iPad首发DToF技术背后：苹果AR生态落地前的“小算盘”

（高靖宇/文）激光雷达(LiDAR)一向是汽车自动驾驶技术实现的主要部件之一,然而没有料到的是，它竟被苹果装进了新款的iPad Pro 上。

3 月 18 日晚，苹果官方悄悄上新了 iPad Pro、MacBook Air 和 Mac mini 等数款新品。

其中新款 iPad Pro最主要的硬件升级并非身后的“浴霸双摄”，而是摄像头旁搭载的dToF激光雷达，iPad Pro因此成为了苹果 ToF技术的首发平台。

我们都知道,苹果每一项技术的应用不是随便搞个噱头出来，Touch ID、Face ID等新技术都改变了整个行业。那么，iPad Pro引入的激光雷达技术到底是什么？背后又有何玄机？

DTOF激光雷达到底是啥黑科技?

iPad Pro上所搭载的激光雷达（Light Detection And Ranging）其实和手机上采用的ToF摄像头都属于雷达技术，以飞行时间距离（Time of Flight，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。

但是，不同的雷达发射的光波都不一样，所获得的图像分辨率和清晰度也有差别。

手机通常采用的 ToF 技术选用的雷达波长，发射的也属于红外面光源，接收到的是 平面信息，成像精度有限，仍然无法捕捉高精度动 3D 图像。而iPad Pro 选用的激光雷达，其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，精度更高。

▲ TOF 相机工作原理

▲通过ToF获得的物体距离和 信息图

此外，激光雷达发射的光波存在两种调制方式：直接飞行时间（Direct-ToF）测量和间接飞行时间（Indirect-ToF）测量，直接测距，是通过发射、接收光并测量光子飞行时间，直接计算确定距离，而非直接测距iToF，是通过测量发射波形和接收波形间的相位差来换算，从而确定距离，直接测距拥有响应快、功耗低等优势。

苹果iPad Pro用的就是DToF，而华为Mate30、vivo NEX等机型用的是iToF。DToF相比于iToF在性能上要好很多，但在生产工艺上也更复杂。

由于采用DToF方法，iPad Pro背部的激光雷达将能解决直接测距面临的低时间分辨率难题，达ps（皮秒）级时间分辨率，精度也不会随距离拉远有大的衰减。换句话说，iPad Pro的ToF相机性能将提升的不是一点半点，它带来了一颗进化版的ToF镜头，AR体验的精准度、流畅度将大大提高，功耗也会大大降低。

苹果为AR生态落地打“小算盘”

苹果引入DTOF激光雷达技术并非为了拍照，而是有自己的“小算盘”。

苹果表示，支持 ARKit 的应用程序都将自动获得 LiDAR 所能提供的特性，并且能极大地缩短 AR 建模的速度，提高测量精度，降低抖动、错位的情况。

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 iPad Pro 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 (Hot Lava)》，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，iPad Pro 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 Complete anatomy，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。

据媒体透露，苹果的规划应该是通过DToF激光雷达扫描仪和iPadOS软硬一体，把新iPad Pro打造成集开发AR和体验AR的工具。以此来吸引那些AR应用开发的程序员使用iPad Pro来进行调试和编写AR应用。

有消息称，苹果今年下半年将要推出带有ToF功能的iPhone12， 苹果如意算盘应该是将iPad和iPhone组合起来，增强ＡＲ硬件和应用，逐步苹丰富苹果的AR生态。

AR行业“新风向”来了?

在5G时代到来之际，5G除了会带来极高的网速之外，还会促进部分生态发展成熟，这其中就包括AR。从技术角度讲，AR结合未来体感技术的加持，将为用户打造“真实的虚拟世界”。而这，很可能将使AR在5G时代焕发出新的活力，成为5G时代的一个全新增长点。

事实上，早于5G商用之前，业界就已经有包括华为、vivo、OPPO、三星、LG、索尼在内的多家手机品牌，已经先后展示或者推出了他们基于ToF技术的机型。

2018年，OPPO在R17 Pro上首次搭载了TOF 3D立体摄像头。紧接着vivo在vivo NEX双屏版上搭载了3D TOF摄像头；荣耀也推出了搭载3D TOF立体摄像头的V20。

2019年，搭载TOF的新机开始明显增加。根据统计的数据显示，华为、三星、LG这几家手机厂商均有搭载TOF，其中三星在S10 5G版中前后均采用了TOF摄像头，同时三星在NOTE系列和A系列中也采用了TOF摄像头。华为Mate 30 Pro也均采用了TOF摄像头。

进入2020年，TOF镜头在手机端的渗透率有望进一步提升。有业内人士预测， 2020年全球TOF手机的出货量将达到1.5亿台，而2021年预估将达到5亿台。

然而在TOF手机“表面繁荣”的背后，我们不能忽略的是，当前在AR依然缺少“杀手级”的消费应用，成为AR产业发展的一个掣肘。目前，手机厂商正在积极组建自己的AR生态。

早在2017年WWDC上，苹果就发布了ARKit开发工具，可以让开发者为iOS设备开发AR应用。苹果官方表示，已经向开发者释出 iPad Pro 的 ARKit，并预告在今年稍后带来对应的 AR 应用，涵盖生活、医学、游戏、建筑等不同方向的应用。

华为布局手机AR的核心优势是软硬件整合。华为于2018年6月发布AR Engine，并针对麒麟芯片的DSP（数字处理信号）和NPU进行算法加速。在开发者生态层面，华为还牵头制定了AR/VR的API接口标准，以完善开发者支持。

▲华为Mate30演示AR技术看车

OPPO也在2018年便组建了ARUnit平台，针对开发者设立的能力引擎，该平台已经升级至2.0版本，全新加入了空间计算能力、环境理解升级、多人AR云和手势骨骼识别功能。OPPO想要做的就是通过开放性的方式整合各方面的力量，让自身的AR体验增强，以便于普及手机AR功能。

▲OPPO开发的王者荣耀AR相机

随着TOF镜头的升级优化、AR生态打通以及基于5G确定性网络的业务体验保障, 用户对于AR的需求也会逐渐释放出来，相信未来手机上的AR体验能带来更多的惊喜。

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