，成像精度虽有提升，但仍然无法捕捉高精度动3D图像，实际应用有限。
以华为mate30为例，这款手机前后摄像头都搭载了ToF技术，目前可支持的是AI凌空操作，比如凌空截取图片、上下挥手浏览页面等，AR技术的运用并不成熟。
华为mate30手势感应华为mate30手势感应
此次iPadPro选用的激光雷达是可以说升级版的手机ToF技术。特制的激光雷达发射的是脉冲红外激光，接收单点位置，形成点云图后再变成三维模型，精度非常高。
和传统的雷达一样，为了利用光的飞行时间(TimeofFlight，ToF)测距，激光雷达发射的光波也存在两种调制方式：脉冲调制和连续波调制。
对应的两种测量方式分别是直接飞行时间(Direct-ToF)和间接飞行测量(Indirect-ToF)。
由于dToF需要高精密时钟进行从测量且需要产生短时间、高频率、高强度的激光，所以对硬件要求比较高。对应地，ToF的硬件要求较低，所以目前大多厂商在红外ToF里大多采用后者，未来，红外ToF将逐步向激光雷达过渡，而这个开头由苹果开始。
目前，激光雷达主要用于测绘学、遥感、机器人视觉、无人驾驶等领域，也是美国航空航天局火星测绘的选定技术。
没有料到的是，它进入大众视野竟然是在iPadPro上，苹果将这一高精尖半导体技术大规模商用，同时将其缩减到如此小的体积，并引入一款成熟数码产品中，足以见其在精密仪器领域的技术储备和工艺保障。
二
高精尖技术下凡，为什么是苹果?
从应用效果看，iPadPro搭载激光雷达后可真正支持AR技术的落地。苹果给出了三个典型场景：AR量身高、AR游戏和宜家的AR家庭装修。
比如iPadPro的激光雷达扫描仪可以把客厅变成一个现实增强(AR)版的《炽热熔岩(HotLava)》，这是一款电子游戏，其根据儿童的娱乐活动设计而出，玩具可以跳到家具上以此来避开模拟中的地板熔岩。
此外，通过调用CAD应用Shapr3D，iPadPro的激光雷达可以扫描房间创建该房间的3D模型，然后用户可以对该模型展开编辑、将新对象添加到房间中并使用AR查看实际房间中添加的对象。
而解剖学应用Completeanatomy，通过使用激光雷达扫描仪实时测量出某人手臂的运动范围。宜家Place应用也可以通过苹果的这项功能扫描一个房间然后获得与之匹配的家具推荐，用户可以在AR中查看摆上去的效果。
率先将ToF技术应用在手机相机技术中的是国内的厂商，但真正将其升级，并达到更好优良AR体验的为什么还是苹果?
苹果与激光雷达的渊源从它入局自动驾驶领域时就已经开始。
早在2014年，苹果便以重资产模式入局造车，推出“泰坦计划”，计划复刻iPhone的成功，从零开始打造一款颠覆汽车行业的产品，并为此频繁挖角电动车领域技术工程师。但因为缺乏相关经验，苹果在这条赛道上走得磕磕绊绊，战略目标由整车制造变为自动驾驶技术研究，后又调整到驾驶辅助技术研究。
到2019年，苹果的驾驶辅助技术研究有了一定突破。当时的外媒报道，苹果正准备设计一款能建立起道路三维远景图的的激光雷达传感器，若设计成功，这将为自动驾驶提供更安全且全方位的保障。目前，苹果已经与至少四家公司进行了谈判，意在寻找比目前技术所能实现的更小型、更便宜、更易量产的激光雷达设备。
同年，苹果还收购前百度首席科学家吴恩达团队的自动驾驶公司Drive.ai，该公司的主要发力点是自动驾驶后装市场，通过提供激光雷达等硬件套件，将车辆改装为自动驾驶汽车。
虽然自动驾驶领域的研究成果一直尚未落地，但这方面的研究一定程度上有利于苹果在激光雷达上的技术创新和供应链积累。
值得注意的是，苹果并未将已有的激光雷达技术在自动驾驶方向死磕，早在2018年，苹果就申请了相关专利，意在将这项高精尖技术融入日常使用的电子设备中。
2018年年初，一家名为TriLumina的公司开发出了VCSEL技术，VCSEL是vertical-cavitysurface-emittinglaser的缩写，是指垂直腔面发射激光器。这种发射器生产成本较低、光束质量更高，输出功率较低，可应用在激光雷达上。
当大多数人认为，激光雷达系统仅与自动驾驶汽车和景观测绘有关时，TriLumina提出，当激光雷达和VSCEL相结合，便可以应用于混合现实耳机、ToF摄像头和AR等新产品上。
苹果的专利主题就是激光雷达与VCSEL技术相结合，专注于改进激光雷达传感器及其使用方法。
苹果专利图解苹果专利图解
在苹果申请专利的具体案例中，目标场景被一束或多束光所照亮和扫描。在本发明使用多光束的案例中，这些光束是利用衍射光学元件(DOE)、棱镜、分束器或该领域中已知的其他光学元件来分裂光束，从而形成多光束。其他案例的多光束通常是利用多个分立激光光源产生。本发明案例中，多光束由如VCSEL或VCSEL阵列等单片激光阵列所产生。
这个专利技术很大程度上帮助了今天搭载激光雷达的iPadPro产品的诞生。
三
压宝iPadPro，苹果意欲何为?
当国内的手机厂商将ToF技术用于手机上时，围绕AR应用场景的技术竞争就已经开始。
当智能设备外观创新、硬件升级等都到达瓶颈期，下一波移动终端或许将是围绕AR进行革命性创新。
数据显示，经过几年的发展，AR市场有望在近年迎来一次大爆发。
根据IDC预计，未来随着AR技术的成熟，AR产品单价的下降，AR市场将会迎来新的爆发，未来全球AR市场将以超过69%的年均复合增速增长，到2024年，全球增强现实行业市场规模将达到2872亿元。5G技术的应用也可能会让爆发节点提前来到。
AR一直是苹果业务中的重点。
从2020Q1财报看，苹果在业务分布上有“去iPhone化”趋势，虽然iPhone11的销售数据不错，但iPhone占收入比重低达占60.94%，是近10年来Q1记录里的新低，新的增长引擎就是可穿戴设备和智能配件。基于此考虑，苹果未来可能会加大在AR方面的投入和布局。
当然，竞争对手们也都没有闲着，这几年，Facebook、微软、索尼等巨头公司都在布局AR市场，华为和OPPO将ToF技术用在摄像中可能也不仅仅只想让它局限在“食之无味，弃之可惜”的隔空手势感应方面，华为在早期对ToF的介绍中就对它在AR方面的应用寄予厚望，只是限于技术瓶颈并没有实现。
在这种情况下，谁先将AR推入千家万户，建立用户认知，谁就能率先抢占市场。所以，苹果选择了iPadPro。
以往苹果在AR方向的投入主要是AR眼镜、iwatch等，这些设备的应用场景大多局限在技术发烧友中，很难普及到千家万户。而iPad系列产品则是针对用户休闲需求开发，应用场景广泛且屏幕大，游戏和影视体验都比iPhone更好，是搭载VR技术的绝佳载体。
而在iPad系列产品中，iPadPro更加强调专业性，功能定位于喜爱电子产品，追求高性能或有职业需求的人群，这类人群会更容易接受新技术。再加上Pro系列已有两年未更新，成了一个鸡肋的存在，AR会是挽救它的一个重要武器。
在看苹果在AR市场布局，雷达扫描仪构建了技术护城河，价格适中的iPadPro将VR推向千家万户，很容易引导公众习惯，让用户喜欢上苹果AR软件。以iPadPro为契机，该技术后续可能会逐渐拓展至iPhone上，并给自家AR眼镜积累软件和用户。
四
苹果的出现对激光雷达市场意味着什么?
除了推动AR技术的成熟，iPadPro的出现对整个激光雷达市场都有革命性的影响。
直到今天，激光雷达技术一直都局限在自动驾驶汽车、环保、气象、生态、农业、海洋和测绘等领域，商用的情况非常少，市场一直处在缓慢增长的形势中。2017-2022年间全球激光雷达行业规模复合增速25.8%，到2022年全球激光雷达市场规模超52亿美元。
市场规模不大，激光雷达技术创新也有限，目前为止能实现量产的公司非常少。以自动驾驶领域看，据前瞻经济学人预测：
按2020年汽车年销量1亿台，每台低配(4线或更低)激光雷达价格150美元、每套系统使用一个激光雷达计算，市场缺口达13.5亿美元，在中短期内激光雷达产量将决定市场空间。
iPadPro将激光雷达商用以后，以每年巨大的销量，必将迅速催熟整个产业链条，刺激消费和生产，促进激光雷达技术的普及。无论如何，iPadPro的出现，说明AR时代真的不远了。
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