לאחרונה חתמה חברת אינוויז הישראלית (Innoviz Technologies Ltd) על חוזה בסך של כ-4 מיליארד דולר עם חברת המכוניות BMW להרכבת הליידאר שהיא מפתחת בכלי הרכב של החברה. ליידאר (LiDAR – Light Detection And Ranging) הוא חיישן המשתמש בטכנולוגיית מדידת מרחק באמצעות קרני לייזר. לצד המשימות החשובות באמת שקרני לייזר מסייעות בהן – כמו הסרת שיער וקליפים של MTV משנות ה-90 – יש לטכנולוגיית הליידאר שימושים נרחבים מאוד: בטלפונים סלולריים, ברכבים אוטונומיים, ברובוטים, בתחומים כגאולוגיה, חקלאות ואסטרונומיה ועוד ועוד. היא אפילו סייעה לגלות עיר עתיקה של בני המאיה!

ליידאר הוא חיישן המאפשר יצירת מפות של 'ענני נקודות' – שיטה לייצוג מידע תלת-ממדי באמצעות נקודות הפזורות במרחב תלת-ממדי מסוים[1]. לענני נקודות שימושים מגוונים בתחומים כגאוגרפיה, ארכאולוגיה וגאולוגיה, שבהם עלינו למדוד עצמים בצורה מדויקת או לייצר דגמים תלת-ממדיים, כמו דגמי אתרים ארכאולוגיים או היסטוריים. בטכנולוגיית הליידאר נשלחת קרן לייזר ממקור תאורה כלשהו, פוגעת בעצמים שבמרחב ומוחזרת מהם. הקרן המוחזרת מזוהה על ידי גלאי/מקלט, ומשך זמן החזרה שלה (Time Of Flight) משמש לפיתוח מפת מרחקים של האובייקטים במרחב. כאמור, באמצעות הליידאר התגלתה עיר מאיה אבודה[2]!

החיישן התלת-ממדי מאפשר הבנה מרחבית, אשר לעיתים נדרשת לביצוע משימות שמצלמה רגילה אינה מסוגלת לספק די פרטים עבורן. כך משמש הליידאר בשנים האחרונות גם להתמצאות של רכבים, רחפנים ושלל רובוטים בסביבתם. בעולם הרכבים האוטונומיים משתמשים בליידאר כדי למדוד מרחק בין הרכב הנוסע לסביבתו, ובאסטרונומיה משתמשים בו למדידה מדויקת מאוד של המרחק לכוכבים אחרים.

אז איך מודדים גובה של עץ, או את המרחק בינינו לבין העץ, באמצעות לייזר?

ראשית, קיים מגוון של מערכות ליידאר: יש המותקנות על כלים קרקעיים, ויש המותקנות על כלי טיס ואפילו על לוויינים. לכל מערכת שימוש שונה ומאפיינים שונים בהתאם לסביבתה, אולם כולן פועלות לפי אותו עקרון. נסביר אותו כעת בפירוט.

הלייזר יורה הבזקים של אור לכיוון העצמים שבסביבתו. גלי האור חוזרים לאחר משך זמן מסוים אל הגלאי שבמערכת, ומוקלטים. התהליך מתבצע ברציפות ומכוון לסביבה מסוימת, כך שכל העצמים שבסביבה ממופים, והמרחק בינם לבין המכשיר נמדד[3]. לרוב, הלייזר שבמערכת הליידאר משתמש בגלים אלקטרומגנטיים בטווח ה-near infra red (קצת מעל 1000 ננומטרים), אם כי קיימות מערכות המשתמשות בלייזר ירוק (כ-500 ננומטר), שבאמצעותו אפשר לזהות צמחיה ירוקה[4].

המרחק מחושב בעזרת הנוסחה הבאה :

distance = ( (travel time) * (speed of light) )  /  2

כלומר: משך הזמן שבו האות נפלט ונקלט בחזרה בגלאי, כפול מהירות האור, חלקי 2 (כי האור עשה את הדרך פעמיים – אל האובייקט ובחזרה ממנו).

תוצר הפעולה הוא מודל תלת-ממדי של המרחב, המתאר את המרחב באמצעות ענן נקודות תלת-ממדי. 'איכות' התיאור משתנה בהתאם למהירות יריית קרן הלייזר וגילוי ההחזר שלה, ובהתאם לרזולוציית הסריקה. מהירות הדגימה היא בעלת חשיבות מכרעת בטכנולוגיית הליידאר: ברכב נוסע, למשל, הסביבה משתנה מאוד בכל שנייה ושנייה. בסביבה כזאת, רק דגימה מהירה (כמה עשרות פעמים בשנייה) תספק מידע המאפשר התמצאות יעילה ומהירה במרחב. דגימה איטית מדי תפיק תוצאות לא רלוונטיות.

אם נחבר לליידאר מערכות שיספקו גם מיקום מרחבי (כמו GPS) ואוריינטציה במרחב (כמו IMU – Inertial Measuring Unit), המערכת תוכל לתת מידע אבסולוטי אודות העצמים שהיא דוגמת. לכן מערכת ליידאר מוטסת תכלול בדרך כלל מכשירי GPS ו-IMU, וכך תוכל להתמצא במיקומה ולהפיק מידע אבסולוטי אודות עצמים שאותם הוא ממפה במרחב.

יתרונו העיקרי של הליידאר, אם כן, הוא היכולת לספק מידע נפחי תלת-ממדי, המאפשר הפקת מידע חיוני שאינו מתקבל בתמונה ממצלמה רגילה. כך, למשל, אפשר להשתמש בטכנולוגיה זו בחקלאות למדידת נפח של תוצרת חקלאית עוד לפני הקטיף[5].

החיסרון שבטכנולוגיית הליידאר טמון בכוח החישוב העצום שהיא דורשת: ענן נקודות כבד לחישוב יותר מאשר תמונה רגילה, ולכן הליידאר יכביד על יחידת העיבוד במערכת שנדרשת לפעול בקצבי צילום וזיהוי גבוהים (כגון ברכב אוטונומי). הליידאר יגביר מאוד את הדרישות מיחידת העיבוד, שתיאלץ לבצע חישובים על מידע תלת-ממדי, בעוד שלעיתים אפשר לקבל תוצאות מספקות גם ממידע דו-ממדי פשוט יותר, שלפעמים קל לחישוב בסדר גודל[6].

לסיכום, הליידאר היא מערכת נפוצה לחישה ולמדידות, המנפקת מידע נפחי תלת-ממדי ומאפשרת התמצאות מרחבית ומדידות מדויקות ביותר. ייתכן שנראה בשנים הקרובות עוד ועוד מערכות בטכנולוגיה זו בעולמות הרכב והרובוטיקה. ואולי אפילו מערכות תוצרת כחול-לבן.

עריכה: חגי גלרנטר

מקורות והרחבות:

[1] ענני נקודות

[2] גילוי העיר האבודה

[3] מהו ליידאר וכיצד הוא עובד – Synopsis

[4] כיצד ליידאר עובד – Neon Science

[5] ליידאר בחקלאות

[6] הקרב על ה-LiDAR: עומר כילף (אינוויז) נגד אילון מאסק