補(bǔ)盲激光雷達(dá)，角分辨率越小越好嗎？

如何簡(jiǎn)單地判斷一款補(bǔ)盲激光雷達(dá)的成像效果？

業(yè)界通常有幾個(gè)指標(biāo)：視場(chǎng)角大小、測(cè)距范圍，以及角分辨率。

一款優(yōu)秀的補(bǔ)盲激光雷達(dá)，通俗來說：既要看得廣，還要看得清。

上期我們討論了補(bǔ)盲激光雷達(dá)如何看得夠廣的話題（上期：充足的激光雷達(dá)視場(chǎng)要多大？補(bǔ)盲激光雷達(dá)視場(chǎng)覆蓋大揭秘！），這期我們聊聊補(bǔ)盲激光雷達(dá)的另一個(gè)關(guān)鍵問題——如何“看得夠清”，即角分辨率該如何定義。

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補(bǔ)盲雷達(dá)角分辨率：久經(jīng)思量的Trade-off

什么是激光雷達(dá)角分辨率

如果把激光雷達(dá)類比成人眼，那視場(chǎng)大小相當(dāng)于人眼視野的寬窄，分辨率是決定人眼對(duì)圖像細(xì)節(jié)辨識(shí)能力最重要的因素之一。

分辨率在激光雷達(dá)領(lǐng)域?qū)?yīng)為角分辨率，指的是相鄰兩個(gè)激光掃描點(diǎn)之間的角度間隔，一般以度（°）為單位。由于目前激光雷達(dá)有很多種掃描方式，每種方式在掃描點(diǎn)分布上的差異，導(dǎo)致掃描點(diǎn)并不絕對(duì)均勻，因此這里講的激光雷達(dá)角分辨率是一個(gè)等效平均的概念。

直觀理解，角分辨率越小，單位空間角內(nèi)分布的激光點(diǎn)數(shù)就越多，其對(duì)于物體的分辨能力就會(huì)越強(qiáng)。相同角分辨率下，對(duì)同一物體，距離越遠(yuǎn)探測(cè)到的激光點(diǎn)數(shù)越少，如圖所示。

補(bǔ)盲激光雷達(dá)，角分辨率不能太小

激光雷達(dá)的角分辨率定義是非常講究的。

相比于長(zhǎng)距前向激光雷達(dá)，短距補(bǔ)盲激光雷達(dá)的分辨率定義更加復(fù)雜，考量因素更多。

首先，要確定補(bǔ)盲激光雷達(dá)所需覆蓋的感知范圍。

現(xiàn)階段，補(bǔ)盲激光雷達(dá)的探測(cè)距離范圍一般在25~30米（@10% 朗伯反射，指入射能量在所有方向均勻反射）。

當(dāng)需求感知距離達(dá)到20m（※）時(shí)，如果要對(duì)典型目標(biāo)物輸出高置信度的感知結(jié)果，粗略估計(jì)其平均角分辨率需要達(dá)到0.5°。

※ 如上表所示，對(duì)典型的目標(biāo)物（小轎車、行人和騎行人）來說，即使考慮到MEMS掃描的特殊性，在20米距離下也能有足夠多點(diǎn)數(shù)來支撐算法準(zhǔn)確輸出高置信度的目標(biāo)級(jí)感知結(jié)果。

其次，補(bǔ)盲雷達(dá)的應(yīng)用場(chǎng)景不僅要求它對(duì)近距離的物體有探測(cè)輸出，同時(shí)對(duì)被測(cè)物體輪廓的細(xì)節(jié)也有一定要求。

舉個(gè)例子，在自動(dòng)泊車場(chǎng)景中，補(bǔ)盲雷達(dá)需要對(duì)非結(jié)構(gòu)化的各類異形物體進(jìn)行探測(cè)，作為對(duì)現(xiàn)行攝像頭與超聲波雷達(dá)識(shí)別能力不足的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)安全快捷的泊車。

那么，是否可以簡(jiǎn)單粗暴地認(rèn)為角分辨率越小越好？直接將角分辨率定為0.1°甚至更小能實(shí)現(xiàn)完美效果嗎？

答案是否定的。

角分辨率并不是越小越好，過小的分辨率會(huì)對(duì)激光雷達(dá)的應(yīng)用造成負(fù)面影響。

當(dāng)我們用手機(jī)上號(hào)稱1億像素的主攝像頭拍照時(shí)，極大概率輸出照片的分辨率只有幾百萬(wàn)，至多千萬(wàn)像素。原因在于1億像素雖然提升照片的細(xì)節(jié)，但卻也犧牲了像素的尺寸，導(dǎo)致圖像的感光性能并不出色。

此外，過多的像素會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)空間的占用。實(shí)際上，絕大部分情況下，千萬(wàn)像素已經(jīng)能夠提供非常出色的感官效果，畢竟需要把圖片放大數(shù)倍看細(xì)微細(xì)節(jié)的應(yīng)用少之又少。

同樣的考量對(duì)激光雷達(dá)也適用，特別是對(duì)補(bǔ)盲激光雷達(dá)，角分辨率不能太小。

補(bǔ)盲激光雷達(dá)的視場(chǎng)角都非常大，尤其垂直視場(chǎng)角通常是長(zhǎng)距激光雷達(dá)的3倍。如果這時(shí)將角分辨率設(shè)定得非常小，就會(huì)造成補(bǔ)盲激光雷達(dá)單幀的數(shù)據(jù)量過大，對(duì)域控的算力造成壓力。

激光雷達(dá)單幀數(shù)據(jù)量對(duì)比

同時(shí)，在一輛自動(dòng)駕駛車上，其所需的補(bǔ)盲激光雷達(dá)數(shù)量通常比長(zhǎng)距雷達(dá)多，單幀數(shù)據(jù)量過大將對(duì)域控的算力造成更大的壓力。

也許有人會(huì)說，激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)量與目前車載攝像頭的數(shù)據(jù)量比是小巫見大巫，對(duì)越來越大的算力平臺(tái)而言不算什么。

確實(shí)，對(duì)于嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU）的算力總量而言，激光雷達(dá)占用的算力不大。但對(duì)于目前主流的算力芯片而言，中央處理器（CPU）才是拖油瓶；激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)在進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)前需要調(diào)用CPU來進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)解析、濾噪等操作，更不用說并發(fā)的超大激光雷達(dá)數(shù)據(jù)量對(duì)于車載以太網(wǎng)絡(luò)造成的壓力。

平衡點(diǎn)在哪里？

一方面，角分辨不夠小，無法滿足對(duì)物體細(xì)節(jié)的探測(cè)要求；另一方面，角分辨率過小，會(huì)對(duì)域控算力造成壓力。平衡點(diǎn)在哪里？

實(shí)際上，在短距激光雷達(dá)的感知距離內(nèi)，稍高的角分辨率就能保證足夠的物體細(xì)節(jié)感知能力，不需要對(duì)角分辨率過度苛求。

以一徑的第一款短距激光雷達(dá)ML-30s為例，這款產(chǎn)品的平均角分辨率為0.44°×0.44°。過去三年中，眾多典型場(chǎng)景的實(shí)際落地，已經(jīng)充分證明這樣的角分辨率組合能夠在近車身區(qū)域取得極佳的成像細(xì)節(jié)。

上圖是ML-30s在典型場(chǎng)景的測(cè)試結(jié)果，可以清晰地分辨出飲料瓶、小磚塊和遠(yuǎn)處的路樁。更重要的是，從點(diǎn)云圖中還能清晰地分辨出路沿的坡度變化。

ML-30s實(shí)際探測(cè)能力總結(jié)

此外，為了達(dá)到上述的小物體分辨能力，除了足夠的角分辨率外，測(cè)距的精準(zhǔn)度也是關(guān)鍵。測(cè)距精度不高，將無法形成較為清晰的點(diǎn)云輪廓，也無法對(duì)上述細(xì)微坡度進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)。更多的探測(cè)場(chǎng)景如下圖所示：

以上可以看出，恰當(dāng)?shù)慕欠直媛剩屟a(bǔ)盲激光雷達(dá)能夠探測(cè)到足夠致密的點(diǎn)云，大大增強(qiáng)近車身區(qū)域的感知能力，從而為實(shí)現(xiàn)各類近車身的高難、高復(fù)雜度的場(chǎng)景提供可能。

然而，合適的角分辨率僅能夠保證看清局部，要看清全局，全視場(chǎng)一致性是不能被忽視的性能。

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全視場(chǎng)一致性：無差異的感知能力

補(bǔ)盲激光雷達(dá)在追求大視場(chǎng)角和高分辨率的同時(shí)，往往容易忽略一個(gè)很重要的維度：無差異的大視場(chǎng)感知能力。

實(shí)現(xiàn)無差異感知的關(guān)鍵是視場(chǎng)內(nèi)測(cè)距能力的一致性，特別是水平視場(chǎng)測(cè)距的一致性。

由于很難在產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)上有所體現(xiàn)，測(cè)距一致性極容易被忽略。然而對(duì)主打車輛近場(chǎng)探測(cè)的補(bǔ)盲雷達(dá)而言，其主要任務(wù)就是在視場(chǎng)角所覆蓋的范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境有可靠的、無差別的感知。

因?yàn)閺膽?yīng)用場(chǎng)景上看，無法嚴(yán)格區(qū)分哪個(gè)方向要看得遠(yuǎn)、哪些地方要看得近。甚至，越是邊沿視場(chǎng)區(qū)域，對(duì)補(bǔ)盲雷達(dá)的探測(cè)能力的要求就越高。

我們來看2個(gè)典型場(chǎng)景。

在車輛左轉(zhuǎn)場(chǎng)景中，相比于區(qū)分主次的視場(chǎng)定義方式，全視場(chǎng)測(cè)距能力一致更能確保左轉(zhuǎn)的全過程全視場(chǎng)無差別地感知右側(cè)來車，從而更好地選擇安全舒適的駕駛策略；相應(yīng)地，如果個(gè)別視場(chǎng)的測(cè)距明顯較短，將造成目標(biāo)跟蹤時(shí)斷時(shí)續(xù)或目標(biāo)物突然出現(xiàn)，而這都是智駕系統(tǒng)不愿意看到的結(jié)果。

在車輛右轉(zhuǎn)場(chǎng)景中，弱勢(shì)交通參與者的速度相對(duì)較低，但由于潛在碰撞場(chǎng)景對(duì)人的傷害威脅更大，這樣的場(chǎng)景對(duì)探測(cè)要求反而更苛刻。這種情況下，視野范圍內(nèi)無差別探測(cè)能力能保證激光雷達(dá)持續(xù)穩(wěn)定地感知到騎行者和行人，最大程度保證盲區(qū)的安全性。

全視場(chǎng)測(cè)距一致的必要性已經(jīng)明確，但實(shí)際的應(yīng)用中卻存在一定挑戰(zhàn)。這是因?yàn)椋?/p>

與一般大角度覆蓋傳感器一樣，激光雷達(dá)的邊沿視場(chǎng)也存在能力下降的情況，越靠近邊沿，激光雷達(dá)的視場(chǎng)探測(cè)能力會(huì)逐漸下降。

因此，如何從工程實(shí)現(xiàn)角度盡可能避免邊沿視場(chǎng)測(cè)距能力下降以實(shí)現(xiàn)無差別感知，就顯得至關(guān)重要。特別是對(duì)類似相機(jī)架構(gòu)的Flash激光雷達(dá)而言，其工程實(shí)現(xiàn)上會(huì)面臨更大的挑戰(zhàn)。

基于對(duì)角分辨率和視場(chǎng)測(cè)距一致性的深入思考和研究，以及實(shí)際應(yīng)用中多領(lǐng)域的客戶反饋及持續(xù)迭代經(jīng)驗(yàn)，一徑科技的補(bǔ)盲激光雷達(dá)從產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考量相關(guān)因素：

采用~0.5°的“恰當(dāng)”角分辨率

兼顧適中的數(shù)據(jù)量、廣闊的視場(chǎng)角，看得夠廣

能夠?qū)崿F(xiàn)最大程度持續(xù)、無差別的有效感知，看得夠清

而要成為一款性能優(yōu)異的激光雷達(dá)，要考量的因素遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此，還需要在產(chǎn)品的內(nèi)在邏輯上進(jìn)行嚴(yán)密的設(shè)計(jì)，做到不僅能用，更要好用。

下一篇，我們將詳細(xì)聊聊，車規(guī)全要素的軟件功能如何賦予補(bǔ)盲激光雷達(dá)「好用」的性能。

審核編輯 ：李倩