LiDAR که مخفف عبارت Light Detection and Ranging است، یک فناوری سنجش از دور است که از پرتو لیزر برای به دست آوردن اطلاعات درباره اشیاء اطراف استفاده می کند.

از زمان پیدایش، دانشمندان از LiDAR برای نقشه برداری از سطح زمین و به دست آوردن داده های هواشناسی استفاده کرده اند. پیچیده به نظر می رسد و بیایید صادق باشیم، این فناوری به ندرت مقرون به صرفه است، اما استفاده از آنها در صنعت زمین فضایی بازده زیادی در سرمایه گذاری آن دارد (اما با هزینه).

اما فناوری با گذشت سال ها در دسترس تر می شود. اکنون که هزینه سنسورهای LiDAR کاهش یافته است، این فناوری به طور فزاینده ای در دستگاه های مصرف کننده مانند اتومبیل های خودران، گجت های واقعیت افزوده، تلفن های هوشمند و حتی جاروبرقی استفاده می شود.

در این مقاله در مورد نحوه عملکرد LiDAR صحبت خواهیم کرد و برخی از محبوب ترین و مفیدترین برنامه های کاربردی آن در سال 2021 را پوشش خواهیم داد.

LiDAR چگونه کار می کند؟

سیستم‌هایی که از LiDAR استفاده می‌کنند، پالس‌های نور را درست خارج از طیف مرئی ارسال می‌کنند و مدت زمان بازگشت هر پالس را اندازه‌گیری می‌کنند. هر زمان که پالس به جسمی برسد، نقاط داده با توجه به جهت و فاصله آن از LiDAR جمع آوری می شود.

با استفاده از حسگرهای LiDAR، می توان شکل و جهت هر شی در فضا را بر اساس اختلاف زمانی بین انتشار سیگنال لیزر و بازگشت آن به حسگر پس از پرش مشخص کرد.

با پینگ‌های مکرر، یک دستگاه دارای LiDAR همچنین می‌تواند نحوه حرکت اجسام نزدیک، سرعت آنها و رو به رو یا دور شدن آنها از دستگاه LiDAR را یاد بگیرد.

سه جزء اصلی هر دستگاه LIDAR وجود دارد :

• یک لیزر،
• یک اسکنر،
• و گیرنده تخصصی GPS

سیستم‌هایی که از LiDAR استفاده می‌کنند، پالس‌های نور را درست خارج از طیف مرئی ارسال می‌کنند و مدت زمان بازگشت هر پالس را اندازه‌گیری می‌کنند. هر زمان که پالس به چیزی برسد، نقاط داده با توجه به جهت و فاصله آن جمع آوری می شود.

( منبع )

دستگاه LiDAR سیگنال های لیزری سریعی را منتشر می کند که گاهی اوقات تا 150000 پالس در ثانیه می رسد. اگرچه هر دستگاه ممکن است متفاوت عمل کند، به طور کلی، آنها پرتوها را با جارو کردن در یک دایره مانند یک بشقاب رادار در حالی که لیزر را به سمت بالا و پایین حرکت می دهند، ارسال می کنند.

در اینجا فرآیندی وجود دارد که هر دستگاه LIDAR از آن پیروی می کند:

1. لیزر سیگنال هایی را منتشر می کند
2. یک سیگنال به یک مانع می رسد
3. یک سیگنال از مانع منعکس می شود
4. سیگنال ها به گیرنده باز می گردند
5. پالس های لیزر ثبت می شوند
6. به هر پالس ثبت شده یک مکان و نمایش در یک ابر نقطه LiDAR اختصاص داده می شود

در بیشتر موارد، یک ابر نقطه به عنوان یک واسطه بین داده های خام جمع آوری شده توسط فرآیندهای LiDAR و مدل های سه بعدی کار می کند. با این حال می توان از ابرها برای ذخیره هر گونه اطلاعات مکانی و دستکاری آن برای الگوریتم های مختلف، هوش مصنوعی، یادگیری ماشین و سایر نرم افزارهای تحلیلی استفاده کرد. به عنوان مثال، یک برنامه نقشه برداری LIDAR می تواند به هر نقطه در یک ابر نقطه ارجاع جغرافیایی دهد تا نقشه های بسیار دقیقی از محیط های دنیای واقعی ایجاد کند.

( منبع )

طول موج سنسورهای LiDAR از مادون قرمز (10 میکرومتر) تا ماوراء بنفش (250 نانومتر) متغیر است و می‌توان آن را برای انواع مختلفی از مواد از جمله سنگ، باران، مواد شیمیایی، هوا، ابرها و حتی مولکول‌های منفرد اعمال کرد. برای مثال، ترکیب بهینه طول‌موج‌ها می‌تواند با تشخیص تغییرات وابسته به طول موج در شدت سیگنال برگشتی، نقشه‌برداری از راه دور محتویات اتمسفر را امکان‌پذیر سازد.

یک پرتو لیزر باریک و متمرکز می تواند ویژگی ها را با وضوح بسیار بالا ترسیم کند. به عنوان مثال، یک هواپیما می تواند از زمین با وضوح 30 سانتی متر (12 اینچ) نقشه برداری کند.

برخلاف انعکاس مستقیم که ممکن است با یک آینه پیدا شود، نور LIDAR اغلب از طریق پراکندگی عقب منعکس می‌شود –  پدیده‌ای که زمانی رخ می‌دهد که ذرات نور در زاویه‌هایی نسبت به جهت اصلی حرکت پراکنده شوند. در کاربردهای مختلف LIDAR، انواع مختلفی از پراکندگی استفاده می‌شود. : در درجه اول پراکندگی رایلی، پراکندگی Mie، پراکندگی رامان و فلورسانس.

دو طبقه بندی یا نوع اصلی سیستم های LiDAR وجود دارد:

• عملیات LIDAR زمینی در سطح زمین اتفاق می افتد و می تواند ثابت یا متحرک باشد.
• سیستم LIDAR هوابرد فناوری است که در آن یک اسکنر لیزری متصل به یک هواپیما مانند هلیکوپتر، هواپیما یا یک پهپاد، یک نقشه ابر نقطه ای سه بعدی از منظره ایجاد می کند.

سیستم هوابرد LIDAR در حال حاضر دقیق ترین و دقیق ترین روش ایجاد مدل های ارتفاعی دیجیتال است که جایگزین فتوگرامتری شده است.

LIDAR در مقابل رادار: تفاوت کلیدی

ممکن است فکر کنید که فناوری LIDAR بسیار شبیه رادار است، درست است؟

در حالی که هدف اصلی آنها یکسان است – شناسایی اجسام دور – تشخیص تفاوت بین LiDAR و RADAR ضروری است.

سیستم رادار تقریباً مانند LiDAR عمل می کند، با این تفاوت که سیستم رادار به جای لیزر از امواج رادیویی استفاده می کند. با پیروی از همین منطق، شما می گویید که SONAR از امواج صوتی استفاده می کند، درست است؟ شما درست می گویید.

برخلاف امواج نور، امواج رادیویی هنگام برخورد با اجسام جذب بسیار کمتری دارند. بنابراین، آنها می توانند در مسافت های نسبتا طولانی و از طریق مه یا ابرها کار کنند.

به همین دلیل است که رادار معمولاً توسط ارتش استفاده می شود، جایی که هواپیماها و کشتی های جنگی دارای رادار برای اندازه گیری ارتفاع و شناسایی سایر وسایل حمل و نقل هستند. این سیستم همچنین توسط سیستم های ضد برخورد در هواپیما، توسط کنترل کننده های ترافیک هوایی یا در نجوم رادار استفاده می شود.

( منبع )

همانطور که قبلا ذکر شد، LiDAR یک فناوری سنجش از راه دور مبتنی بر نور است. از آنجایی که امواج نور دارای طول موج کوتاه تری نسبت به امواج رادیویی هستند، دقت بیشتری در ترسیم تصویر دقیق از هدف دارند.

به عنوان مثال، یک سیستم رادار معمولی دارای قدرت تفکیک چند متر در یک بازه زمانی 100 متر است، در حالی که سیستم های LiDAR دارای وضوح چند سانتی متر در همان فاصله هستند.

علاوه بر آن، LiDAR فقط فاصله را اندازه گیری نمی کند، بلکه اطلاعات اضافی زیادی را در مورد شکل جسم نیز استنباط می کند. به همین دلیل، LiDAR در ارتفاع سنجی لیزری، نقشه برداری کانتور و مدل های دیجیتالی زمین استفاده می شود.

واقعیت جالب: چندین خودروساز از جمله گوگل، اوبر و تویوتا به شدت به سیستم‌های LiDAR برای هدایت وسایل نقلیه خود متکی هستند، در حالی که خودروهای خودران تسلا به فناوری رادار به عنوان حسگر اصلی خود متکی هستند.

ما پوشش داده ایم که LIDAR چیست و چگونه کار می کند. بیایید ببینیم که LIDAR چگونه در دنیای نوآورانه امروزی استفاده می شود.

اپل LiDAR را به آیفون و آیپد اضافه کرد: حالا چه؟

اپل در اوایل سال جاری پس از افزودن LiDAR به جدیدترین آیفون 12 پرو (مکس)، آیفون 12 پرو مکس یا آیپد پرو 2020 ، دست به کار شد.

اما چرا افزودن حسگرهای LIDAR می تواند اتفاق بزرگ بعدی برای صنعت گوشی های هوشمند باشد؟ چرا اپل باید چنین کاری انجام دهد؟ آیا این نوعی طرح اصلی نابغه است که با هدست “شایعاتی” Apple AR ارائه می شود.

در زیر برخی از متداول‌ترین روش‌های استفاده از LIDAR در دستگاه‌های اپل، هم اکنون و هم در آینده آورده شده است.

اندازه گیری

Measure اپلیکیشنی است که در آیفون و آی‌پد اپل گنجانده شده است و می‌تواند به عنوان یک جایگزین مجازی برای خط‌کش، سطح و اندازه‌گیری نوار عمل کند.
LiDAR داخلی به شما امکان می‌دهد فاصله بین دو نقطه را اندازه‌گیری کنید، اندازه‌های اجسام را بیابید و حتی صاف بودن سطح را بررسی کنید.

( منبع )

علاوه بر این، می توانید با اندازه گیری قد دوستان خود را تحت تاثیر قرار دهید:

( منبع ) می توانید از دکمه شاتر برای گرفتن عکس از یک فرد با اندازه گیری قد آنها استفاده کنید.

علاوه بر این، می توانید تاریخچه تمام اندازه گیری های خود را دریافت کنید و اندازه گیری های دانه ای بیشتری را با نمای خط کش انجام دهید.

اسکن سه بعدی

فناوری LiDAR قابلیت‌های واقعیت افزوده اپل را به‌ویژه هنگامی که به اسکن محیط‌های دنیای واقعی و نمایش اشیاء مجازی درون آن‌ها می‌رسد، بسیار افزایش داده است.

برنامه هایی مانند Ikea Place و Live Home 3D در حال حاضر کاربران را قادر می سازد تا مبلمان و دکوراسیون را در خانه خود قرار دهند، اما LIDAR سطح دقت آنها را به سطح بالاتری می برد.

یکی دیگر از مزایای سنسورهای لیدار این است که اشیاء مجازی بدون توجه به جایی که در اتاق هستید در یک نقطه باقی می مانند.

( منبع )

برنامه‌های Canvas Pocket 3D Room و Sitescape از LiDAR برای ضبط و اشتراک‌گذاری اسکن‌های سه‌بعدی دقیق ساختمان‌ها، اتاق‌ها و مکان‌های اطراف شما استفاده می‌کنند.

https://youtu.be/5Hbv8wybxnY

بعداً می‌توانید اسکن را اصلاح، صاف یا ساده کنید. می توانید فاصله بین هر دو نقطه را در اسکن اندازه گیری کنید و آن را در قالب های مختلف به اشتراک بگذارید.

عکاسی

وقتی LIDAR با دستگاه‌های اپل استفاده می‌شود، کیفیت فیلم‌برداری را به‌ویژه در سناریوهای چالش برانگیز افزایش می‌دهد.

در صحنه‌های کم نور، حسگر LiDAR امکان فوکوس 6 برابر سریع‌تر را برای جلسات ویدیو و عکس فراهم می‌کند. آیا توانایی های عکس/فیلم در گوشی های هوشمند مهم هستند؟ آیا خرس در جنگل مدفوع می کند؟ (بله تهاجمی پاسخ به هر دو سوال بلاغی است.)

LiDAR کیفیت حالت شب را با ارائه اندازه گیری دقیق فاصله افزایش می دهد. همچنین به محاسبه مقدار بوکه برای افزودن کمک می کند که حس عمق مصنوعی را بهبود می بخشد.

( منبع )

دوربین آیفون از عکاسی محاسباتی برای به دست آوردن تعادل بین نوردهی پیش‌زمینه و پس‌زمینه استفاده می‌کند، حتی زمانی که کنتراست مانند اینجا بسیار زیاد است.
همانطور که اپل به اشتراک می گذارد، LiDAR “توانایی اندازه گیری فاصله نور و استفاده از اطلاعات عمق پیکسلی یک صحنه” را ارائه می دهد، که هر مرحله از فرآیند گرفتن عکس و فیلم را بهبود می بخشد.

بازی ها و اپلیکیشن های واقعیت افزوده

بالاخره، ها؟ اساساً هر برنامه AR می تواند از افزودن LiDAR سود ببرد.

اشیاء در بازی ها را می توان با دقت بیشتری در یک محیط واقعی قرار داد. با اسکن LiDAR، اپلیکیشن‌های AR بالاخره تشخیص می‌دهند که چه چیزی باید جلوی یک شی مجازی یا پشت آن باشد. موقعیت قرارگیری اشیا به جایی که می ایستید بستگی ندارد، این امکان را برای بازی های روان و تجربیات دیگر فراهم می کند.

به عنوان مثال، برنامه Playground AR: Physics Sandbox (برنامه رتبه بندی 4.7 در App Store) به شما امکان می دهد بلوک های مجازی را در یک محیط واقعی قرار دهید تا ببینید چگونه با یکدیگر تعامل دارند.

این بازی به شما امکان می‌دهد از مکعب‌ها، مستطیل‌ها، مثلث‌ها، استوانه‌ها، توپ‌های نشانه‌گذاری و ماشین‌های مدل استفاده کنید، سپس آنها را روی یک زمین، میز یا سطوح دیگر قرار دهید.

( منبع )

شما می توانید مکعب ها را هر طور که می خواهید مرتب کنید و جابجا کنید و آنها به طور واقع بینانه با محیط شما تعامل خواهند داشت.
در Hot Lava ، یکی دیگر از بازی‌های جذاب واقعیت افزوده، اسکنر LIDAR توانایی‌های خود را بیش از پیش ثابت می‌کند. به یاد دارید در کودکی کف بازی گدازه است؟ تبریک به خاطر داشتن یک کودکی عالی!

این برنامه پس از اسکن اتاق نشیمن با آی‌پد، گدازه‌های داغ و پلتفرم‌هایی را برای یک شخصیت مجازی ایجاد می‌کند تا برای واقعیت افزوده به آن بپرد.

LiDAR برنامه های واقعیت افزوده را بیش از هر زمان دیگری فراگیر می کند. این، بدون شک، بر سرگرمی و همچنین برنامه های تجاری که از LIDAR تا حد امکان استفاده می کنند، تأثیر می گذارد.

انتظار می‌رود اپل با پروژه عینک‌های واقعیت افزوده خود از فناوری LIDAR حتی بیشتر استفاده کند .

اما این فقط اپل نیست که از فناوری اسکن لیزری استفاده کامل می کند.

بیایید نگاهی بیندازیم که LIDAR چگونه گردش کار موجود را بهبود می بخشد و فرصت های باورنکردنی را برای صنایع جدید باز می کند.

9 داغ ترین و کاربردی ترین کاربردهای فناوری LIDAR در دنیای واقعی

رباتیک

تعداد فزاینده‌ای از روبات‌ها از LiDAR برای اجتناب از موانع و ناوبری، هم در بازارهای مصرف‌کننده و هم در رسانه‌های علمی استفاده می‌کنند.

PS: اگر به دنبال ساخت ربات دیجیتال LiDAR خود در Unity هستید، کارگاه LiDAR Nakisa را بررسی کنید .

به عنوان مثال، Wyze و Roborock جاروهایی ایجاد کرده‌اند که اجسام (پایه میز را از کفش‌های شما) تشخیص می‌دهند تا بهتر در اطراف آنها حرکت کنند.
ویدئوی Boston Dynamics در زیر نشان می‌دهد که چگونه LiDAR به ربات‌های پیشرفته‌تری مانند Spot راه پیدا کرده است:

 

خیلی خوب به نظر می رسد (و همچنین اگر قسمت ” Metalhead ” از Black Mirror را تماشا کرده اید، به شما سرگرمی های سرگرم کننده می دهد.)

این ربات علاوه بر سیستم LiDAR در سر خود، از یک اسکنر نوری و یک دوربین برای خواندن کدهای QR استفاده می کند.

هواشناسی و مطالعات جوی

با فناوری LiDAR، اندازه‌گیری‌های مختلفی می‌توان انجام داد، مانند پروفایل ابرها، مطالعه الگوهای باد، مطالعه ذرات معلق در هوا و تعیین کمیت اجزای مختلف جو.

به نوبه خود، اجزای اتمسفر می توانند اطلاعات مفیدی در مورد فشار سطح، انتشار گازهای گلخانه ای و رطوبت ارائه دهند.

برای مثال LiDAR زمینی می‌تواند مرزهای ابر را با کار در باندهای مادون قرمز و مرئی نزدیک تشخیص دهد.

وسایل نقلیه خودران

قبلاً ذکر شد که فناوری LiDAR به طور فزاینده‌ای در وسایل نقلیه خودران رایج می‌شود، زیرا در مقایسه با دوربین‌ها یا رادار دقیق‌تر است و نسبت به سطوحی که بازتابنده، بافت‌دار یا بدون بافت هستند، غیرقابل نفوذ است.

بخش بزرگی از افزایش محبوبیت LiDAR را نیز می توان به کاهش قیمت حسگر لیزری نسبت داد.

برای اولین بار، گوگل یک نمونه اولیه ماشین بدون راننده را در سال 2012 با استفاده از لیدار 70000 دلاری ارائه کرد. تا سال 2017، Waymo اعلام کرد که LiDAR های آن 90٪ ارزان تر هستند. امروز، Luminar LiDAR‌های طراحی شده برای رانندگی خودران را با قیمت کمتر از 1000 دلار ارائه می‌کند.

انرژی تجدید پذیر

بخش انرژی های تجدیدپذیر اکنون شروع به استفاده موفقیت آمیز از سیستم های داپلر لیدار برای اندازه گیری سرعت باد، تلاطم، جهت باد و برش باد کرده است.

شرکت مشاوره انرژی Carbon Trust بریتانیا از سیستم‌های LiDAR شناور برای مقایسه اندازه‌گیری‌های سرعت و جهت باد با دکل‌های دریایی موجود استفاده کرد.

مطالعه آنها نشان داد که سیستم‌های اندازه‌گیری LIDAR نه تنها دقیق‌تر هستند، بلکه می‌توانند در مقایسه با راه‌حل‌های متداول دکل سنتی منجر به ۹۰ درصد صرفه‌جویی در هنگام نصب و نگهداری شوند.

کاوش و فرود فضایی

LiDAR توسط ناسا به عنوان یک فناوری امیدوارکننده شناخته شده است که فرود ایمن و دقیق خودران خودروهای رباتیک و خدمه ماه را در آینده امکان پذیر می کند.

فناوری LiDAR می‌تواند نقشه‌های ارتفاعی سه‌بعدی زمین، فواصل با دقت بالا تا زمین، و نزدیک شدن به سرعت لازم برای فرود وسایل نقلیه روباتیک و سرنشین‌دار را با دقت بیشتر ارائه دهد.

 

از هم‌اکنون، ناسا در حال آزمایش سیستم‌های فلش LiDAR است که با هدف رفع نیازهای فرود سیاره‌های آینده انجام می‌شود.

کشاورزی

شرکت‌های فناوری کشاورزی می‌توانند از LiDAR برای شناسایی مناطق با نور خورشید بهینه برای رشد محصول استفاده کنند.

سیستم‌های یادگیری ماشینی همچنین می‌توانند برای شناسایی محصولاتی که به پوشش گیاهی، آب و کود نیاز دارند آموزش ببینند.

اکتشاف نفت و گاز

به دلیل طول موج کوتاهتر، LiDAR می تواند مولکول های ریز موجود در جو را تشخیص دهد.
به همین دلیل است که روش جدیدی به نام LiDAR جذب تفاضلی (DAL) برای مکان یابی ذخایر جدید نفت و گاز استفاده می شود.

عرضه کننده جهانی راه حل های پیشرفته LiDAR زیردریایی، 3D at Depth به اعتبار بخشیدن به بازار LiDAR برای صنعت بالادست نفت و گاز ادامه داده است.

 

اندازه‌گیری لیزری کف دریا تنها 2.5 ساعت طول می‌کشد، در حالی که روش‌های سنتی مانند اندازه‌گیری‌های ترکیبی آکوستیک یا LBL/Inertial برای هر اندازه‌گیری 9 تا 12 ساعت طول می‌کشد. علاوه بر این سیستم های سنتی از تجهیزات گران تری استفاده می کنند و اطلاعات بصری کمتری را ارائه می دهند.

مدل‌سازی سونامی و تلفن ثابت (تحلیل بلایای طبیعی)

LiDAR توسط سیستم های هشدار سونامی برای هشدار دادن به مردم در منطقه خود در صورت نزدیک شدن سونامی استفاده می شود.

LiDAR همچنین ارتفاع یک ساحل و زیر آب را اندازه گیری می کند. از این اطلاعات می توان برای تغذیه داده های LiDAR به یک GIS استفاده کرد، که برای پیش بینی مناطقی که ممکن است بیشتر تحت تأثیر سونامی قرار گیرند استفاده می شود.

( منبع ) سیل ناشی از طوفان آیزاک با استفاده از LiDAR نقشه برداری شد.

علاوه بر این سیستم های هوایی LIDAR می توانند برای به دست آوردن اطلاعات دقیق منطقه ای زمین لغزش با سرعت بیشتر، بهبود ایمنی و زمان پاسخ استفاده شوند.

پزشکی قانونی و اثر انگشت

LiDAR برای ایجاد سریع شواهد دقیق بسیار مفید است و هزاران اندازه گیری در ثانیه به دست می آورد.

از آنجایی که تحقیقات پزشکی قانونی همیشه با به دست آوردن، بررسی و تجزیه و تحلیل شواهد آغاز می شود، ابزارهای مبتنی بر LIDAR می توانند به محققین پزشکی قانونی کمک کنند تا فرآیند جمع آوری داده ها را سریعتر و دقیق تر در مقایسه با رویکرد دستی انجام دهند.

( منبع )

مبانی LiDAR – تشخیص نور و محدوده – سنجش از دور

نویسندگان: لیا آ. واسر

آخرین به روز رسانی: 7 اکتبر 2020