Cảm biến LiDAR là tính năng mới được Apple trang bị trên iPad Pro 2020 và iPhone 12 Pro nhằm cũng cấp những trải nghiệm mới nhất cho người dùng. Vậy máy quét LiDAR này có gì đặc biệt, Apple đang toan tính và đự định làm gì với nó, điều này có phát động một cuộc đua công nghệ mới trên các thiết bị di động cá nhân hay không? Mời các bạn cùng tìm hiểu nhé.
Cảm biến (hay máy quét) LiDAR là gì?
LiDAR viết tắt của cụm “Light Detection and Ranging” là một phương pháp khảo sát đo khoảng cách tới mục tiêu bằng cách chiếu các chùm tia laser tới đó các cảm biến đi kèm sẽ thu các tín hiệu phản xạ và dựa trên đó tính toán ra khoảng cách. Máy quét LiDAR có cách thức hoạt động tương tự như radar, tính năng cảm biến này sử dụng tia laser để ghi nhận các thông tin về chiều sâu và khoảng cách, hỗ trợ thêm một số ứng dụng thực tế tăng cường (AR).
Cảm biến LiDAR trên Iphone 12 và cuộc đua mới trên các thiết bị di động.
Nguồn gốc và ứng dụng của LiDAR
Ý tưởng về công nghệ LiDAR thực ra không mới, nó đã ra đời từ những năm 1960. Cũng tương tự như một số công nghệ GPS, công nghệ LiDAR đã được sử dụng lần đầu trên các máy bay quân đội và sau đó cũng được trang bị trên tàu vũ trụ Apollo 15 khi lập bản đồ không gian ở Mặt Trăng. MÁy quét LiDAR cũng được dùng trong công nghệ an ninh, các thiết bị quét nhận dạng hoặc hệ thống báo động.
Hơn một thập kỷ trước, hãng Velodyne công bố thiết bị cảm biến ba chiều đầu tiên trên thế giới. Thiết bị LiDAR của Velodyne bao gồm cả một trục quay 360 độ này chủ yếu dùng để quét bản đồ có giá tới 75.000 USD và có kích thước khá lớn.
Các thiết bị LiDAR của Velodyne
Năm 2005 thiết bị LiDAR của Velodyne ban đầu mang trên mình 64 hệ thống bắn tia laser và một cột các trục xoay gimbal. Mỗi hệ thống laser đơn lẻ sẽ đi kèm với một thiết bị nhận. Thiết kế phức tạp, cộng thêm việc phải đặt chính xác đường đi của laser vào với TỪNG cảm biến nhận dạng laser khiến lidar của Velodyne cực kỳ đắt đỏ và cồng kềnh.
Apple hợp tác với Ouster và Ibeo hai công ty chế tạo LiDAR thế hệ mới (LiDAR thể rắn) dành cho thiết bị di động bằng cách tích hợp công nghệ bán dẫn (VCSEL và SPAD) và loại bỏ trục quay họ đã thu nhỏ LiDAR đủ để cho vào trong các thiết bị di động. Bằng hàng trăm cho đến hàng ngàn tia laser bắn ra chỉ từ một con chip, lidar kèm VCSEL có thể sử dụng mỗi tia laser bắn ra cho một điểm riêng biệt trong tầm nhìn của lidar. Và bởi lẽ toàn bộ tia laser nằm gọn trên một chip, việc lắp ráp không nhiêu khê như thiết kế xoay của Velodyne.
Các máy iPhone đời mới sử dụng cảm biến 3D có tên camera TrueDepth cũng sử dụng một dải các VCSEL do Lumentum sản xuất. Cảm biến lidar của iPad sử dụng ít điểm hơn camera TrueDepth, số lượng điểm trên lưới mà lidar phát ra chỉ ở con số vài trăm. Nhưng TrueDepth thì phải ước tính chiều sâu của vật thể 3D dựa trên hình dạng của lưới ánh sáng, trong khi đó cảm biến lidar của iPad đo đạc trực tiếp khoảng cách giữa vật thể và cảm biến. Quá trình thực hiện đo đạc của lidar vừa chính xác hơn, lại vừa hoạt động tốt ở khoảng cách mà TrueDepth gặp khó khăn.
Cảm biến LiDAR trong hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS)
Thời gian gần đây, LiDAR loại nhỏ dụng nhiều hơn trong các thiết bị dân dụng như xe tự lái, robot hút bụi, Drone cho chúng phép nhận diện những vật thể ở gần và trên đường di chuyển để tránh và chạm hoặc thay đổi lộ trình.
Các công ty hàng đầu trong lĩnh vực LiDAR
- Công ty Velodyne: Velodyne được xem là cha đẻ của hễ thống đo xa bằng máy quét chùm 64 tia laser xoay (LiDAR) và năm 2005. Velodyne đã phát triển nhiều phiên bản hệ thống LiDAR quay 64 tia laser để tính toán khoảng cách của các đối tượng xung quanh tạo ra một bản đồ 3D 360 độ về môi trường. Hệ thống này tạo ra một triệu điểm dữ liệu mỗi giây, trong khi các hệ thống trước đó tạo ra 5.000 điểm dữ liệu mỗi giây. Cảm biến của Velodyne có phạm vi lên đến 300 mét và có thể được sử dụng để phát hiện đối tượng ngay lập tức mà không cần hợp nhất cảm biến bổ sung. Ứng dụng chủ yếu vào cho các hệ thống tự hành của ô tô hiện nay. Năm 2017, Velodyne LiDAR là Người được vinh danh tại Giải thưởng Sáng tạo CES, Máy bay không người lái & Hệ thống không người lái, cho Puck Lite.
- Công ty Ouster: LiDAR mạnh nhất của Ouster có phạm vi hoạt động lên đến 100 mét, có thể phát hiện ra vật thể khi tỷ lệ phản hồi của laser chỉ là 10%. Toàn bộ cảm biến do Ouster chế tạo ngày nay đều dựa trên thiết kế xoay cổ điển do Velodyne khởi xướng. Cách đây ít lâu, Ouster công bố kế hoạch chế tạo LiDAR thể rắn mà không còn bộ phận chuyển động. Thay vì đặt từ 16 cho tới 128 VCSEL lên một chip, LiDAR mới của Ouster sẽ có 20.000 VCSEL nằm gọn gàng trên một lưới hai chiều. Thiết kế hệ thống thành một thể rắn thống nhất cho phép lidar của Ouster rẻ hơn đồ Velodyne nhiều, biến Ouster thành đối thủ lớn nhất của cha đẻ LiDAR ba chiều.
- Công ty Ibeo: Công ty Ibeo cũng đang theo đuổi chiến lược thiết kế LiDAR tương tự Ouster thậm chí còn vượt trội hơn. Họ là người tạo nên hệ thống LiDAR gắn xe hơi được sản xuất với số lượng lớn đầu tiên, ấy là chiếc Audi A8. Hệ thống LiDAR này vẫn chỉ là hàng cấp thấp thôi: Ibeo đang phát triển một mô hình lidar mới có tên IbeoNext, sở hữu một lưới laser 128×80 pixel, có phạm vi hoạt động lên tới 150 mét và cũng sẽ nhận ra vật thể với chỉ 10% tỷ lệ tia laser dội lại cảm biến.
- Công ty Sense Photonics: LiDAR của họ cũng sử dụng VCSEL và SPAD. Tuy nhiên, Sense lại ứng dụng kỹ thuật có tên “in truyền hiển vi” để trải đều các hệ thống phát laser lên bề mặt wafer. Kỹ thuật này cho phép laser lấy được nhiều hơn mà không bị quá nhiệt hay gây kích ứng mắt người nhìn vào. Hiện tại, phạm vi hoạt động của LiDAR của họ vẫn còn khiêm tốn, nhưng CEO Shauna McIntyre của Sense khẳng định sẽ sớm ra mắt LiDAR phạm vi 200 mét vào đầu năm 2021.
Cả Ibeo, Sense và Ouster đều đang dần ra mắt những thiết kế LiDAR mới với giá thành rẻ, đều mong đợi ngày công nghệ LiDAR bùng nổ trong ngành chế tạo và sản xuất xe hơi. Cảm biến LiDAR có thể đưa hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS) trên xe ô tô lên tầm cao mới.
Một số ứng dụng của LiDAR:
- Khảo sát, khai thác địa chất: Phân tích địa hình, lập bản đồ, phân tích vật chất và khối lương, thăm dò dầu khí, khai thác mỏ…
- Quét và dựng bản đồ 3D các vật thể thậm chí toàn thành phố, khảo sát vẽ bản đồ sông ngòi, đáy biển, đất đai, địa giới hành chính…
- Khám phá không gian: Đo đạc lập bản đồ các hành tinh, vật thể ngoài không gian.
- Ứng dụng trong nông nghiệp: Lập bản đồ, phân loại cây trồng, phân tích tình trạng môi trường, đất đai…
- Thời tiết và khí hậu, mức độ ô nhiễm không khí, biến đổi khí hậu, dự đoán bão, lũ, động đất, tạo mô phỏng thiệt hại…
- Xe tự hành: Quét địa hình, dẫn đường, tránh va chạm, kiểm soát tự động…
Cảm biến LiDAR ứng dụng trong xe tự hành
- Sinh học và bảo tồn: công nghệ viễn thám LiDAR cung cấp nhiều ứng dụng thực tế khác nhau trong nghiên cứu bảo tồn và sinh thái. Nó đã được sử dụng rộng rãi để đánh giá chất lượng môi trường sống cho các loài khác nhau, cũng như lập bản đồ các khu vực có thể xảy ra lũ lụt và hạn hán.
- An ninh: Quét vân tay 3D, Súng bắn tốc độ (của cảnh sát) Quét nhận dạng khuôn mặt, toàn thân, nhận dạng xe và biển số, cảm biến chuyển động, tìm kiếm cứu nạn…
- Quân đội: Do thám, lập bản đồ địa hình, quét nhận dạng trang thiết bị, nhân lực, điều khiển hỏa lực, nhân dạng mục tiêu…
- Robot hút bụi, lau nhà tự hành: Quét địa hình tạo bản đồ di chuyển, quét mật độ bụi trong không khí hoặc sàn nhà để lên chương trình về sinh.
- Cảm biến môi trường: LiDAR được ứng dụng để đo mật độ bụi mịn trong không khí, kiểm soát và cảnh báo về ô nhiễm môi trường
- Nhận dạng ngôn ngữ: Khi cảm biến LiDAR trở nên tiên tiến hơn, chúng ta có thể sử dụng nó để giải thích ngôn ngữ cơ thể và đọc khuôn mặt – bao gồm cả đọc môi.
- Giải trí, game: Quét nhận dạng vị trí, cử chỉ điều khiển, tương tác VR/AR, quét nhân dạng nhân vật đưa vào trong game. Các chuyến tham quan ảo trong thời gian và môi trường thực.
- Y tế: Quét tìm kiếm khối u torng cơ thể, phân tích tình trạng ung thư, tương lai LiDAR thâm chí có thể hỗ trợ phân tích tình trạng tổn thương, phân tích thành phần máu một cách nhanh chóng và chính xác.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LiDAR
Về cơ bản, LiDAR bao gồm hai bộ phận chính: phần phát và phần thu. Tia Laser phát ra bề mặt khoang dọc, hay còn gọi là VCSEL được sử dụng làm thiết bị đầu cuối phát phát ra chùm ánh sáng hồng ngoại tới vật thể, được cảm biến hình ảnh CMOS thu nhận lại sau khi phản xạ. Khoảng thời gian này của chùm tia được gọi là thời gian bay (ToF).
Thời gian bay được chia thành thời gian bay trực tiếp (dToF) và thời gian bay gián tiếp (iToF). Thiết bị đầu phát ra tín hiệu ánh sáng tới mục tiêu để đo trực tiếp thời gian photon thực hiện từ khi khởi hành đến khi quay trở lại; thiết bị phát thứ hai phát ra một loạt sóng ánh sáng được điều tiết để đo thời gian bay bằng cách phát hiện sự lệch pha giữa sóng ánh sáng tới và lui.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của LiDAR có trên Ipad Pro và Iphone 12
Tốc độ ánh sáng là hằng số cố định, có được thời gian bay chúng ta có thể dễ dàng tính ra khoảng cách đến vật thể mục tiêu. Nguyên lý phạm vi này tương tự như radar. Tuy nhiên, LiDAR dựa trên laser xung, có bước sóng ngắn hơn và tần số cao hơn so với sóng vô tuyến được sử dụng bởi radar, có thể thu được hình ảnh với độ phân giải cao hơn, với độ chính xác đến centimet hoặc thậm chí là milimet.
Chính vì vậy, LiDAR được ứng dụng nhiều nhất trong các lĩnh vực đo đạc bản đồ, tái tạo bản đồ 3D, lái xe tự hành…
Dù vậy, không phải tất cả hệ thống LiDAR đều được làm ra giống nhau. Hầu hết các hệ thống LiDAR lớn được dùng trong việc dựng bản đồ 3D cùng cách hoạt động xoay như đĩa vệ tinh. Còn đối với LiDAR trên Iphone 12 Pro hay Ipad Pro sẽ gồm cảm biến 3D ToF (Time-of-Flight) – sẽ là cảm biến cố định (không chuyển động).
Cách LiDAR hoạt động trên iPad Pro (quay ở chế độ hồng ngoại)
Apple đưa cảm biến LiDAR vào Ipad và Iphone Pro.
Công nghệ này không phải là mới, nhưng nó mới chỉ dừng ở việc áp dụng trên những thiết bị lớn như trên các xe tự lái của Tesla, hay Google. Theo sự phát triển của công nghệ, các cảm biến LiDAR ngày càng nhỏ hơn, giá rẻ hơn và độ chính xác cao hơn. Đây cũng là lý do chúng bắt đầu được trang bị ở các thiết bị di động vốn đã sở hữu chip xử lý mạnh, hệ thống định vị GPS, ca1mera độ phân giải cao cùng nhiều bộ cảm biến con quay hồi chuyển chính xác cao khác.
Apple vừa đưa cảm biến LiDAR vào các mẫu iPhone 12 Pro và iPhone 12 Pro Max cao cấp cũng như phiên bản Ipad Pro trước đó nhằm nâng tầm trải nghiệm camera.
Máy quét LiDAR của Apple có gì khác biệt? (Ưu điểm của LiDAR)
Chúng ta đã quen thuộc với cảm biến 3D ToF trên smartphone Android, nó cũng cho phép ghi nhận thông tin chiều sâu để chụp ảnh chân dung xóa phông, vẽ bản đồ 3D nhưng chỉ chiếu một tia laser duy nhất. Cảm biến LiDAR trên iPad Pro 2020 và iPhone 12 Pro chiếu ra hàng loạt tia laser đến môi trường trong thời gian ngắn. Điều này giúp cải thiện độ chính xác, tốc độ cũng như chiều sâu mà tia laser có thể chiếu tới (lên đến 5m), khả năng cũng giúp tăng cường khả năng “thấy” những vật ẩn nấp phía sau vật khác.
Trước đó, với công nghệ AI máy học và nhiều camera hỗ trợ, smartphone có thể tính toán ra được độ nông sâu của các vật thể, giúp xác định chủ thể cần lất nét hoặc làm mở hậu cảnh khi chụp ảnh… nhưng điều này tốn khá nhiều tài nguyên, chậm, thiếu chính xác đặc biệt là các camera dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng từ môi trường. LiDAR giúp giải quyết tất cả các vấn đề trên với chùm ma quét trận kích thước 9*64 để chụp và vẽ bản đồ độ sâu của môi trường trong phạm vi lên đến 5 mét. Sự khác biệt này sẽ được thể hiện rõ trong những bức ảnh mà bạn chụp.
Việc bổ sung LiDAR có thể mang lại thông tin độ sâu chính xác hơn, nhờ đó iPhone có thể hiểu mối quan hệ giữa các đối tượng, thông qua các thuật toán. iPhone sẽ chia bức ảnh thành nhiều phần tương ứng với nhiều lớp chiều sâu khác nhau dựa trên bản đồ thông tin độ sâu chỉ trong vòng vài nano giây, lớp càng xa thì mức độ mờ càng cao, điều này giúp tạo ra một bức chân dung với khả năng xóa phông gần với các ống kính máy ảnh đắt tiền và chuyên nghiệp. Tốc độ lấy nét cũng sẽ nhanh và chính xác hơn nhờ LiDAR đặc biệt là torng môi trường thiếu sáng.
Các trò chơi hoặc ứng dụng AR được hứa hẹn sẽ đem lại những trải nghiệm tuyệt vời hơn nữa nhờ vào LiDAR, dù hiện tại chưa có nhiều sản phẩm tích hợp công nghệ này. LiDAR sẽ là mở đầu cho một loạt ứng dụng thực tế tăng cường phức tạp hơn trên iPhone 12 và nhiều thế hệ “quả táo” đời sau nữa.
Ưu điểm của hệ thống cảm biến LiDAR trên Iphone 12 Pro là gì?
Apple tuyên bố LiDAR sẽ giúp cải thiện 3 yếu tố:
- Tăng cường hiệu ứng hình ảnh (giúp lấy nét nhanh và chụp ảnh trong môi trường thiếu sáng) và âm thanh.
- Xác định vị trí chính xác của đối tượng (hỗ trợ công nghệ tăng cường thực tại AR).
- Quét đối tượng và không gian xung quanh.
Với người tiêu dùng, khả năng cải thiện hiệu ứng ảnh và video của LiDAR chính là thứ hấp dẫn nhất. Hai yếu tố sau phần lớn dành cho các nhà phát triển và doanh nghiệp dùng cho các ứng dụng sẽ ra mắt sau này.
Theo Apple Insider, thiết bị LiDAR hoạt động tương tự như cảm biến TrueDepth của cụm camera phía trước, là công nghệ giúp FaceID hoạt động, nhờ tạo ra một bản đồ chi tiết chiều sâu khuôn mặt. Nhưng LiDAR được tối ưu hóa cho việc quét mô tả chính xác sâu về môi trường xung quanh hơn là nhận dạng khuôn mặt.
Toan tính của Apple với LiDAR
Không phải tự dưng mà trước Iphone 12 Apple đã đem LiDAR lên iPad Pro (2020) để tăng cường trải nghiệm thực tế tăng cường (AR). Ngay từ hệ điều hành iOS13, nhiều lời đồn đoán về một chiếc kính “Apple Glass” với công nghệ AR sẽ được ra đời dựa trên code của iOS13. Cũng như các đối thủ khác như Google, Samsung, Facebook, Microsoft… Apple đang tập chung vào phát triển các nền tảng cho AR, công nghệ được dự đoán sẽ bùng nổ và chi phối mọi lĩnh vực của cuộc sống trong tương lai rất gần.
Ứng dụng AR với máy quét LiDAR trên Ipad pro –
Như vậy, Apple thay vì bắt người dùng phải mua thêm một thiết bị hoàn toàn mới Apple Glass họ đơn giản là tích hợp nó ngay trên các thiết bị di động sẵn có. Cùng với phần cứng là LiDAR trước đó Apple cũng đã phát triển nền tảng ARKit tích hợp vào hệ điều hành của mình. Khi mà công nghệ kính AR vẫn còn khá mới và cần rất nhiều công nghệ và thời gian để hoàn thiện, bước đi an toàn này của Apple có vẻ rất hợp lý.
Trước đây, Bloomberg tiết lộ thực tế ảo (VR) và thực tế tăng cường (AR) là hai công nghệ cốt lõi trong chiến lược phát triển tiếp theo của Apple. Và điều này cho đến nay đã được chứng minh là hoàn toàn đúng với việc thế hệ iPhone mới nhất là iPhone 12 Pro, Apple cũng đã tích hợp bộ cảm biến LiDAR.
Vậy là sau những thua kém về số chấm trên camera hay tích hợp 5G thì một lần nữa Apple đã đi trước các thương hiệu thiết bị cá nhân khác, thống trị mảng AR. Đây có lẽ là toan tính mang tính chiến lược rất thành công và thể hiện tầm nhìn của Apple.
Apple đang trong quá trình đàm phán để mua NextVR
Tham vọng này thể hiện khá sớm và rõ qua hàng loạt động thái thu mua các công ty công nghệ liên quan đến AR. Cụ thể:
- NextVR (Mỹ): Apple được cho là đang trong quá trình đàm phán để mua NextVR (công ty có hơn 40 bằng sáng chế liên quan đến công nghệ thực tế ảo), với mức giá thỏa thuận khoảng 100 triệu USD. Dù thực tế ảo (VR) không phải là đích chính nhưng Apple có thể quan tâm nhiều hơn đến các bí quyết biên dịch nội dung AR của NextVR để hướng đến tai nghe hay thiết bị di động của công ty trong tương lai.
- Camerai (Israel): Apple cũng vừa mua lại một công ty mới với tên Camerai chuyên về công nghệ máy ảnh và thực tế tăng cường (AR). Nhân viên Camerai đã được chuyển sang nhóm thị giác máy tính (Computer Vision) của Apple, trong khi công nghệ của công ty này đã được tích hợp vào các sản phẩm của Apple. Cả iOS 13 và iOS 14 đều đã nhận được các bản cập nhật phần mềm lớn cho hệ thống camera của nó. Camerai đã xây dựng một loạt công cụ AR cung cấp nhiều phương pháp chỉnh sửa hình ảnh khác nhau.
- Vrvana (Canada): Theo Business Insider, Apple đã mua lại công ty sản xuất kính thực tế ảo Vrvana. Trước đó trang tin TechCrunch cũng đã đưa tin về vấn đề này và được Business Insider xác nhận lại. Theo đó, Vrvana là công ty đến từ Montreal, Canada được thành lập vào năm 2005. Apple đã mua lại công ty này với giá khoảng 30 triệu USD. Sau khi được nhượng lại, hàng chục nhân viên của Vrvana, bao gồm cả CEO Bertrand Nepveu đã chuyển sang làm việc cho Apple ở bộ phận thực tế ảo. Vrvana được biết đến với mẫu Totem vẫn đang phát triển và là đối thủ với Microsoft HoloLens. Nếu Vrvana Totem có thể làm được như thế, nó sẽ giúp Apple phát triển vượt bậc trong nền tảng thực tế ảo VR và thực tế ảo tăng cường AR, công nghệ được dự đoán sẽ thành xu hướng trong tương lai.
- Spaces (Mỹ): Apple mua lại công ty khởi nghiệp VR Spaces. Spaces đã xây dựng các môi trường và trải nghiệm ảo theo chủ đề và dựa trên vị trí, và những người sáng lập của nó đã thành lập công ty vào năm 2016 sau khi rời DreamWorks Animation. Công ty đã huy động được 9,5 triệu đô la từ các nhà đầu tư, theo dữ liệu từ PitchBook.
- Akonia Holographics (Mỹ): Apple năm 2018 cũng đã chiêu mộ công ty khởi nghiệp (startup) Akonia Holographics. Một công ty chuyên tập trung vào phát triển và sản xuất ống kính chuyên dụng cho các tai nghe thực tế tăng cường (AR).
Liệu LiDAR có phát động một cuộc chạy đua công nghệ?
Với những ưu điểm vượt trội nêu trên, điều chắc chắn là những hãng smartphone khác sẽ nối gót Apple tham gia vào cuộc đua công nghệ LiDAR hoặc một công nghệ khác tương đương.
Hơn một thập kỷ trước, hãng Velodyne công bố cảm biến ba chiều đầu tiên trên thế giới. Thiết bị xoay này có giá tới 75.000 USD và có kích cỡ không mấy khiêm tốn. Rõ ràng, để nhét vừa LiDAR vào smartphone với không gian cực kỳ hạn chế là điều không dễ dàng, Apple đã người đầu tiên làm được điều này. Liệu cần bao lâu để các đối thủ khác bắt kịp?
