LiDAR (от англ. Light Detection and Ranging) — сенсор, использующий свет, точнее лазерный луч, чтобы обнаружить объекты в окружающей среде и определить дальность. Его применяют для создания точного 3D-изображения поверхностей, например для построения детализированных карт поверхности земли, которые нужны в геодезии, метеорологии, беспилотном транспорте и других сферах.
Принцип работы LiDAR основан на измерении времени, необходимого лазерному лучу на путь до объекта и обратно к приемнику. Расстояние вычисляется через скорость света. LiDAR использует различные виды лазеров, генерирующие около 1 млн импульсов в секунду. Данные преобразуются в трехмерную визуализацию — облако точек. Далее облако можно разметить и использовать для машинного обучения.
Способы применения LiDAR
Все разнообразие способов можно разделить на два вида:
- Топографические — для создания карт поверхности и открытых пространств.
- Батиметрические — для исследования подводных пространств.
Различие между ними в длине волны: в топографическом анализе используются волны, близкие к ИК-лучам, в батиметрическом — зеленый свет с длиной волны 532 нм, который легко проходит через воду.
- Беспилотный транспорт. Например, в автомобилях Tesla используются системы LiDAR для обнаружения и распознавания объектов на дороге.
- Сельское хозяйство. Лидар позволяет создать топографическую карту полей, выявить места с низкой урожайностью и определить, куда вносить удобрения к следующему году. Передает сигналы в ситуациях, когда спутниковая связь блокируется листвой и беспилотная с/х техника перестает работать.
- Археология. Создает цифровые модели рельефа археологических памятников с высоким разрешением, выявляет особенности, скрытые под растительностью.
- Аэрокосмическая промышленность. Измеряет высоту облаков, обнаруживает ледяные образования и помогает контролировать метеорологические явления.
- Видеоигры. Например, в iRacing и Assetto Corsa гоночные трассы построены по трехмерным облакам точек, полученным с датчиков лидара. Поверхности воспроизводятся с фантастической точностью.
Как работает?
- Излучение лазерного луча. Лидар генерирует короткие световые импульсы и отправляет их к целевому объекту. К примеру, если устройство установлено на дроне или автомобиле, луч передается на землю, отражается от поверхности и возвращается обратно на лидар, где фиксируется датчиком.
- Прием и обработка данных. Лидар принимает отраженный сигнал от объектов, а затем обрабатывает его, чтобы определить расстояние до них и создать их точечные профили. Датчики засекают время, прошедшее с момента излучения импульса до его отражения от поверхности, и вычисляют расстояние до объекта.
- Создание карты области. Лидар создает облако точек (обычно в трехмерном пространстве), в котором отображается расстояние до всех объектов вокруг него. Например, лидар, установленный на МКС (Международной космической станции) в рамках проекта GEDI NASA, изучает состояние лесов на Земле.
- Анализ данных. Полученные карты могут быть проанализированы для выявления особенностей и паттернов. Так, информация, полученная лидаром на МКС из примера выше, позволяет узнать, сколько углерода хранят мировые леса.
- Использование данных. После обработки и анализа они применяются в различных системах и приложениях. Если вернуться к тому же примеру из проекта NASA, на основании полученных данных можно смоделировать изменения климата и составить прогнозы для сельского хозяйства.
Данные LiDAR в машинном обучении
На основе данных LiDAR обучают ИИ для беспилотных автомобилей и других устройств, например роботов, которые воспринимают окружающую среду с помощью датчиков. Размеченные облака точек лидара используются для обучения алгоритмов, способных распознавать и классифицировать объекты, представленные в этом облаке.
Рассмотрим, как это работает, на примере беспилотного транспорта. Лидар, установленный на автомобиле, создает облако точек, которое автоматически обрабатывают алгоритмы машинного обучения. Например, нейронная сеть на основе данных лидара определяет местоположение и классифицирует объекты: пешеход, другой автомобиль, дорожный знак. Далее информация анализируется, и ИИ принимает решение: остановиться, снизить скорость, подготовиться к повороту.
Конечно, сам по себе компьютер не видит разницы между человеком, машиной или знаком. Предварительно его нужно обучить на большом наборе подготовленных и размеченных данных (фото, видео, облака точек). После этого он определит наборы признаков, взаимосвязи и будет распознавать объекты при движении почти с такой же скоростью и точностью, как и человек. Системы автоматического управления на основе нейронных сетей повышают безопасность на дороге за счет уменьшения вероятности опасных ситуаций при управлении автомобилем.
Еще один интересный пример использования облака точек — создание 3D-моделей зданий и других объектов. Для этого выполняется сегментация: облако разбивается на сегменты в соответствии с поверхностями, на которых они находятся. Можно выделить точки, соответствующие крышам, стенам, окнам и дверям, а также другим функциональным элементам здания. На основе этих данных создают 3D-модель. Так, в Лос-Анджелесе строят 3D-модели города и отдельных частей инфраструктуры, чтобы определить зоны с повышенным риском при землетрясении, спланировать ремонт мостов и дорожных покрытий.
Почему LiDAR лучше других датчиков?
- Высокая точность измерений. Лидар использует лазерный луч, который «ловит» объект на расстоянии до нескольких сотен метров и с точностью до нескольких миллиметров. Если применить это к беспилотному транспорту, такая информация позволяет соблюдать минимальное безопасное расстояние между автомобилями, точно вписываться в поворот даже при движении на большой скорости.
- Широкий угол обзора. Некоторые системы LiDAR имеют обзор до 360 градусов, а это значит, что у ИИ будет полная карта окружающей обстановки. «Яндекс», например, разработал собственные лидары для роботов и транспорта. Первый с обзором 360 градусов собирает данные об объектах вокруг автомобиля. Второй с обзором 120 градусов дает более детальную информацию об объектах по ходу движения.
- Хорошая работа даже при плохой видимости. В дождь, туман или снег другие датчики могут работать некорректно. Лазерные лучи лидара проникают сквозь туман и дождевые капли (хотя в сильный ливень возможны ошибки).
Сравним технологии LiDAR и RADAR
Лидары и радары — две самые распространенные системы для измерения расстояния и оценки окружающей среды, но работают они по-разному. Если лидар для сбора информации измеряет время прохождения лазерных импульсов до объекта и обратно, радар (от англ. Radio Detection and Ranging) использует для этого электромагнитные волны. Он посылает радиоволну, принимает отраженный сигнал и на основании задержки времени рассчитывает расстояние до объекта и его скорость.
Большинство производителей беспилотных автомобилей (Waymo, Toyota, Uber) выбирают лидар в качестве главного чувствительного устройства. С другой стороны, Илон Маск, генеральный директор Tesla, неоднократно отдавал предпочтение радарам. Кто прав?
Точность
Изображения, полученные с помощью лидара, более четкие и детальные, чем от радара. Диапазон световых сигналов, которые применяются в LiDAR, обычно находится в инфракрасной области спектра электромагнитных волн, то есть на длинах волн примерно от 700 нанометров до 1 микрометра. Это значит, что система может обнаружить мелкие объекты и создать их трехмерные изображения.
Разрешение изображений радара ограничено размером антенны. Например, для радара, который работает на частоте 10 ГГц, размер антенны может быть порядка 3 см. Для радаров с более высокой частотой размер антенны будет еще меньше.
Следовательно, если важно получить четкое, детализированное изображение, нужен лидар. Если важнее постоянно измерять расстояние до цели — радар. Он может работать в режиме постоянной частоты повторения импульсов. Широко используется в аэропортах для безопасной посадки и взлета самолетов.
Надежность
Здесь выигрывает радар. Крупные частые капли дождя могут повлиять на производительность системы LiDAR. Кроме того, лидары на беспилотных автомобилях с обзором 360 градусов стоят на вращающемся основании, чтобы изучать пространство со всех сторон. А это значит, что для хорошей работы устройства необходимо регулярное техобслуживание.
Радиоволны радара, во-первых, длиннее, чем импульсы лидара, во-вторых, имеют меньшее затухание и распространяются с минимальными помехами вне зависимости от погоды. Поэтому даже с учетом низкого разрешения изображений он даст всю необходимую информацию ИИ.
Стоимость
Еще недавно стоимость автомобильного LiDAR от Velodyne была больше 70 тыс. долларов. Радары были в разы дешевле. Но сейчас оба устройства почти сравнялись в цене. Так, в начале 2020 года та же компания Velodyne представила твердотельный лидар Velabit за 100 долларов. Радары все равно дешевле, но уже некритично: в среднем автомобильные модули стоят около 50 долларов.
В целом оба устройства достаточно точные и надежные. Выбор зависит от требований проекта и цели исследования. Кроме того, их можно использовать вместе, в сочетании с другими датчиками.