手机：有了激光雷达，我的眼睛就是尺！

随着智能手机的普及，生活中的点点滴滴，只需要轻点手机屏幕就能轻松记录。然而，当我们看着手机拍摄的一张张照片时，总会觉得照片有些不对劲，用一个词来描述就是——单薄。
我们生活的世界是丰富多彩且立体的，但拍出来的照片却是一个二维的平面，相比于真实场景，照片往往会损失许多信息。不仅如此，手机拍摄的图片有时还会出现视觉错位的现象，比如下面这张图：

“道理我都懂，但是为什么这个鸽子这么大？”
（图片来源：论坛截图）
所以，为了能让照片里的物体形象立体起来，激光雷达应运而生，有了它你就能轻轻松松在二维平面中get一个三维模型啦～

激光雷达帮你快速感知物体大小
人类依靠双眼来观察这个世界，但你可能不知道的是，我们的两只眼睛接收到的图像是存在差异的。
下面不妨一起来做个小实验，首先交替眨眨你的左右眼，然后仔细观察左右眼看到的物体，这时你会明显察觉到左右眼成像的差别，一般来说物体离眼睛越近，左右眼观察到的差异越大。
这是因为根据双眼之间的视觉差异，大脑会为我们“脑补”出一个立体的世界，使得我们能够轻松感知物体的大小和物体之间的位置关系。
那么，能不能让手机也拥有感知三维物体尺寸的能力呢？
当然没问题，你只需要给手机装上激光雷达就行。加上激光雷达后，手机也能探测三维空间信息，这能为我们带来更加丰富的体验。比如，拿手机来当尺子。在手机配备激光雷达之前，测量物体尺寸功能虽然也存在，但是精度差强人意，有了激光雷达之后，测量精度将大大提高。

拿手机摄像头测量出的键盘尺寸与实际尺寸差了2厘米，误差比较大；拿搭载了激光雷达的手机测量时，误差小于0.3厘米
（图源：作者自制）
除此之外，还能直接给物体建模，把模型存到手机里。

利用搭载了激光雷达的手机扫描汽车
（图源：3D Scanner）

扫描后建成的模型
（图源：3D Scanner）
有了这个功能，遇到想要记录的小玩意就能轻松地建立一个三维模型。比如给家里的冰墩墩做个数字模型，这样就能随时跟朋友炫耀分享自己的冰墩墩。
那么手机是如何利用激光雷达来测量物体形貌的呢？

为什么激光雷达这么厉害？
要想了解激光雷达的运行机制，我们得先从雷达二字说起。1886年，德国物理学家发现无线电波能被物体反射，在这基础上，科学家们提出假设——如果能够记录发射无线电波的时刻，等无线电波撞到远处飞机后反射，再记录无线电波返回时所处的时刻，两个时刻相减就是无线电波从探测器行进到飞机再返回的时间。加上我们知道无线电波的传播速度是光速，据此就可以计算出来我们跟飞机的距离。基于这个假设，雷达逐渐发展完善，并广泛应用于军事、航海等领域。

雷达探测原理演示
（图源：wikipedia）
激光雷达的原理与传统的雷达是相同的，区别在于激光雷达的探测精度大大提高了，而这也正是因为使用了激光。实际上，无线电波跟激光都是电磁波，只是二者的波长不一样，取了不同的小名。太阳光也是电磁波。

按波长划分的电磁波谱，人眼能感受到的一部分称为可见光谱；激光雷达用的是可见光旁边的红外线。
（图源：Wikipedia）
**衡量电磁波有很重要的一个指标：波长。**雷达使用的无线电波，波长范围是在1-10厘米；激光雷达使用的激光，波长是0.85-1.55微米（1厘米等于10000微米）。
波长好比尺子上的最小刻度，波长越小，测量精度越高。激光雷达测量距离的精度能够达到3mm，与之相对的是它牺牲了测量的最大距离，激光雷达的最大测量距离大概是300米，而军用雷达虽然探测精度不高，可探测距离高达上千公里。
激光雷达发射出去许多光线，光线照射到物体上形成一个小光点，光点的距离和方向信息都会被记录下来，这些点就构成了一个数据集，被称为点云，点云包含了物体的三维轮廓信息。

激光雷达测得一个盆子的点云数据
（图源：作者自制）
激光雷达测量到物体的轮廓信息后，再结合摄像头捕获的物体颜色信息，接下来就可以对物体进行3D建模啦。

结合摄像头颜色信息得到的建模数据
（图源：作者自制）
需要注意的是，有了激光雷达，虽然能衍生出许多新颖的应用，但目前仅有极少数手机搭载了激光雷达，在手机上集成激光雷达，不仅只是一个技术问题，还涉及到价格，体积等因素，这简直是螺蛳壳里做道场——太难了。

在对苹果的褶皱以及纱布进行建模时，手机lidar的建模效果不太好
（图源：作者自制）
不过，激光雷达在另一个应用领域——自动驾驶中的表现，能够给我们一些信心。2015年，供汽车使用的激光雷达一个就要几十万，比车还贵，而现在车载激光雷达的价格却已经降至几千元甚至更低。
所以我们相信，装在手机上便宜又好用的激光雷达也会很快普及。到那时候，会有一大波让人“哇塞”的新玩意儿出现。

编辑｜王婷婷

参考文献：
[1] https://zh.m.wikipedia.org/zh
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Radar
[3] Sirmacek B , Lindenbergh R C , Menenti M . Automatic registration of Iphone images to LASER point clouds of the urban structures using shape features[J]. Isprs, 2013, II-5/W2:265-270.
[4] Luetzenburg, G., Kroon, A. & Bjørk, A.A. Evaluation of the Apple iPhone 12 Pro LiDAR for an Application in Geosciences.

出品：科普中国
作者：海里的咸鱼
监制：中国科普博览