激光雷达VS摄像头——哪个才是自动驾驶汽车的更优选？

激光雷达（光探测和测距）和摄像头，哪个最适合SAE L4级和L5级驾驶，这是自动驾驶汽车行业的专家一直争论的话题。争论的焦点在于是否将激光雷达与摄像头系统结合，还是仅仅使用没有激光雷达的摄像头系统。激光雷达的支持者包括Waymo、Cruise、Uber和Velodyne。特斯拉一直反对使用激光雷达，提倡使用摄像头系统。那么哪个才是最好的解决方案呢？答案是更善于辨别和识别物体的那一个。因为自动驾驶汽车需要识别路上的物体。但是激光雷达和摄像头系统真的有哪个更胜一筹吗？


一辆自动驾驶汽车正在使用Cruise自动雷达（图片来源：维基百科）

特斯拉似乎寡不敌众，越来越多的公司和开发商支持激光雷达。埃隆·马斯克解释了他不把激光雷达纳入特斯拉汽车车型的理由。Model 3和Model S上都没有安装激光雷达，但Waymo的机器人出租车上安装了。到目前为止，这两种技术都没有成为普遍接受的自动驾驶汽车的解决方案，因为道路上没有达到L4级或L5级状态的全自动驾驶车辆（截至2020年9月撰写本文时）。


一辆装有摄像头系统的特斯拉Model S使用Autopilot自动驾驶

激光雷达

激光雷达的使用并不局限于自动驾驶汽车。它在多个领域都有应用，包括气象学、地震学、地质学和大气物理学等领域。激光雷达使用脉冲光来探测物体，就像雷达使用无线电波一样。这些脉冲可以确定物体的距离和范围，为自动驾驶汽车提供急需的数据。例如，为了避免碰撞，激光雷达可以检测到物体的距离，并启动刹车来减慢车辆速度。激光雷达已证实是一种测量距离的技术，正因为如此，工程师们已经将其用于不同的应用当中，包括自动驾驶汽车。

激光雷达可以帮助自动驾驶汽车根据它从光脉冲接收到的读数创建一个可视地图。激光雷达系统每秒发送数千个脉冲，利用车载软件生成3D地图，为汽车提供周围环境的信息。这为汽车提供了一个360度的视野，让汽车能在各种条件下行驶。激光雷达与自动驾驶汽车中的摄像头配合使用，因此它们本身不是一个独立的解决方案。


雷达可以生成周围环境的视觉地图（图片来源：Automotive World）

摄像头

如果要让汽车像人一样驾驶，那么视觉识别物体是一种方法。这是使用摄像头系统的主要原因。摄像头提供图像，软件使用人工智能可以分析高精度的图像。特斯拉车型上的摄像头通过其自动驾驶功能提供360度的周边视野。它完全是视觉的，不像激光雷达那样依赖于测距和探测。

摄像头使用的不是光脉冲，而是从镜头中的光学元件返回到车载软件进行进一步分析的视觉数据。随着神经网络和计算机视觉算法的发展，可以在汽车行驶过程中识别出目标，为汽车提供信息。这有助于汽车避免碰撞，在有车辆时减速，安全地进行车道变换，甚至可以使用OCR（光符识别）读取道路或高速公路上的标志文字。到目前为止，特斯拉已经证明，在不用激光雷达的情况下，使用摄像头也能实现自动驾驶。


特斯拉使用摄像头的视觉系统

优点

埃隆·马斯克称赞摄像头是最可靠的视觉系统。摄像头可以与人工智能结合，识别道路上的物体，因此它在视觉识别方面有更大的优势。它还可以读取路标上的文字，这在自动驾驶汽车必须注意绕行和前方道路作业的情况下非常重要。特斯拉汽车上的摄像头采用光学与计算机视觉相结合的方式，提供持续分析摄像头图像的计算成像。

激光雷达系统利用光脉冲在虚拟地图上实时绘制出点。自动驾驶汽车可以使用这些数据来安全导航并避免撞到物体。能够确定物体及其距离是使用激光雷达的一个优点。激光雷达系统具有高精度和高可靠性，可以提高汽车的安全性，这是人们支持激光雷达的一个主要原因。

缺点

激光雷达即使在危险的天气条件下也能看到物体，但它并不总是可靠的。激光雷达受波长稳定性和探测器灵敏度的影响。激光的波长会受到温度变化的影响，而低信噪比会影响激光雷达探测器中的传感器。激光雷达也更昂贵，安装需占用更大的汽车空间，因此它往往让自动驾驶汽车看起来更笨重。激光雷达的另一个问题是视觉识别，这方面，摄像头表现得更好。激光雷达需要在软件中进行更多的数据处理来创建图像和识别物体。

摄像头作为视觉系统更可靠，但没有激光雷达的距离探测功能。虽然摄像头在成像方面表现很好，但这还不足以支撑它成为一个独立的系统。这就是为什么特斯拉还使用其他传感器，包括雷达来探测距离和距离。批评人士说，摄像头仍然看不清楚，无法避免危险，尤其是在天气状况不好的情况下。但摄像头需要在任何情况下都能看清周围环境，就像人类司机一样。

如果自动驾驶汽车合法上路，那么安全性将是首要考虑的问题。使用激光雷达和摄像头的自动驾驶汽车已经发生造成了死亡事故。特斯拉司机使用自动驾驶功能时发生过事故，包括美国高速公路上的死亡事故。也有因为分心驾驶而造成的事故，因为这些车并不是全自动驾驶，行驶过程中，仍然需要驾驶员的关注。2018年，Uber的一辆自动驾驶汽车撞上一名行人，致其当场死亡，这是当年的大新闻。目前的自动驾驶汽车还未实现全自动驾驶，所以驾驶员的大意也可能会造成事故。这些都是自动驾驶汽车发展中的挑战。



结论

如果安全是我们的首要考虑，那么融合激光雷达和摄像头系统的最佳元件的传感器融合将是必要的。激光雷达和其他传感器（包括摄像头）的组合可以为公共安全提供很多帮助。如果视觉系统（如软件、传感器）变得更加精确和可靠，则可能不需要激光雷达。毕竟，发明自动驾驶汽车的初衷之一就是尽量减少人为失误造成的事故。

在自动驾驶汽车中，激光雷达和摄像头之间的共同点是软件。两个系统都使用人工智能技术，如机器学习和神经网络来分析数据。随着算法的改进，结果也会使识别目标的准确性更高，并让自动驾驶汽车做出更好的决策。这可能是事故和安全驾驶之间的区别。

激光雷达和摄像头系统，哪个对自动驾驶汽车来说更好，这个问题很难回答。当涉及到关键决策时，机器的思维方式与人类不同。这就需要更多的数据和培训来提高软件开发人员的水平。目前的基础设施可能也需要修改，以适应自动驾驶汽车（如V2X）。在自动驾驶汽车显示出一致的数据表明使用一种技术胜过另一种技术之前，这场争论将会一直持续下去。