Лидары: технология, которая позволяет создавать 3D-модели на смартфоне
Технология LiDAR насчитывает не одно десятилетие, но ранее она использовалась в основном для наблюдений за атмосферой Земли и океанами. Однако в наши дни лидары внедряют в робомобили, пылесосы и смартфоны. «РБК Тренды» решили разобраться, как LiDAR устроен и как влияет на будущее транспорта и «умной» техники.
Оглавление:
Что такое лидар
LiDAR (Light Detection and Ranging, «обнаружение света и определение дальности») — это технология дистанционного зондирования, которая использует лазерные лучи для измерения точных расстояний и движения в окружающей среде в режиме реального времени.
Данные LiDAR можно использовать для создания подробных топографических карт, динамических 3D-моделей для безопасного управления автономным транспортным средством и роботами, а также для оценки вероятности стихийных бедствий и многого другого.
По оценкам аналитиков, в 2022 году объем рынка LiDAR превысил $1,5 трлн и он продолжит расти на 25% ежегодно до 2032 года. Это объясняется тем, что правительства все активнее внедряют системы на базе беспилотников для предупреждения стихийных явлений, а также растет популярность робомобилей и другой автономной техники.
Как работает лидар
LiDAR использует импульсный лазер для расчета расстояний до объекта. Помимо него, этот датчик включает сканер и GPS-приемник для более глубокого анализа окружения (глубины, неровностей и т.д.).
Технология LiDAR работает следующим образом: лазерный луч направляется на объект, а затем рассчитывается время, необходимое для возвращения отраженного от него света. Это делает лидары похожими на радары, которые работают так же, но используют микроволны. Благодаря тому, что скорость света составляет около 300 тыс. км/с, LiDAR позволяет измерять расстояния гораздо быстрее, с лучшей точностью и более высоким разрешением.
Системы LiDAR бывают двух типов в зависимости от их функциональности:
- Бортовые. Они устанавливаются на вертолеты или дроны для сбора данных. Такие LiDAR используются для составления карт, определения рельефов, измерений водной поверхности. Они делятся на топографические и батиметрические. Первые используют инфракрасный свет, а вторые — зеленый для проникновения вглубь воды.
- Наземные. Эти системы устанавливаются на движущихся транспортных средствах, приборах или на стойках для сбора точных данных об окружении. В зависимости от метода установки такие лидары делятся на мобильные и статические.
Где применяется лидар
Первые лидары появились еще в начале 1960-х годов, когда были разработаны лазеры. Технологию начали применять для картирования небольших водоемов, а в 1970-х годах NASA использовало ее при разработке исследовательских космических кораблей. В 1980-е LiDAR стали активнее внедрять благодаря интеграции GPS, что произвело революцию в сборе геопространственных данных. В то время датчики LiDAR были габаритными и крепились к пилотируемым самолетам. В наши дни лидары стали компактными и более дешевыми в разработке, поэтому их встраивают даже в iPhone, где технология позволяет создавать 3D-модели на расстоянии 4,5 м.
Лидары в устройствах
Технология широко применяется в бытовой технике и некоторых смартфонах. Так, в роботах-пылесосах JetBot 90 AI+ от Samsung лидар сканирует окружение на расстоянии до 6 м, обнаруживая препятствия и анализируя объекты, чтобы сделать уборку более эффективной. Кроме того, он составляет карты помещений, чтобы пылесос мог выстраивать маршруты уборки.
Лидары применяются и в профессиональных, и в домашних системах безопасности, например в камерах Leica BLK247. Они сканируют окружение и выявляют движущиеся объекты, а затем классифицируют их. Это позволяет системе реагировать только в тех случаях, когда есть реальная угроза безопасности.
Также LiDAR-датчики внедрили в iPhone и iPad Pro. Благодаря им портретный режим съемки работает вместе с ночным, а в приложении «Рулетка» для измерения человеческого роста поддерживаются новые опции, например, по изменению роста сидящего человека. Кроме того, на устройства можно скачать и другие сервисы, которые могут применять опцию LiDAR. Так, RoomScan позволяет создавать поэтажные планы домов, а Magicplan и Hyper Capture: 3D Object Scan — быстро сканировать любые предметы и создавать их 3D-модели.
Лидары в океанологии
Технология применяется, чтобы измерять точную глубину океанов, определять местонахождение объектов или в исследовательских целях. Особенно лидары полезны при сканировании береговых линий для обновления карт. Они позволяют зафиксировать мельчайшие детали побережья и отслеживать такие события, как эрозия, наводнения и т.д.
Помимо определения местоположения объектов, LiDAR также используется для расчета биомассы фитопланктона на поверхности океана, поиска рыбы, при спасательных операциях и мероприятиях по разминированию.
Лидары в исследовании атмосферы и экологии
Технология применяется для измерения таких составляющих атмосферы, как частицы аэрозоля, кристаллы льда, водяной пар или газовые примеси. Это позволяет прогнозировать погоду, моделировать изменения климата и вести мониторинг окружающей среды. Так, NASA разработало инструмент на основе лидара под названием GEDI (Исследование динамики глобальной экосистемы) для Международной космической станции, который моделирует трехмерные изображения лесов и помогает предоставить информацию об углеродном цикле. GEDI анализирует влияние лесов на количество углерода в атмосфере. Используя эту информацию, ученые теперь могут определить точный уровень углерода, который хранят леса, и количество деревьев, которые следует посадить, чтобы компенсировать эффект выбросов парниковых газов.
Лидары также помогают выявлять лесные пожары, зоны засухи, изменения в лесном покрове и отслеживать миграцию животных.
Лидары на транспорте
LiDAR внедряются в автомобили с функциями беспилотного вождения. Они в реальном времени отслеживают параметры движения и выстраивают детальную карту окружения машины даже в ночное время. Благодаря этому автомобилю проще распознать пешеходов и другие машины на узких улицах и в сложных погодных условиях. Так, компания «Яндекс» в 2021 году перевела свои беспилотные автомобили, которые тестируют в Москве и еще нескольких городах, на собственные лидары.
Лидары на транспорте бывают двух видов. Механические или круговые лидары устанавливаются на крыше в специальных модулях. Они постоянно вращаются, чтобы обеспечить круговой обзор. Такие лидары производят компании Velodyne, Waymo и Luminar. Второй вид — твердотельные лидары (Solid State LiDAR) — это блоки со статичными или регулируемыми датчиками, которые с высокой скоростью сканируют определенную область по направлению движения. При этом каждый такой датчик охватывает угол обзора в 90 градусов. Подобные решения выпускают китайские компании Robosense и Hesai Technology, немецкая Blickfeld, канадская LeddarTech и «Яндекс».
Кроме того, наземные статические лидары на стойках применяются на дорогах для измерения скорости движения транспорта и анализа трафика. Технологию также используют для инспекции тоннелей и железнодорожных путей, чтобы находить повреждения.
Интересно, что одна из ведущих компаний по производству беспилотных автомобилей, Tesla, не использует лидары. Ее глава Илон Маск называет такие датчики «костылем». Сама Tesla продвигает технологию под названием виртуальный или псевдолидар. Она представляет собой нейросеть, которая вычисляет расстояние до каждого пикселя снимков, сделанных камерами. Однако подобный подход сложнее, так как необходимо создать систему глубокого обучения для обнаружения объектов, измерения их параметров и скорости. Команде Tesla понадобился огромный набор данных из миллионов видеороликов, тщательно аннотированных с указанием содержащихся в них объектов и их свойств.
Лидары в строительстве
Высота местности играет важную роль при строительстве дорог, крупных зданий и мостов. Технология LiDAR позволяет создавать трехмерное представление высот, чтобы упростить проектирование. Кроме того, с помощью лидаров можно сканировать уже готовые здания при инспекциях, проводить перепланировки, создавать цифровые двойники. Технология широко применяется не только в инспекции зданий, но и инфраструктуры, в том числе энергетических сетей.
Лидары в сельском хозяйстве и археологии
В сельском хозяйстве LiDAR применяют для анализа урожайности, планирования посевов и распространения семян. Технология полезна для картографирования почвы с учетом анализа ее верхнего слоя, классификации почв и эффективности дренажа. Эти знания помогают оптимизировать стратегию орошения и предотвратить заболачивание. Кроме того, лидары используют для оценки ущерба после стихийных бедствий.
Лидары в археологии
В этой науке широко применяется способность лидаров видеть скрытые объекты. Так, с помощью LiDAR удалось найти скрытые поселения майя. Технология также используется при раскопках старых археологических памятников и позволяет археологам создавать их 3D-модели.
Преимущества и недостатки лидаров
У этой технологии, как и у любой другой, есть свои плюсы и минусы.
Преимущества:
- данные можно собирать быстро и с высокой точностью;
- данные о поверхности имеют более высокую плотность выборки по сравнению с другими методами сбора данных, такими как фотограмметрия;
- можно использовать днем и ночью благодаря датчику активной освещенности, а также применять в густом лесу, над высокими горами или в опасных для человека районах;
- не дает геометрических искажений;
- можно интегрировать с другими источниками данных;
- работает независимо от человека, поскольку большинство процессов автоматизированы;
- не подвержена влиянию экстремальных погодных условий;
- требует меньше затрат, особенно при работе с обширными территориями.
Недостатки:
- высокие эксплуатационные расходы при применении на небольших участках;
- низкая эффективность во время сильного дождя или низких облаков из-за эффектов рефракции, а также при наличии большого числа отражающих элементов;
- низкая надежность при измерении неоднородной поверхности воды, например во время волн;
- большие и сложно интерпретируемые наборы данных, требующие высокого уровня анализа;
- отсутствие международных протоколов, регулирующих сбор и анализ данных при использовании технологии;
- возможное негативное влияние на зрение в тех случаях, когда используется мощный лазерный луч;
- неспособность проникнуть в густую растительность;
- низкая рабочая высота от 500 до 2000 м.
Будущее технологии
Исследователи разрабатывают новые системы и алгоритмы для повышения точности, скорости и эффективности LiDAR, а также работают над тем, чтобы сделать технологию меньше, легче и доступнее. Это обеспечит более широкое внедрение лидаров в бытовую электронику и устройства для «умного» дома.
Автомобильная промышленность станет одним из основных бенефициаров развития лидарных технологий. Машины будут получать все более продвинутые системы помощи водителю, а автопилоты будут становиться популярнее за счет роста надежности их работы. Это позволит внедрять роботизированный общественный транспорт, коммерческую логистику и многое другое. Прогнозируется, что к 2034 году спрос на лидары в автопроме вырастет до $9,5 млрд.
Кроме того, лидары играют важную роль в развитии робототехники, так как помогают роботам быстро ориентироваться в окружающей среде и выполнять более сложные задачи. В марте 2024 года китайский человекоподобный робот Unitree H1 впервые смог выполнить сальто назад без использования гидравлики, а также установил рекорд скорости для двуногих роботов. На голове Unitree H1 установлен трехмерный лидар для анализа окружения.
Лидары в будущем также могут изменить способы решения определенных задач за счет того, что они позволят эффективно и точно собирать данные с более высокой скоростью. Технология может повлиять на навигацию, строительство, экологическое планирование и архитектуру.