你能想象吗？激光雷达还能用于太空碎片测绘

编辑/朱琳编辑/涂艳萍设计/赵浩然来源/福布斯，作者：Sabbir Rangwala我们生活在一个充满数据和图像的世界。19世纪末，随着相机的发明，娱乐、消费、空间和医疗应用激增。20世纪初相机的引入延续了这场革命，并因半导体、计算、图像处理、机器学习和人工智能等技术的重大进步而加速。通常，这些方法侧重于图像和数据的2D渲染。3D成像始于20世纪80年代，具有磁共振成像、外太空激光雷达和牙科成像等专业应用。从那时起，它已经成熟，并在各种应用中获得了巨大的吸引力。图1：从磁共振成像和脑电图数据中获得的大脑三维重建▼

数据可以基于各种主动或被动技术生成。主动技术包括向感兴趣的物体发射电磁波或声波，并检测和分析返回的能量。发送信号和接收信号之间的时间或相位差提供了深度维度。诸如立体相机之类的被动技术也可以用于生成所需的3D数据。最后，通过结合机器学习和信号处理技术，还可以从单个视觉相机中提取3D信息，尽管与直接3D成像和测量相比，这通常在保真度和计算速度方面较差。激光雷达是AoT? 3D成像技术是应用中讨论和部署最多的技术之一，包括自动驾驶汽车、先进的驾驶辅助系统、自动化卡车运输、建筑、采矿、手术、智能城市和智能基础设施。在2008年DARPA大挑战赛中，Velodyne率先在自动驾驶汽车上使用环绕视角激光雷达。从那以后的十年里，激光雷达已经成为大多数汽车制造商的“必备品”，主要汽车制造商使用ADAS技术，自动驾驶技术公司使用本地化、映射和L4自动驾驶技术。特斯拉和其他公司认为，ADAS和AV不需要激光雷达——他们的方法是使用单视图相机，通过人工智能和机器学习技术提取3D信息。尽管有趣，但这种方法只是少数，尚未在现实生活环境中得到验证。

首尔机器人公司早期3D成像的实现依赖于经典的2D图像处理方法。从计算的角度来看，这是低效的，并且可以过滤掉大量有用的数据。近年来，越来越多的研究致力于三维视觉和图像处理。在2021 6月举行的大型全球成像会议上，3D计算机视觉成像占据了25个主题类别，共有44份报告。激光雷达点云对人类来说不是直观的可视化，需要计算机处理才能操作。随着技术和应用的成熟，专门处理激光雷达数据的软件公司正成为激光雷达公司的关键合作伙伴。它们有助于释放3D成像数据的真正力量和市场潜力，以实现安全高效的应用。首尔机器人公司就是这样一家公司——一个由40名软件和算法专家组成的团队，总部位于韩国首尔。他们与多家激光雷达公司合作，集成处理原始激光雷达点云数据的软件，为特定应用程序生成信息。该软件独立于实际的激光雷达架构和技术。首尔机器人公司首席执行官Han Bin Lee表示，“3D图像处理需要完全不同的技术，因为体素代表了更多信息的数量级，手动注释这些数据非常昂贵。”图2比较了典型汽车场景中的2D和3D成像：图2：矩形与矩形▼

如图2所示，对于2D和3D成像，数据以不同的方式进行结构化。考虑到机器学习所需的人类数据注释和注释的成本，首尔机器人公司将自动注释作为其对象库和算法的一部分。除了汽车项目外，首尔机器人公司还与一家大型汽车制造商合作开展工厂自动化和物流项目。他们的软件集成了数百个短ra……

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拼音 双语对照e和来自不同供应商的远程激光雷达3D图像，使工厂环境中数千辆汽车和卡车的移动自动化。该系统通过连接到5G网络的基于基础设施的3D感知来实现这一点。这是此类系统的首次大规模商业部署。最初，使用了2D相机，但产生了大量误报，降低了系统效率。也部署了简单的单光束激光雷达，但没有提供足够的安全和性能余量。立体相机的拍摄范围受到严重限制。首尔机器人公司的软件将高点密度短程激光雷达与远程激光雷达相结合，以解决所有这些问题。该系统正在与其他技术供应商合作积极开发，并计划在其他工厂实施。Han Bin Lee表示：“我们期待着3D视觉技术的重大实施及其在高安全水平下的大规模自动化效益。在这种规模的项目中获得的经验将对其他智能城市和智能基础设施应用非常宝贵。”

迪甘塔拉工厂自动化令人兴奋，但太空碎片测绘呢？这听起来可能很奇怪，但考虑到自20世纪60年代以来我们一直在向太空派遣人员和设备，这确实是一个问题。据估计，太空中大约有一百万块人造碎片，大小从一厘米到几米不等。随着碰撞的发生，这些物质将继续增加，导致所谓的凯斯勒综合征，该综合征假设“由于太空污染，近地轨道上物体的密度足够高，物体之间的碰撞可能导致级联，每次碰撞都会产生空间碎片，增加进一步碰撞的可能性。”，在这100万个碎片物体中，只有大约5%将被绘制和跟踪。这一结论的影响是巨大的，因为它限制了未来各种太空探索工具的发射。Digantara是一家印度公司，专门从事空间碎片测绘。该公司由一个工程师/企业家团队于2018年成立，旨在为空间碎片测绘问题提供解决方案。他们受邀在华盛顿举行的2019年国际宇航联合会创业促进会上展示了他们的商业计划。这为他们赢得了荣誉，更重要的是，他们获得了资金。Digantara的数据产品将被证明是未来太空发射的宝贵在轨规划，预测碰撞的可能时间，更新碎片地图，并向解决空间碎片清除问题的公司提供信息。印度空间研究组织是一家领先的全球航天机构，为该公司提供赠款、咨询和技术支持。目前的空间碎片测绘方法是基于地面的，结合使用雷达和二维光学望远镜。测绘受到天气和照明条件的限制。雷达可以进行短距离测绘，而望远镜由于需要很长的积分时间，只能进行长距离成像。轨道力学原理和模型用于从2D图像中提取3D数据，尽管这些外推存在保真度和准确性问题。大气扭曲使问题复杂化，使地球系统难以可靠、准确地绘制直径小于10厘米的物体的地图。“迪甘塔拉通过使用安装在立方体卫星集群上的激光雷达来解决这个问题，”迪甘塔拉首席技术官Tanville Ahmed说。“除了x-y位置，还必须使用主动三维成像来获取距离信息，因为近距离快速移动动物的被动成像需要非常大的集成时间，使测量变得毫无用处。”“此外，激光雷达使我们能够控制照明周期和波长，显著提高了图形系统的占空比。由于不存在大气损耗和非线性信号失真，空间3D成像可以显著提高信噪比性能。“激光雷达能够控制>成像是在1厘米大小的物体上进行的，这些物体以每秒10公里的速度在100公里的范围内移动。在基于射频的下行链路被发送到地球进行进一步处理之前，数据在立方体卫星上被压缩。Digantara系统的示意图如图3所示：SCOT卫星概念图▼

回到地球上，智能手机和智能眼镜正在呼唤我们。苹果率先开发了……

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拼音 双语对照使用基于结构光的3D成像技术的前几代iPhone上的FaceID应用程序。紧随其后的是最新一代iPad和iPhone上的VCSEL-SPAD激光雷达。其他手机制造商也纷纷效仿，因为除了通常的摄影和房间地图应用程序外，增强现实应用程序在游戏和工业生产力等不同领域也呈现出爆炸式增长。pmdtechnologies AG成立于2002年，由具有20年研究经验的学者组成。总部位于德国齐根，专注于3D ToF成像仪，使用专业的高分辨率CMOS红外成像仪和VCSEL阵列生成和提取3D数据。PMD是光子混合器设备的缩写——本质上，VCSEL发射调制的激光束，反射的能量与每个探测器像素内的参考电信号混合，以提取距离信息。像素内的电路具有拒绝背景照明噪声影响的能力，允许3D成像器在不同的照明和天气条件下在可缩放的范围内操作。图4说明了成像器的操作：图4：光子混合器设备的工作原理▼

英飞凌和pmd技术于2015年联合发布了第一代成像设备REAL3? 图像传感器目前正处于第六代生产阶段。应用包括消费级移动设备和AR/VR、工业和汽车。2016年，REAL3? 设计成谷歌的Project Tango智能手机。其他智能手机设计也在继续与LG、华为和夏普合作。PMD Technologies创始人兼首席执行官Bernd Baxbaum，他说：“智能手机的3D功能与其他运动传感器数据相结合，可以实现高度逼真的AR应用，并实现无缝的用户体验。如果没有直接的3D测量，创建3D感知是困难的，因为它依赖于对平面物体、地板和墙壁的假设，计算密集，并且依赖于良好的环境照明条件。”。“ToF感应通过提供以下功能增强了AR体验：1通过准确的手势识别，直观的设备控制2。通过精确的房间映射、表面检测和遮挡，实现身临其境的游戏和应用体验3。大大降低了从2D图像中提取3D信息所需的计算能力

Vuzix将激光雷达功能集成到智能眼镜中，将加速AR、工业生产力、教育、远程专家辅助、过程自动化、游戏和医疗应用。人类视觉和联网智能眼镜与3D激光雷达成像功能的结合，为知识管理和正在进行的自动化革命开辟了重要应用。Vuzix是一家智能眼镜制造商，它采用了专利波导技术，实现了低重量、薄而美观的眼镜，使用起来非常舒适。Vuzix总部位于纽约州罗切斯特市，为客户生产智能眼镜，范围从远程专家支持、物流和制造到教育和远程医疗。潜在的应用是多样化和令人兴奋的，Pano Spirotis领导新成立的解决方案团队Vuzix Solutions与客户合作，通过智能眼镜提供来自互联传感器生态系统的信息。重点是将人员、传感器和存储的数据集成到网络环境中，以在个人和远程组环境中实现无缝工作流程。图5完美地说明了这一点。图5：现场佩戴智能眼镜的学生将设备图像传输给远程专家▼

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智能手机通过将位置信息与优步（Uber）和Lyft等拼车服务相结合，开启了这场革命。智能眼镜是推动将存储的知识与3D位置和视觉数据集成在一起的新型网络应用的下一个前沿领域。“我们的目标是通过3D视觉和地图将现实世界与数字世界连接起来。在下一代智能眼镜中集成激光雷达和3D传感功能将实现重大应用。”除了图5所示的例外，这些应用还包括：1。医疗/外科：激光雷达和雷达的混合使用可以帮助外科医生在手术中提供更好的肿瘤定位精度。这种多层次的方法可以通过测量反射信号的对比度来检测健康问题中癌性肿瘤的存在。2.建筑：建筑师和设计师可以创造和设计……

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拼音 双语对照他们计划建造的项目的虚拟3D图像，使用生动的建筑和室内细节的精确再现。3.油气：差分吸收激光雷达是一种油气勘探方法。除了用于探测气体和颗粒物外，激光雷达测绘还提供了精确的3D地形模型，最大限度地减少了项目对环境的影响。这可能是一种在世界各地的石油钻井平台上使用的有用工具。4.执法：历史上，指纹检测是通过茚三酮或重氮芴酮等化学试剂实现的。通过与激光雷达集成的智能眼镜，可以使用红外激光对指纹进行三维可视化。这将消除化学物质、灰尘和随后的实验室分析，使执法人员能够在几秒钟内扫描并匹配犯罪现场的指纹。在一个多世纪前相机发明之后，我们在没有3D视觉和激光雷达的情况下存活了这么长时间，这并不奇怪。除了一些复杂而昂贵的实现之外，这项技术无法扩展。但随着消费者和自动化应用程序推动这项技术的大规模实施，这种情况正在迅速改变。光学、半导体、3D图像处理、人工智能、机器人、计算、云和无线技术的发展正在加速以前不可能实现的应用。可以肯定的是，几年后，这种新的成像和数据可视化模式将从一种新颖的成像模式转变为一种常见的成像模式，类似于过去相机的发展。

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