LiDAR

LiDAR تقنية استشعار نشطة تستخدم ضوء الليزر لقياس المسافات والتقاط هندسة البيئة. يوفّر ماسح LiDAR الإضاءة الخاصة به، ما يتيح له قياس الأسطح في الظلام. في الرؤية الحاسوبية، تزوّد هذه القياسات الآلات بمعلومات مكانية لتحديد مواقع الأجسام والتنقل في البيئات وإنشاء خرائط ثلاثية الأبعاد.

آلية عمل ماسحات LiDAR#

يصدر مستشعر LiDAR نبضي ضوء الليزر، ويقيس الزمن الذي يستغرقه الضوء المنعكس حتى يعود. تساوي المسافة سرعة الضوء مضروبة في زمن الرحلة ذهابًا وإيابًا، مقسومة على اثنين. ويؤدي الجمع بين كل مسافة واتجاه الشعاع إلى تحديد موقع على السطح. وتشكّل القياسات المتكررة سحابة نقاط: مجموعة من النقاط ذات إحداثيات x وy وz، وغالبًا ما تصاحبها شدة الإرجاع، أي قوة الإشارة المنعكسة.

تطورت تقنية LiDAR القائمة على الليزر عبر التجارب المبكرة للرادار البصري. أجرى جورجيو فيوكو ولويس سمولين قياسات ليزرية للغلاف الجوي عام 1963، ورصدا طبقات التشتت على ارتفاع يتراوح بين 60 و140 كيلومترًا فوق الأرض. وأثبتت تجربتهما تطبيقًا مبكرًا لاستخدام أصداء الليزر في القياس عن بُعد.

يمسح جهاز ثنائي الأبعاد مستوىً حول الروبوت، بينما يقيس جهاز ثلاثي الأبعاد نقاطًا على ارتفاعات متعددة. وتجمع الأنظمة المحمولة جوًا أيضًا بين نطاقات الليزر وقياسات الموقع والاتجاه لوضع النقاط ضمن إحداثيات جغرافية. وتخدم تقنية LiDAR الطبوغرافية وقياس الأعماق بيئات مختلفة: إذ تستخدم الأجهزة الطبوغرافية عادةً ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة لرسم خرائط اليابسة، بينما تستخدم أجهزة قياس الأعماق الضوء الأخضر لقياس التضاريس تحت الماء.

تحويل قياسات LiDAR إلى إدراك بالذكاء الاصطناعي#

تصف السحب النقطية الهندسة. ويضيف التعلم الآلي إليها التفسير من خلال مهام مثل اكتشاف الأجسام ثلاثية الأبعاد، الذي يقدّر موقع الجسم وأبعاده واتجاهه. تجمع PointPillars، التي قدّمها أليكس إتش. لانغ وزملاؤه عام 2018، النقاط في أعمدة رأسية، وتتعلم سمات تلك الأعمدة، ثم تعالج التمثيل الناتج من منظور علوي باستخدام شبكة اكتشاف. وتحول هذه العملية القياسات غير المنتظمة إلى بنية ملائمة لـالمعالجة الالتفافية الفعّالة.

يجمع دمج المستشعرات بين هندسة LiDAR ومظهر الصور الملتقطة بالكاميرا. وتضيف الصور اللون والملمس والتفاصيل القابلة للتعرّف، بينما يوفر LiDAR قياسات المدى والشكل. وتحدد المعايرة الدوران والإزاحة بين المستشعرات، فيما تزامن مزامنة الطوابع الزمنية بينها. وقد تؤدي الأخطاء في أي من الخطوتين إلى ربط اكتشاف الكاميرا بنقاط تخص جسمًا آخر.

يدعم Ultralytics YOLO سير العمل هذا من الصور إلى الهندسة من خلال تكامل ROS: إذ يمكن لأقنعة التجزئة في YOLO26، المستخرجة من صور RGB المتراصفة، تحديد النقاط المقابلة في سحابة نقطية منظّمة حاملة للألوان، لعزل الأجسام ثلاثية الأبعاد.

LiDAR والرادار والعمق المستند إلى الكاميرا#

توفر هذه التقنيات قياسات متكاملة:

• تقدير العمق: تستنتج الأساليب المعتمدة على الكاميرا المسافة من الصور. ويقيس LiDAR المدى باستخدام ضوء الليزر المنبعث؛ وقد تكون خريطة العمق أحد تمثيلات معلومات المسافة.
• الرادار: يستخدم الموجات الراديوية، ويقيس عادةً المدى والسرعة الشعاعية، أي السرعة باتجاه المستشعر أو بعيدًا عنه. ويظل مفيدًا في المطر والضباب اللذين يضعفان الاستشعار البصري.
• إعادة البناء ثلاثي الأبعاد: تنشئ نموذجًا هندسيًا للمشهد. ويوفر LiDAR قياسات تدمجها أنظمة إعادة البناء في خرائط أو أسطح.

تصبح السحب النقطية لتقنية LiDAR أقل كثافة مع زيادة المسافة، فتُمثَّل المشاة البعيدون والأجسام الصغيرة الأخرى بعدد أقل من القياسات. كما يشتت الضباب والثلج ضوء الليزر، ما ينتج عنه تشتت خلفي يشوّه السحب النقطية ويعطل الاكتشاف. وتظهر هذه الآثار في الإدراك ضمن تطبيقات السيارات، إذ يمكن للهندسة المفقودة أو الانعكاسات الناتجة عن الطقس أن تغيّر العوائق التي يحددها الكاشف.

التطبيقات في القيادة والروبوتات ورسم الخرائط#

• القيادة الذاتية: يجمع Waymo Driver بين LiDAR والكاميرات والرادار لإدراك المركبات والمشاة وراكبي الدراجات. ويوفر LiDAR هندسة البيئة المحيطة، بينما يفسر نظام الإدراك بيانات المستشعرات لتحديد مستخدمي الطريق ومواقعهم.
• الروبوتات المتنقلة: يستخدم سير عمل SLAM في TurtleBot3 عمليات المسح بالليزر لإنشاء خريطة، مع تقدير موقع الروبوت. ويعني SLAM التحديد المتزامن للموقع ورسم الخرائط؛ إذ تربط الملاحظات المتكررة موقع الروبوت المتغير بسمات البيئة الثابتة.
• رسم الخرائط الجوية والرصد البيئي: يقيس LiDAR المحمول جوًا التابع للشبكة الوطنية للمرصد البيئي بنية الغابات، بما فيها ارتفاع المظلة النباتية وكثافة الغطاء النباتي. ويمكن لنبضة واحدة أن تنتج عدة انعكاسات من قمم الأشجار والأغصان والغطاء النباتي السفلي والأرض، لأن أجزاءً من ضوئها تمر عبر الفجوات في الغطاء النباتي.