自動駕駛背後的技術之光達LiDAR 是如何計算深度?! ToF背後的原理 - 科普系列光達篇【上】

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自動駕駛技術系列第一篇介紹光達LiDAR,這個詞在前幾年開始變得非常熱門,有許多光達的廠商紛紛推出光達的自動駕駛解決方案,今天我們就來一探這個大家既熟悉又陌生的詞-LiDAR。

光達LiDAR英文全稱Light Detection And Ranging,其實從英文上的翻譯就可以大概知道其原理,就是利用光來檢測和測距,雖然目前市面上配有光達的自動駕駛量產車輛很少,比較有名的如奧迪A8或是小鵬P5等等,但其實光達應用的產品並不稀奇,蘋果在2020推出的iPad Pro就有引入光達的系統,如下圖所示,貓咪周圍排列整齊的光點就是光達打出來的雷射,但這些雷射使用的光源是紅外光(不可見光,波長940nm或1550nm),所以大家才沒有察覺。

自動駕駛背後的技術之光達LiDAR-是如何計算深度?!-ToF背後的原理---科普系列光達篇【上】-1

圖片來源:https://youtu.be/xz6CExnGw9w

 

 

阿財講這麼多,到底光達拿來幹嘛?

 

 

就如我前一篇文章的所說,不管我們使用怎麼樣的技術,最終都是希望獲得待測物的深度資訊,而光達就是利用光來測量物體的距離。

我們先簡單的將光達的構造進行簡單的拆解,可以分成發射端(projector)和接收端(sensor),如下圖所示,發射端會將光束打到待測物體,而接收端會收到反射回來的光束,但由於光達的種類非常繁多,不同種類之間的多光學元件或是機構都大不相同,等下一篇文章再和大家介紹目前常見的幾種光達,大家敬請期待!

 

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光達系統示意圖(阿財自己畫的請見諒)

 

那光達系統是如何測量物體的距離?這就要歸功於飛時測距Time of Flight (ToF)。

而ToF裡面又分成Indirect TOF (iToF)和Direct TOF (dToF),不管是iToF或是dToF都需要有發射端和接收端,兩者的差異和使用的計算方式卻大不相同,大家看到這邊先別緊張,聽阿財娓娓道來~

Indirect TOF (iToF)

iToF發射端使用的是調製光,所謂調製光就是將光線有特定的週期或振幅進行發射傳遞,下圖就是調製前後的簡單示意。

 

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光調製前後差異(阿財自己畫的請見諒)

 

    

 

那為什麼iToF要使用這種有特定週期的光?

我以下圖為例子,當我們的調製光打到行人,反射的光線也會以同樣的週期被接收端的感測器接收,但入射光和反射光最大的差別在於一個相位的延遲∆φ,右手邊的公式其實並不難理解,我們在國中(或高中)有教過,T在物理學上通常代表週期(週期又是頻率的倒數(頻率即一秒內某事件重複發生的次數)),波形的循環一週期為0~2π(0°~360°)來表示,所以∆φ/2π*T相當於計算出延遲了幾個週期(例如:∆φ=π,那麼反射光就比入射光延遲了0.5個週期),所以藉由此公式我們就可以求出行人與車子的距離。

 

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iToF計算方式(阿財自己畫的請見諒)

  

  

那目前許多文獻在計算這個相位延遲的時候,通常會採用4 phase control signals,也就是四個相位的訊號控制,使用的公式與前面提到的原理相同,但唯一的不同就是在接收端的sensor會以四個為一組(下圖上紅圈部分),計算相位延遲的方式會採用四組收到的訊號進行計算(下圖下),其中C1和C2、C3和C4的初始相位均相差180 °,這樣可以增加接收訊號的穩定性,詳細的原理可以看參考連結[1]。

 

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iToF 4 phase phase control signals算法[1]


 

Direct TOF (dToF)

dToF的計算方式相較於ToF簡單且大家會比較直觀理解,dToF的光源一般採用脈衝光(pulsed light),脈衝光通常指的是在一個極短時間內發出的光束,dToF的感測器在發射出去的時候記錄當下的時間,並與接收到反射光的時間計算出時間差∆t,然後直接將時間差乘上光速除以二就是行人與車子的距離,這也是為什麼很多人說dToF就是在算光行走的距離,如下圖所示。

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dToF計算方式(阿財自己畫的請見諒)

 

 

看到這邊一定有朋友會跳出來說:

dToF算法比iToF簡單又直觀,那現在光達系統是不是都使用dToF?

 

既然阿財會花時間解釋兩個算法的原理,就代表兩種算法彼此之間各有優劣!

我相信大家如果去Google搜尋iToF vs dToF,應該滿多人都會講iToF成本低且適合短距離測量,dToF成本高適合長距離測量,But Why?

相信大家看到這邊可能需要稍微消化一下,所以下期我們就來比較一下iToF和dToF究竟有哪些優缺點,另外看完之後大家也一定很想知道目前哪些自動駕駛的公司使用光達技術?

欲知詳情請大家敬請期待,也歡迎大家留言互動~

 

PS. 阿財的文筆不是太好(正在練習中),大家有任何建議請一定不要害羞在下面留言或是私訊阿財粉專,感謝大家喔!

 

參考資料

[1] Time of Flight Cameras: Principles, Methods, and Applications

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