深度解析：Ouster OS0超广角短距激光雷达

超广角短距激光雷达是当前最新、发展更快的激光雷达细分市场。在18个月前，Ouster便开始与一家汽车OEM合作，研发超广角短距激光雷达OS0，用于满足自动驾驶汽车、机器人及地图等市场的特定需求。

通过与合作伙伴的沟通及获得的客户反馈，我们确定了三个在实际应用中最重要的性能（除了超广视场角外）：

（1）对于目标物探测：高分辨率；

（2）对于近距离探测：0 cm最小探测距离；

（3）对于3D地图构建：高精度。

而对于任何应用，OS0均可提供：90º垂直视场角 + 260万点/秒（MPS）的高分辨率数据输出 + 0 cm最小探测距离 + 高达毫米级的精度。

对于自动驾驶、机器人、地图等对激光雷达有较高性能要求的客户，OS0更是首选的超广角激光雷达。

由红外相机拍摄的OS0，90º垂直视场角

除了超广视场角之外，OS0能够探测到55 m处反射率为 80% 的物体以及15 m处反射率为10%的物体。探测距离对于短距激光雷达来说并不是最重要的因素，但当用作自动驾驶汽车盲区探测或低速机器人的唯一传感器时，能够探测到50 m又是非常有利的。

本文我们将深度分析OS0的关键性能，说明这些性能对于感知、定位、地图等应用的意义，并证明OS0在某些方面的表现是现有市场同类产品中最好的。

OS0特有的四大关键性能：
（1）90º 超广垂直视场角；
（2）128线超高分辨率；
（3）0 cm最小探测距离；
（4）毫米级精度。

90º超广垂直视场角

OS0为短距离物体探测提供了90º的超广垂直视场角，宽广的视场角有助于优化定位算法、加速室内3D地图构建。

OS0实测，距离仓库货架2m

对于机器人应用来说，90º的视场角可以完整捕捉整个货架的情况，满足在室内运货的需求，同时还能为精准定位提供额外的特征数据。

完整仓库运货视频：

对于自动驾驶汽车来说，OS0的大视角可以探测到距离车辆1米的、从头到脚的、完整的行人。通过在车辆的四周安装OS0，即可获得车身360º 的完整数据，确保汽车能够“看见”周围的孩童、宠物、路沿、路障等更小的物体。
 

尤其对于定位来说，OS0最大可覆盖路旁3层高的建筑，如此大的覆盖率可以为定位算法提供更多的特征数据，有助于提高定位的效率和准确率。

对于室内地图构建来说，凭借OS0的超广视场角，可以实现用更少的扫描次数覆盖更广的空间范围，从而在减少地图构建所需时间的同时，提供其所需的高精度数据。

128线超高分辨率

Ouster自主研发的数字激光雷达技术具有一大优势，即在激光雷达分辨率不断提升的同时，产品的尺寸、重量和功耗都不会发生任何变化。今年二月，Ouster发布了全新第二代激光雷达，其分辨率均提升至128线，但其外观尺寸与第一代64线激光雷达完全一样。

OS0-128实测点云1

高分辨率最大的意义在于，将激光雷达从简单的避障技术变成了目标物体探测、分割和分类的主流传感器。数字激光雷达具备的超高分辨率表现也是Apple选择将其应用于新版iPad Pro的原因之一。

“OS0每秒输出点数为260万个，是现有市场上短距激光雷达的5倍。”

在超广角短距激光雷达市场，当前最好的机械旋转激光雷达最高仅可提供64线的垂直分辨率，而OS0最高可提供128线。高出两倍的分辨率，一方面可以实现算法对更远处物体的识别分类，另一方面可以提高激光雷达在探测范围内所有距离处的置信度。OS0每秒输出点数为260万个，是现有市场上短距激光雷达的5倍。

OS0-128实测点云2

为了更好的理解分辨率带来的优势，我们可以认为标准算法对行人进行识别分类时，需要对象人物身上有大约4条水平数据线，此时对应的最大距离称为“有效距离”。一台90°垂直视场角的64线激光雷达，其有效距离为20 m；而一台90°垂直视场角的128线激光雷达，其有效距离可提升50%，即超过30 m。如下图：

OS0系列分辨率对比，有效距离：OS0-32为10 m，OS0-64为20 m，OS0-128为30 m

另一个实例，假设有一辆以每小时40公里行驶的自动驾驶汽车，即其每秒行驶约10米，在该速度下的制动距离约为15米。这意味着，当使用64线激光雷达时，自动驾驶汽车只有0.5秒的时间留给算法来识别行人并启动制动（64线激光雷达的有效距离为20 m，当汽车距离对象行人20 m处时，算法可以得到足够的数据来识别行人，当汽车距离对象行人15 m时，必须开始刹车，因此留给算法识别及启动制动的时间只有5 m，即0.5 s）；同样的情况下，128线激光雷达可以为汽车提供3倍多的时间去反应，即1.5 s或15 m（30 m有效距离 – 15 m制动距离）。

OS0-128的高分辨率可以使激光雷达探测到更小的物体，如下图，从左到右分别是网球、小型路障、橄榄球、轮胎、大型路障、垃圾桶。OS0-128可以非常清楚的探测到距离2 m处的网球。

目标物体与激光雷达之间的距离为2 m

0 cm最小探测距离

为了更好的实现近距离探测，OS0做到了0 cm的最小探测距离。这是如何实现的呢？对于距离激光雷达25 cm处的物体，OS0将返回对应的点云数据；而对于距离激光雷达25 cm内的物体，OS0将返回一个标志，这个标志就意味着25 cm内有物体存在（该标志在点云中不可见，直接在数据流中输出）。

我们将OS0放在空旷的停车场进行实测演示。在下面的视频中，OS0获得点云数据的最小距离为25 cm，甚至在40 cm处，OS0也可以清楚地分辨出张开的手指之间的缝隙。凭借高分辨率，OS0可以准确的识别仓库里或道路上的小型物体。同样，在激光雷达25 cm内的物体所返回的标志在以下点云中不可见，而是直接在激光雷达的数据流中输出。

毫米级精度

Ouster对所有的激光雷达都进行了一系列的测试，其中就包括测距和精度测试，以确保每个激光雷达都符合既定的规格。

激光雷达的精度在不同的探测距离处是不同的。简而言之，激光雷达的精度会沿着像耐克商标一样的形状变化。在激光雷达最小测距附近的精度会稍微差一点，其原因类似于看鼻子上的物体比较模糊，只有将这一物体移到离脸远一点的地方才可以看清。当目标逐渐偏离最小测距时，精度会提高到一个点，然后再次稳定地下降直到激光雷达达到最大测距。

OS0测距和精度测试

我们对OS0进行了实测演示，测距范围为25 m，目标物体反射率为10%。如下表所示，在1 m以内，激光雷达的精度可达到±0.5 cm，而在1米处该精度降至±1 cm；当目标物移动至距离激光雷达1-10 m之间时，精度提高到±0.9 cm；超过10 m后，精度在25 m处几何衰减至±5 cm。

OS0精度实测 – 目标物体反射率为10%：

OS0毫米级的精度是现有市场上最高的精度，这使得OS0成为室内地图构建的理想解决方案。

另外，我们还对激光雷达进行了“四壁测试”。在此测试中，我们将激光雷达放在房间的中央，然后定性比较OS0与其他激光雷达探测到的墙壁厚度。激光雷达的精度越高，探测到的墙壁越“薄”。
 

OS0探测到的墙壁点云数据，房顶和地面的线已被隐藏

我们还测试了墙壁的线性度及任何变形或弯曲。在下面的图像中，可以看到OS0探测到的墙壁比市场上领先的16线中距传统模拟激光雷达更薄，即精度更高。

凭借其超广视场角、128线分辨率、0 cm最小探测距离和毫米级精度， OS0成为现有同类产品中功能最强大的短距激光雷达，不仅具有高性能，而且外形小巧、重量仅为445 g，可无缝集成到自动驾驶汽车、仓库机器人和室内测绘设备中。