Işıklar Kapansa Dahi Etrafını Görüyor: iPhone 12 Pro'da Bulunan LiDAR Sensörler Nasıl Çalışıyor?

Işıklar Kapansa Dahi Etrafını Görüyor: iPhone 12 Pro'da Bulunan LiDAR Sensörler Nasıl Çalışıyor?


2020'nin ilk çeyreğinde son kullanıcı ile tanıştırılan iPad Pro, tablet sınıfının doruğuna oturdu. Hemen peşinden bir özelliğini iPhone 12 Pro ailesine kalıt bıraktı: LiDAR. iPhone 12 Pro'da da karşımıza çıktığını görüyoruz. Apple bu sensörü kullanırken sunduğu tecrübelerde; daha hızlı odaklanma ve algoritmalarıyla güçlendirilmiş daha kuvvetli bir artırılmış gerçeklik sağlamakta.
Önceden hiç bulunmadığınız bir yerde olduğunuzu düşünün. Nereye doğru, nasıl gideceğinizi bilmeniz zor, değil mi? Bir haritaya, kılavuza ihtiyacınız var demektir. Çevrenizdeki tüm cisimlerin bulunduğunuz yere olan mesafeleriyle, yükseklikleriyle, eğimleriyle bulunduğunuz yeri anlayabileceğiniz bir haritaya, ışıklar kapansa dahi gözünüz olacak bir haritaya...

LiDAR nedir?

Mimarlık, şehir tasarılaması, arkeoloji kazıları, özerk araçlar, haritalandırma, robotik sistemler, orman ve su altı araştırmaları gibi bir çok alanda kullanılan LiDAR, amaçlanan yerin, isteğe göre 3 veyahut 2 boyutlu haritalandırmasını yapmak için kullanılan bir sensördür. Açılımı Light Detection and Ranging veya Laser Imaging Detection and Ranging şeklindedir, Türkçe'ye Işık Tespiti ve Mesafe Ölçüm Sensörü şeklinde çevirilebilir.

LiDAR nasıl çalışır?

LiDAR, ışık dalgalarıyla ölçüm yapabilen bir sensör türüdür. Genelde yüzey temelli LiDAR sistemlerinde 500 nanometre ile 600 nanometre dalga boyuna sahip lazerler kullanılır. Airborne LiDAR sistemlerinde ise 1000 nanometre ile 1600 nanometre dalga boyuna sahip lazerler kullanılmaktadır.
Dalga boyları arasında bulunan bu farkı şöyle izah edebiliriz: Sabit boyutlarda dalga imalatı olan bir dalga havuzu düşünelim. İki dalganın tepe noktaları başka bir deyişle en yüksek olduğu noktalar arasında ki mesafe dalga boyu olarak tanımlanabilir.
İki dalga arası mesafe ne kadar büyürse, dalgaların boyuda o kadar büyük olur. Ancak bu vaziyet frekans ile yani tekrarlanma sayısı ile ters orantılıdır. LiDAR içinde geçerli olan dalga boyu kavramı burada ehemmiyet kazanmaktadır. Dalga boyu küçüldükçe gönderilen dalga sayısı artacaktır. Bu da daha fazla örnekleme almaya yardımcı olacak, dolayısı ile taramalar daha ayrıntılı olacaktır.
LiDAR sensör tarafından dağılan lazer ışınları, bir cisme veya yüzeye çarpar ve sensöre geri döner. Sensör, gönderdiği lazer ışınlarının geri dönüş müddetine göre çarptığı yüzeyin veya cismin uzaklığını ölçebilir. Ancak bu ölçüm noktasaldır. Yani sensör tek bir veriyle haritalama veya simülasyon oluşturma işlemini bitiremez. Bir haritalama veya simülasyon oluşturabilmesi için bir data dizini gerekmektedir. Yani sensör defaatle tarama yapmalıdır.
Defalarca alınan sensör verilerini anlamlandırmak için ise değişik algoritmalar kullanmaktadır. Bu şekilde haritalandırma işlemi bitirmektedir ve bu işlem SLAM olarak isimlendirilir. SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) yani Türkçe anlamıyla Eş Vakitli Konum Belirleme ve Haritalama mananına gelir ve LiDAR'lar için geliştirilen bir algoritma türüdür.
LiDAR'dan gelen verileri işler ve manalı hale getirir. Böylelikle LiDAR'ın bulunduğu konumun haritasını çıkartabileceği gibi, LiDAR veya LiDAR kullanılmış sistem yer değiştirdiği vakit çevreninde olan tüm farklıkları de idrak edebilir. Bu özelliği sayesinde ise artımlı olarak haritalandırma yapabilir.

LiDAR'ların çalışmasını sağlayan SLAM algoritması da kendi içerisinde farklı çeşitlere sahiptir:

Hector SLAM Gmapping Karto Frontier Exploration Bu algoritmalar kullanım yer ve alanlarına göre farklık göstermektedirler. Bunun için hız ya da tarama gibi testler uygulandığında birbirine göre çok düşük ve yüksek performanslar sergileyebilirler.

Peki LiDAR sensörden alınan veriler nasıl görselleştirilir?

Şimdi ise manalı verileri görüntüleyebileceğimiz bir ortama taşımamız gerekmekte. Bunun için kullanılan simülasyon ortamları ise Rviz ve Gazebo olarak geçmektedir. Bu programlar interaktif olarak çalışmaktadır. Yani artımsal olarak haritalama yapabilir ve en ufak bir farklığı bile idrak edebilir.

Aşağıda ki görselde, LiDAR ile ele geçirilen verilerin anlamdırılması neticesi oluşturulmuş 2D bir harita buluyor. Burada LiDAR, anlık olarak ölçüm yapmaya devam ediyor ve çevreninde ki tüm farklıkları ekrana yansıtabiliyor:

LiDAR Tarayıcı veya LiDAR kullanılmış bir sistem hareket ettiği zaman, görüntü de anlık olarak tarama verilerinin işlenmesiyle simülasyona ilave edir ve canlı olarak izlenebilir:

Bu sensörler, imalat fiyatı oldukça düşen ve hanelerimize kadar giren bir ürün olan robot süpürgelerde de bulunmakta. Her geçen gün yeni örneklerini görsekte temelde hepsinin çalışma mantığı ve algoritması aynı olup, mobil uygulama üzerinden robotun oluşturduğu haritayı görebiliyor, istediğimiz yere yönlendirebiliyor ve uzaktan kumanda edebiliyoruz.

LiDAR sensörlerin kullanım alanları:

Akıllı hane aletleri Robotik çalışmalar ve araştırmalar Akıllı telefon ve tabletler Özerk araçlar Şehir tasarılama Tarım  Silahlı güç ve askeri araştırmalar Nehirler ve su altı araştırmaları

Akıllı hane aletleri: Robot süpürgeler

Kullanıcıların iş yükünü oldukça hafifleten robot süpürgeler bulundukları ortamın tüm haritasını belleğine kaydedebilir ve istendiği vakit aktif edilebileceği gibi zamanlama işlemi uygulanabilip günün belli saatlerinde çalışmalarını sürdürebilirler. Özerk olarak çalışırlar.
LiDAR tarayıcıların algoritması gereği interaktif olarak çalışan bu robot görevini yaparken eşyaların yerleri değişse dahi tekrar yeni bir rota belirleyebilir ve görevine devam edebilir. Aynı şekilde kullanıcı robotun çevreninde bulunsa dahi robot süpürge bunu idrak edecek ve rotasını anlık olarak değiştirebiliecektir.

Robotik çalışmalar ve araştırmalar

Üniversitelerde ve robot firmalarında yapılan çalışmalarda sıkça LiDAR tarayıcılar kullanılmaktadır. Üniversitelerde yoğun olarak mühendislik dallarında ve lisans üstü araştırmalarda bu sensörlerin kullanıldığı bilinmektedir. Robot firmalarında ise özerk robot imalatında sıkça kullanılır. Robot için lokasyon tanımlamada ve haritalandırmada çok büyük görev üstlenen bir sensördür.

Akıllı telefon ve tabletler

Örneklerini yeni yeni görmeye başladığımız LiDAR Tarayıcı içeren akıllı telefon ve tabletlerde LiDAR tarayıcı, kameraların daha hızlı odaklanmasını sağlamaktadır. Böylelikle resimlerden derinlik ölçebilmektedir. Bununla birlikte oluşturulmuş algoritmalarla daha kuvvetli ve daha hızlı bir artırılmış gerçeklik tecrübesi sunmaktadır.

Özerk araçlar

Trafikte her geçen gün sayısı artan özerk araçların bir çoğunda da LiDAR Tarayıcıların olduğunu görüyoruz. Özerk araçlarda LiDAR tarayıcılar, anlık olarak etrafında bulunan tüm araçları, yayaları ve etrafsal faktörleri idrak edip anlamlandırabilir ve içerisinde bulunan yolcuyu güvende tutmak için rotasını bu verilere göre tayin eder. 

Şehir tasarılama

Şehirlerde bulunan tüm binalar, ağaçlar, tümsekler, çukurlar ve insanlar gibi bir çok etken şehirsel ekosistemleri oluşturmaktadır. Bu şehirsel ekosistemleri ayrıntılı bir şekilde haritalandırmak, şehir tasarılamacılara ve harita mühendislerine yardımcı olmaktadır. 

Tarım

LiDAR tarayıcılar, belirli bir arazinin üç boyutlu yükseklik haritasını oluşturmak için kullanılabilir. Bu haritalar sayesinde arazi üzerinde bulunan eğimler, güneş ışığı alabilecek yerler, rüzgardan etkilenebilecek yüzeyler belirlenebilmektedir ve tarıma elverişli arazilerin testleri bu şekilde yürütülebilmektedir.

Silahlı güç ve askeri araştırmalar

Askeri birlikler tarafından araziyi anlamlandırmak, yüksek çözünürlü haritalar oluşturmak için kullanılmakla beraber harp bölgelerini ayrıntılı incelemek için LiDAR tarayıcı içeren robotlar kullanılmaktadır.

Nehirler ve su altı araştırmaları

LiDAR tarayıcılar ile sualtında bulunan her şeyi tanımlamak ve üç boyutlu haritasını çıkarmak için kullanılmaktadır. Bu sayede derinlik, genişlik ve suyun akış hızı ölçülebilmektedir.
Evlerimize ve hem de cebimize kadar giren bu teknoloji uzun yıllardır bir hayli farklı alanda kullanılmakta ve kullanım alanına göre de büyük yıkımlara karşı tedbir almamızı sağlayabilmektedir. Gelişen teknolojiyle beraber kullanımının yaygınlaşması ve daha sık rastlamamız öngörülmektedir.

ÖNE ÇIKANLAR

2020'nin ilk çeyreğinde son kullanıcı ile tanıştırılan iPad Pro, tablet sınıfının doruğuna oturdu. Hemen peşinden bir özelliğini iPhone 12 Pro ailesine miras bıraktı: LiDAR. iPhone 12 Pro'da da karşımıza çıktığını görüyoruz. Apple bu sensörü kullanırken sunduğu tecrübelerde; daha hızlı odaklanma ve algoritmalarıyla güçlendirilmiş daha güçlü bir artırılmış gerçeklik sağlamakta.
Önceden hiç bulunmadığınız bir yerde olduğunuzu düşünün. Nereye doğru, nasıl gideceğinizi bilmeniz zor, değil mi? Bir haritaya, kılavuza ihtiyacınız var demektir. Çevrenizdeki tüm cisimlerin bulunduğunuz yere olan mesafeleriyle, yükseklikleriyle, eğimleriyle bulunduğunuz yeri anlayabileceğiniz bir haritaya, ışıklar kapansa bile gözünüz olacak bir haritaya...

LiDAR nedir?

Mimarlık, şehir tasarılaması, arkeoloji kazıları, otonom araçlar, haritalandırma, robotik sistemler, orman ve su altı araştırmaları gibi bir çok alanda kullanılan LiDAR, amaçlanan yerin, isteğe göre 3 ya da 2 boyutlu haritalandırmasını yapmak için kullanılan bir sensördür. Açılımı Light Detection and Ranging veya Laser Imaging Detection and Ranging şeklindedir, Türkçe'ye Işık Tespiti ve Mesafe Ölçüm Sensörü şeklinde çevirilebilir.

LiDAR nasıl çalışır?

LiDAR, ışık dalgalarıyla ölçüm yapabilen bir sensör türüdür. Genelde yüzey temelli LiDAR sistemlerinde 500 nanometre ile 600 nanometre dalga boyuna sahip lazerler kullanılır. Airborne LiDAR sistemlerinde ise 1000 nanometre ile 1600 nanometre dalga boyuna sahip lazerler kullanılmaktadır.
Dalga boyları arasında bulunan bu farkı şöyle izah edebiliriz: Sabit boyutlarda dalga üretimi olan bir dalga havuzu düşünelim. İki dalganın tepe noktaları yani en yüksek olduğu noktalar arasında ki mesafe dalga boyu olarak tanımlanabilir.
İki dalga arası mesafe ne kadar büyürse, dalgaların boyuda o kadar büyük olur. Ancak bu durum frekans ile yani tekrarlanma sayısı ile ters orantılıdır. LiDAR içinde geçerli olan dalga boyu kavramı burada önem kazanmaktadır. Dalga boyu küçüldükçe gönderilen dalga sayısı artacaktır. Bu da daha fazla örnekleme almaya yardımcı olacak, dolayısı ile taramalar daha ayrıntılı olacaktır.
LiDAR sensör tarafından dağılan lazer ışınları, bir cisme veya yüzeye çarpar ve sensöre geri döner. Sensör, gönderdiği lazer ışınlarının geri dönüş müddetine göre çarptığı yüzeyin veya cismin uzaklığını ölçebilir. Ancak bu ölçüm noktasaldır. Yani sensör tek bir veriyle haritalama veya simülasyon oluşturma işlemini bitiremez. Bir haritalama veya simülasyon oluşturabilmesi için bir veri dizini gerekmektedir. Yani sensör defalarca tarama yapmalıdır.
Defalarca alınan sensör verilerini anlamlandırmak için ise farklı algoritmalar kullanmaktadır. Bu şekilde haritalandırma işlemi bitirmektedir ve bu işlem SLAM olarak isimlendirilir. SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) yani Türkçe anlamıyla Eş Zamanlı Konum Belirleme ve Haritalama mananına gelir ve LiDAR'lar için geliştirilen bir algoritma türüdür.
LiDAR'dan gelen verileri işler ve manalı hale getirir. Böylelikle LiDAR'ın bulunduğu konumun haritasını çıkartabileceği gibi, LiDAR veya LiDAR kullanılmış sistem yer değiştirdiği zaman çevreninde olan tüm farklıkları de idrak edebilir. Bu özelliği sayesinde ise artımlı olarak haritalandırma yapabilir.

LiDAR'ların çalışmasını sağlayan SLAM algoritması da kendi içerisinde farklı çeşitlere sahiptir:

Hector SLAM Gmapping Karto Frontier Exploration Bu algoritmalar kullanım yer ve alanlarına göre farklık göstermektedirler. Bunun için hız ya da tarama gibi testler uygulandığında birbirine göre çok düşük ve yüksek performanslar sergileyebilirler.

Peki LiDAR sensörden alınan veriler nasıl görselleştirilir?

Şimdi ise manalı verileri görüntüleyebileceğimiz bir ortama taşımamız gerekmekte. Bunun için kullanılan simülasyon ortamları ise Rviz ve Gazebo olarak geçmektedir. Bu programlar interaktif olarak çalışmaktadır. Yani artımsal olarak haritalama yapabilir ve en ufak bir farklığı dahi idrak edebilir.

Aşağıda ki görselde, LiDAR ile ele geçirilen verilerin anlamdırılması neticesi oluşturulmuş 2D bir harita buluyor. Burada LiDAR, anlık olarak ölçüm yapmaya devam ediyor ve çevreninde ki tüm farklıkları ekrana yansıtabiliyor:

LiDAR Tarayıcı veya LiDAR kullanılmış bir sistem hareket ettiği zaman, görüntü de anlık olarak tarama verilerinin işlenmesiyle simülasyona ilave edir ve canlı olarak izlenebilir:

Bu sensörler, imalat fiyatı oldukça düşen ve hanelerimize kadar giren bir ürün olan robot süpürgelerde de bulunmakta. Her geçen gün yeni örneklerini görsekte temelde hepsinin çalışma mantığı ve algoritması aynı olup, mobil uygulama üzerinden robotun oluşturduğu haritayı görebiliyor, istediğimiz yere yönlendirebiliyor ve uzaktan kumanda edebiliyoruz.

LiDAR sensörlerin kullanım alanları:

Akıllı hane aletleri Robotik çalışmalar ve araştırmalar Akıllı telefon ve tabletler Özerk araçlar Şehir tasarılama Tarım  Silahlı güç ve askeri araştırmalar Nehirler ve su altı araştırmaları

Akıllı hane aletleri: Robot süpürgeler

Kullanıcıların iş yükünü oldukça hafifleten robot süpürgeler bulundukları ortamın tüm haritasını belleğine kaydedebilir ve istendiği vakit aktif edilebileceği gibi zamanlama işlemi uygulanabilip günün belli saatlerinde çalışmalarını sürdürebilirler. Özerk olarak çalışırlar.
LiDAR tarayıcıların algoritması gereği interaktif olarak çalışan bu robot görevini yaparken eşyaların yerleri değişse dahi tekrar yeni bir rota belirleyebilir ve görevine devam edebilir. Aynı şekilde kullanıcı robotun çevreninde bulunsa dahi robot süpürge bunu idrak edecek ve rotasını anlık olarak değiştirebiliecektir.

Robotik çalışmalar ve araştırmalar

Üniversitelerde ve robot firmalarında yapılan çalışmalarda sıkça LiDAR tarayıcılar kullanılmaktadır. Üniversitelerde yoğun olarak mühendislik dallarında ve lisans üstü araştırmalarda bu sensörlerin kullanıldığı bilinmektedir. Robot firmalarında ise özerk robot imalatında sıkça kullanılır. Robot için lokasyon tanımlamada ve haritalandırmada çok büyük görev üstlenen bir sensördür.

Akıllı telefon ve tabletler

Örneklerini yeni yeni görmeye başladığımız LiDAR Tarayıcı içeren akıllı telefon ve tabletlerde LiDAR tarayıcı, kameraların daha hızlı odaklanmasını sağlamaktadır. Böylelikle resimlerden derinlik ölçebilmektedir. Bununla birlikte oluşturulmuş algoritmalarla daha kuvvetli ve daha hızlı bir artırılmış gerçeklik tecrübesi sunmaktadır.

Otonom araçlar

Trafikte her geçen gün sayısı artan otonom araçların bir çoğunda da LiDAR Tarayıcıların olduğunu görüyoruz. Otonom araçlarda LiDAR tarayıcılar, anlık olarak etrafında bulunan tüm araçları, yayaları ve etrafsal faktörleri idrak edip anlamlandırabilir ve içerisinde bulunan yolcuyu güvende tutmak için rotasını bu verilere göre tayin eder. 

Şehir tasarılama

Şehirlerde bulunan tüm binalar, ağaçlar, tümsekler, çukurlar ve insanlar gibi bir çok etken şehirsel ekosistemleri oluşturmaktadır. Bu şehirsel ekosistemleri ayrıntılı bir şekilde haritalandırmak, şehir tasarılamacılara ve harita mühendislerine yardımcı olmaktadır. 

Tarım

LiDAR tarayıcılar, belirli bir arazinin üç boyutlu yükseklik haritasını oluşturmak için kullanılabilir. Bu haritalar sayesinde arazi üzerinde bulunan eğimler, güneş ışığı alabilecek yerler, rüzgardan etkilenebilecek yüzeyler belirlenebilmektedir ve tarıma elverişli arazilerin testleri bu şekilde yürütülebilmektedir.

Silahlı güç ve askeri araştırmalar

Askeri birlikler tarafından araziyi anlamlandırmak, yüksek çözünürlü haritalar oluşturmak için kullanılmakla beraber harp bölgelerini ayrıntılı incelemek için LiDAR tarayıcı içeren robotlar kullanılmaktadır.

Nehirler ve su altı araştırmaları

LiDAR tarayıcılar ile sualtında bulunan her şeyi tanımlamak ve üç boyutlu haritasını çıkarmak için kullanılmaktadır. Bu sayede derinlik, genişlik ve suyun akış hızı ölçülebilmektedir.
Evlerimize ve hatta cebimize kadar giren bu teknoloji uzun yıllardır birçok farklı alanda kullanılmakta ve kullanım alanına göre de büyük yıkımlara karşı önlem almamızı sağlayabilmektedir. Gelişen teknolojiyle beraber kullanımının yaygınlaşması ve daha sık rastlamamız öngörülmektedir.


Facebook'da Paylaş Twitter'da Paylaş
Rastgele Konuya Git