由车辆的自动导航到激光雷达

6月1日清晨，国道一号嘉义水上路段，一部使用自动导航的Tesla电动车撞上前方横倒于车道上的白色货车，这部货车是因为先前的前方车辆紧急刹车，闪躲不及而翻覆。如果仔细看现场照片，清晨斜射的阳光正好直射到翻覆货车白色的顶棚，而又恰恰好反射到Tesla上，甚至有可能将太阳的光点反射到Tesla的摄影镜头。

这几乎就是在2016年5月的佛罗里达，Tesla第一次因为自动导航所导致死亡车祸的翻版，如出一辙的场景是前方的白色货车以及阳光的反射。所幸台湾的驾驶者机警地踩了刹车，避免了一场110公里车速所造成的悲剧。

为什麽车子的导航系统没有侦测出前方的障碍物，而做出必要的防范措施？Tesla虽然一再强调，它的自动导航系统，还是需要驾驶者随时注意车况及路况。然而一旦驾驶者享受到了科技的便利，就很容易失去警觉心，这也是人之常情。在第二级自动驾驶(level 2)以下，也就是偶而使用自动导航，车辆上装置了立体摄影镜头、超声波测距及雷达(短距为24 GHz，长距为77 GHz)即可，雷达在Tesla还不是标配。但是在第三级(level 3)，有限度的自动驾驶，通常就必须装上激光雷达(LiDAR)了。

Tesla的创始人马斯克，是所有车厂的CEO最排斥激光雷达，而全心拥护立体摄影镜头(stereo camera)以及演算法(algorithm)的人了。他曾说「anything relying on LiDAR is doomed」以及「camera-only algorithms can work surprisingly well」。立体摄影镜头是利用两个以上的镜头，间隔一段距离以产生所需的视角，并搭配必要的演算法，才有可能计算出不同物体间相隔的距离。

这在一般正常情况下，都可以精确的操作，而不会误判。但毕竟是演算法的计算，在非常少数的极端案例，有可能造成演算过程无法收敛，让导航系统无法做出判断而导致车祸发生。马斯克是位AI的倡议者，他是DeepMind最初期的投资者之一，也曾说过AI的威力胜过核弹，会超越人类的智能，以及引发第三次世界大战等发人深省的警语。Tesla也从事AI芯片的开发，并经由不断的数据学习，应用在自动导航系统内。

激光雷达的操作方式就很直接，原理跟雷达是一样的，所不同的是激光雷达用的是光波(红外线)，而雷达用的是电磁波。两者都是发射一时序的脉冲光波或电磁波，波前进遇到物体时会产生反射，当接收到反射波脉冲并计算其时间差(time of flight)，就可以量测到彼此间的距离。这过程是很直接的数学计算，不牵涉到演算法及人工智能。光波因为波长较短，因此对于前方物体可以有精准分辨率及量测结果，而雷达的波长较长，会很难分辨出前方物件是行人还是电线杆。

激光雷达在应用于自动导航之前，就已经在其他的领域使用过。我曾在国家地理频道上，看到研究人员利用激光雷达及空拍机，在柬埔寨的吴哥窟发现到实际上更大规模古城遗址。另外激光雷达也被应用到风力发电机上，来测量风的速度及方向，以调整最佳迎风的角度。

激光雷达最令人诟病的是价格太贵，主要是其使用了一长串的高功率半导体雷射，并做360度的旋转扫描以取得全方位的3D影像，不论是光学系统或机械旋转都所费不赀。近来为了普及化及降低成本，激光雷达的设计上逐渐舍弃360度，而改采小于180度及较短的侦测范围，这样就可以使用面射型雷射(VCSEL)，以及微机电反射镜(digital light processor；DLP)或使用绕射光学面，以产生出雷射光的阵列(array)，在成本结构才会有竞争力。

假以时日当自动导航越来越普遍，可以想像满街都是激光雷达的红外线雷射信号，对于行人的眼睛及皮肤一定会造成影响，这时就有必要降低雷射光的强度，换言之也就是需要在激光雷达上装置一个灵敏度非常高的光传感器(photodetector)。所幸在上世纪九十年代，半导体元件物理学家就已经发展出单光子的光传感器(SPAD)。

一般的光传感器是操作在元件的逆向偏压的微小暗电流区，一旦有光信号进入就会增强电流，但是至少得有上万个光子，才可能产生明显的光电流。单光子光传感器是刻意让元件操作在逆偏压的崩溃区，只要有一颗光子进入，就会造成实质的崩溃，崩溃之后又可以马上回复。所以只要去计算元件崩溃了几次，就知道有多少颗光子被收集到，因此灵敏度是一下子增加了好几个数量级。

科技的发明经常一开始并不清楚其适当应用的场景，就像单光子光传感器，甚至会被评论为「solution looking for problem」，然而一旦时机到了就得挺身而出粉墨登场。自驾车未来要做到第五级(level 5)的完全自动驾驶，不论就立体摄影镜头、激光雷达、雷达或超声波，车厂必须要有能力将这些不同的侦测系统作完整的融合(fusion)，因为没有任何单一的侦测系统可以提供在不同天候、距离以及精度上完整的数据。但是如果变成了各人一把号，各吹各的调，就会是个大灾难了！