LiDAR Potenzialanalyse: Mit dem iPhone-Laser flexibel Abstände messen

Patrick Braun

05. November 2020

Wie können wir das Potenzial des neuen LiDAR-Scanners im iPhone erlebbar machen? Das war die zentrale Frage, die wir uns nach den ersten Explorationen gestellt haben. In einem Ideation-Workshop haben wir unsere Köpfe zusammensteckt und die Gedanken fliegen lassen, um aus der neuen Technologie ein nützliches Tool zu entwickeln, das in verschiedenen Use-Cases die Möglichkeiten und Grenzen des Sensors aufzeigt.

Vermaßung als Use-Case

Die wichtigsten Rahmenbedingungen waren rasch abgesteckt: Die Applikation sollte im privaten als auch im industriellen Bereich Nutzen finden – in ihrer Anwendbarkeit sollte sie flexibel und in der Umsetzung schlank bleiben. Unsere Überlegungen haben uns relativ schnell in den Bereich der Vermessung von Objekten und Distanzen gebracht: Der LiDAR-Scanner funktioniert sowohl in Innenräumen als auch im Freien und misst den Abstand zu Objekten in der Umgebung in einer Entfernung von bis zu fünf Metern mit Geschwindigkeiten im Nanosekunden-Bereich.

Das sollte uns in die Lage versetzen, schnellere und präzisere Vermessungen durchzuführen, als es bisher vorstellbar war. Im Gegensatz zu aktuellen Maßband-Apps, wollten wir es den Usern ermöglichen, dass sie ohne fixen Standpunkt im Raum – also ‘on-the-fly’ – eine Vermessung durchführen können.

Research & Development

Die LiDAR Measuring App soll also Distanzen auf verschiedene Arten und Weisen bestimmen können. Das zugrunde liegende Research & Development soll aber auch unseren Partnern und uns in Zukunft dabei helfen, die Machbarkeit von Ideen und Herausforderungen abschätzen zu können. Die App spricht dafür den verbauten Sensor über das Apple SDK an und bereitet die empfangenen Daten visuell auf.

Der LiDAR-Sensor ist im iPhone 12 Pro und im iPad Pro verbaut und kommt auf eine Reichweite von insgesamt 5 Meter(1). Er misst die Distanz zwischen Sensor im Device und einem Objekt. Die Messwerte, die er liefert, sind dabei unter anderem abhängig von der anvisierten Oberfläche. Je nach Oberfläche kann es vorkommen, dass die Genauigkeit (Accuracy) nicht immer gegeben ist und die Messwerte des Sensors von der tatsächlichen Entfernung (Ground Truth) abweichen.

Die LiDAR Measuring App bietet neben der Distanzmessung durch Anvisieren eines Punktes auch die Möglichkeit, ein virtuelles Objekt in der realen Welt zu platzieren und eine Distanzmessung zwischen Device und dem fixierten virtuellen Objekt vorzunehmen – auch wenn das Device in Bewegung ist. Bei dieser Art der Messung wird auf die Raycast-Methode des ARKits zugegriffen. Diese Methode prüft, ob und wo in der realen Welt Oberflächen existieren, um dort ein virtuelles Objekt platzieren zu können(2). Sofern eine Oberfläche gefunden und das virtuelle Objekt positioniert werden konnte, wird ausgehend von diesem Objekt die Entfernung zum Device berechnet. In der folgenden Tabelle haben wir eine Auswahl von Messergebnissen der beiden Methoden (iPad LiDAR ohne und mit Raycast) gegen die tatsächliche Entfernung ausgewertet.

Messergebnisse

Unser Zwischenfazit

Innerhalb von fünf Meter kann der LiDAR-Sensor Distanzen gut bis sehr gut berechnen. Bei Entfernungen unter 14 Zentimeter werden die Messergebnisse allerdings zu ungenau, sodass ein Messfehler nicht ausgeschlossen ist. Grund dafür könnte die zuvor erklärte Oberflächenerkennung sein (vgl. accuracy). Bei der Raycast Methode sind Abweichungen zwischen dem gemessenen und realen Wert größer. Hier könnte die Annäherung der Oberflächen-Positionierung die Ursache sein; der Algorithmus muss eine vertikale und horizontale Oberfläche erkennen, um sein virtuelles Objekt korrekt positionieren zu können. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Messungen, bei denen die Entfernung zu einem Objekt mehr als 14 Zentimeter betragen und die Accuracy gegeben ist, sehr genau durchgeführt werden.

Selbst ausprobieren!

Unsere App LiDAR Measuring wird derzeit im App Store für das iPad Pro und für das neue iPhone 12 Pro zum Download angeboten und ist für schnelle Messungen in den oben beschriebenen Anwendungsszenarien sehr gut geeignet.

Wir sehen in vielen Branchen ein großes Potenzial, das durch den Sensor freigesetzt wird, und freuen uns auf Ideen und Herausforderungen, die mit der neuen Technologie auf uns zukommen!


Zum Thema LiDAR...

Im vorherigen Blogbeitrag hat sich unsere UX-Designerin Kathrin Rochow in einer grundlegenden Recherche gefragt, was es mit der Laser-Technologie im Smartphone auf sich hat – und ob sie für mehr als nur klassische AR-Anwendungen nützlich sein kann:

LiDAR im iPhone: Laservermessung mit dem Smartphone?


Quellen

(1) Apple stellt neues iPad Pro mit fortschrittlichem LiDAR Scanner vor und bringt Trackpad-Unterstützung für iPadOS (2) Raycasting and Hit-Testing