Как работает LiDAR: принципы сканирования в смартфонах и автомобилях

LiDAR за последние годы стал одной из ключевых технологий как в смартфонах, так и в современных автомобильных системах. Он позволяет устройствам "видеть" окружающее пространство в трёх измерениях, измерять расстояния с высокой точностью и строить детализированные карты глубины. В смартфонах LiDAR улучшает AR-приложения и ускоряет фокусировку камеры, а в автомобилях используется для навигации, предотвращения столкновений и работы автопилотов.

Несмотря на то что само слово кажется технически сложным, принцип работы LiDAR довольно понятен: это система, которая посылает лазерные импульсы и измеряет время, через которое свет возвращается обратно. На основе этих данных устройство вычисляет расстояние до объектов и строит точную 3D-картину окружающей среды. Чтобы понять, почему LiDAR стал таким важным инструментом, нужно разобраться, что он измеряет и по каким физическим принципам работает.

Что такое LiDAR и что он измеряет

LiDAR (Light Detection and Ranging) - это технология дистанционного измерения, которая определяет расстояние до объектов с помощью лазерных импульсов. В отличие от камер, которые фиксируют изображение, LiDAR активно "сканирует" пространство: устройство отправляет короткие вспышки инфракрасного лазера, принимает отражённый сигнал и вычисляет расстояние по времени его возвращения.

Главная задача LiDAR - получить точную карту глубины. Он измеряет:

• расстояние до каждой точки в кадре;
• форму и положение объектов;
• объёмные контуры стен, мебели, людей;
• изменения в пространстве в реальном времени.

Результат - плотная 3D-модель окружающего мира, где каждая точка имеет координаты. Поэтому LiDAR так важен для смартфонов в AR и сканировании интерьеров, а в автомобилях - для распознавания препятствий, навигации и построения безопасного маршрута.

Принцип работы LiDAR: лазер, отражение и измерение времени

В основе LiDAR лежит метод Time-of-Flight (ToF) - измерение времени, за которое свет проходит путь до объекта и обратно. Сенсор посылает короткий лазерный импульс, обычно в инфракрасном диапазоне, и фиксирует момент, когда отражённый луч возвращается к приёмнику. Зная скорость света, система вычисляет точное расстояние с точностью до сантиметров, а иногда и миллиметров.

Современные LiDAR используют тысячи таких импульсов в секунду, сканируя пространство точка за точкой. В смартфонах это происходит в пределах нескольких метров, а в автомобилях - на десятки или сотни метров, формируя полноценное облако точек. Обработка этих данных позволяет построить 3D-карту, где каждый фрагмент сцены представлен как координата в пространстве.

Такая схема делает LiDAR независимым от внешнего освещения: он работает одинаково хорошо и днём, и ночью, потому что использует собственный источник света. Это даёт преимущество над камерами, которые ограничены освещённостью и контрастом сцены.

ToF vs LiDAR: в чём разница методов измерения дистанции

ToF-камеры и LiDAR используют один принцип - измерение времени пролёта света, но масштаб и точность у них разные. ToF - это упрощённый вариант, который измеряет глубину по всей сцене сразу, формируя карту глубины низкого или среднего разрешения. Он хорош для простых задач: размытия фона, жестов, базовой AR.

LiDAR работает иначе: он генерирует множество точечных лазерных импульсов, а не один общий световой поток. Каждая точка измеряется отдельно, что даёт более высокую точность, лучшее пространственное разрешение и значительно более стабильные результаты при сложных профилях поверхности.

Основные отличия:

• ToF - быстрый, дешёвый, менее точный.
• LiDAR - точный, детализированный, подходит для 3D-сканирования и навигации.
• ToF измеряет сцену "плоско", LiDAR строит полноценное облако точек.

Поэтому смартфоны с LiDAR лучше работают с AR-моделями, а автомобильные системы вообще не используют ToF из-за его ограничений.

LiDAR в смартфонах: карта глубины, AR и 3D-сканирование помещений

LiDAR в смартфонах работает на небольшие дистанции - обычно до 3-5 метров - но даёт куда более точные данные, чем ToF-камера. Сенсор быстро создаёт карту глубины, в которой каждая точка отражает расстояние до стены, мебели или объекта. На основе этой карты смартфон может строить трёхмерные модели, измерять пространство и точно определять положение виртуальных объектов.

С помощью LiDAR AR-приложения становятся более стабильными: модели "стоят" на полу без дрожания, распознают поверхности, обходят реальные предметы и корректно реагируют на изменения сцены. В сканировании помещений LiDAR позволяет быстро создавать 3D-планы комнат, определять размеры и получать точную геометрию.

Также LiDAR ускоряет автофокусировку камеры в условиях низкой освещённости: зная расстояние до объекта, смартфон не тратит время на поиск резкости. Поэтому устройства с LiDAR лучше снимают ночью и в темных помещениях.

Как работает LiDAR в iPhone: особенности сенсора от Apple

LiDAR в iPhone - это компактный сканер глубины, встроенный в блок основной камеры. Он использует инфракрасный лазер, который создаёт сетку из множества невидимых точек, а затем измеряет время возврата отражённых импульсов. На основе этих данных смартфон строит детализированную карту глубины в реальном времени.

Главная особенность Apple LiDAR - тесная интеграция с системой камер и процессором. Чип A-серии обрабатывает миллионы измерений за секунду, совмещая их с информацией от камер и акселерометров. Это даёт несколько преимуществ:

• быстрый и точный автофокус в темноте - камера знает точное расстояние до объекта;
• лучшее разделение предметов и фона при портретной съёмке;
• точное размещение AR-объектов даже при слабом освещении;
• одновременная работа с картой поверхности пола, стен и мебели, что делает AR-приложения более реалистичными.

Сенсор Apple оптимизирован для ближней дистанции: он создаёт плотную глубинную сетку в пределах нескольких метров, что идеально подходит для AR, интерьеров и съемки. iPhone не пытается быть дальнобойным сканером - он делает ставку на точность и стабильность на близких расстояниях.

LiDAR в автомобилях: круговой обзор, автономное движение, безопасность

Автомобильные LiDAR - это более мощные и дальнобойные версии технологии, способные "видеть" пространство на десятки или даже сотни метров вокруг машины. Они формируют детализированное облако точек, позволяя автомобилю понимать окружающую среду в 3D: заметить пешехода, автомобиль, бордюр, дорожные знаки, препятствия и оценить расстояние до них с высокой точностью.

В отличие от камер, LiDAR не зависит от освещённости и хорошо работает в темноте, а в отличие от радара - распознаёт форму и контуры объектов, а не только их движение. Это делает его важным элементом систем автономного вождения. Такие сканеры часто вращаются или используют широкоугольные лазеры, обеспечивая круговой обзор в 360°.

Задачи автомобильного LiDAR:

• построение 3D-карты окружающей среды;
• отслеживание объектов в реальном времени;
• помощь автопилоту в определении безопасной дистанции;
• предупреждение о столкновениях;
• стабильная работа ночью и в условиях плохого освещения.

Модели, применяемые в авто, значительно мощнее мобильных LiDAR и используют многолучевую архитектуру, что позволяет видеть мелкие объекты и точно определять их положение, даже когда камера или радар дают мало информации.

Преимущества LiDAR над камерами и радарами

LiDAR сочетает точность лазерных измерений и независимость от освещения, что делает его уникальным среди датчиков восприятия. В отличие от камеры, которая зависит от света, контраста и текстур, LiDAR видит пространство одинаково хорошо и днём, и ночью. Он не "слепнет" от встречного света и не теряет объекты в полной темноте.

Преимущества перед камерой:

• точная трёхмерная геометрия сцены;
• надёжная работа в темноте;
• корректное измерение расстояния до всех точек;
• меньшая зависимость от погоды и бликов.

Преимущества перед радаром:

• высокая детализация: видны контуры и форма объекта, а не просто его отражение;
• точность на ближних дистанциях;
• возможность распознавать статичные объекты, а не только движущиеся.

Радар хорошо определяет скорость и движение, камера - цвет и текстуры, а LiDAR - структуру и расстояние. Поэтому в современных системах автономного вождения все три сенсора часто используются вместе, дополняя друг друга.

Ограничения LiDAR: слабые стороны и условия работы

Несмотря на высокую точность, LiDAR имеет ограничения, связанные с физикой лазерного излучения и особенностями отражения света. Главная слабость - работа по прозрачным и сильно отражающим поверхностям. Стекло, зеркала, глянцевые покрытия могут пропускать или рассеивать лазерный луч, и сенсор получает неверные данные или вообще не видит объект.

Также LiDAR чувствителен к атмосферным помехам. В дождь, туман и снег часть лазерных импульсов рассеивается каплями воды или частицами воздуха, из-за чего дальность падает, а количество шумовых точек увеличивается. В смартфонах это менее заметно, но в автомобильных системах влияет на стабильность дистанционных измерений.

Ещё одно ограничение - энергопотребление и стоимость. Мощные автомобильные LiDAR стоят дорого и требуют сложной электроники. В смартфонах LiDAR работает на малой мощности и с ограниченной дальностью, поэтому не подходит для дальнобойного картирования или высокоскоростной навигации.

Таким образом, LiDAR не является универсальным инструментом и работает лучше всего в условиях, где нет сильного рассеяния света, а объекты имеют чёткую отражающую поверхность.

Заключение

LiDAR стал ключевой технологией для точного понимания пространства - от смартфонов до автономных автомобилей. Он использует лазерные импульсы и измерение времени их возврата, чтобы строить детализированную карту глубины, независимую от освещения и контраста сцены. Благодаря этому LiDAR позволяет смартфонам точнее работать с дополненной реальностью, быстро фокусироваться в темноте и сканировать помещения, а автомобилям - безопасно распознавать объекты и ориентироваться на дороге.

Технология выигрывает у камер в точности дистанции и работе ночью, а у радара - в детализации и понимании формы объектов. Но при этом LiDAR всё ещё ограничен дальностью, работой по стеклу и туману, а также стоимостью оборудования.

Понимание принципов работы LiDAR помогает лучше оценивать его роль в современных устройствах: он не заменяет камеры и радары, а дополняет их, создавая более точную и надёжную картину мира. В будущем LiDAR станет ещё компактнее и точнее, расширяя возможности AR, робототехники и автономного транспорта.