科技猎Cepton科技，激光雷达研发的硅谷范儿
雷锋网按：成立于2016年7月的Cepton是一家成长非常快的创业公司，它为汽车、工业和测绘应用提供高性能、高分辨率的三维激光雷达。目前，Cepton有四款激光雷达产品，分别是HR80T、HR80W，面向汽车市场的Vista、以及面向无人机市场的SORA 200。Cepton强调，他们的传感原理中没有旋转部件，因而不会产生摩擦，。Cepton的CEO裴军博士和业务发展部总监魏巍在2017年10月的拉斯维加斯商业无人机博览会期间遇见了LIDAR杂志的发行人Allen Cheves和执行主编Stewart Walker，并邀请他们到Cepton在圣何塞的工厂看一看。
LiDAR杂志的执行主编Stewart Walker在2017年12月来到了位于加州圣何塞的Cepton，探究为何这家激光雷达供应商选择在硅谷落脚，又是如何给传感器的研发带来新思考的。
Stewart Walker博士是LiDAR杂志的执行主编。他先后在格拉斯哥大学、纽布朗维克大学和布里斯托尔大学获得了硕士和博士学位，他还是赫瑞瓦特大学的工商管理硕士学位。他也是美国摄影测量与遥感协会认证的摄影测量专家。
Stewart撰文记录了这次访问:
Cepton是由裴军、Mark McCord和叶军共同创办的。这几名核心人物的聪明才智是毋庸置疑的，他们都有斯坦福大学的博士学位，而裴军在自己还是学生时期时就认识了已经是教授的Mark。Mark现在是Cepton的工程副总裁，叶军则是董事会成员。Cepton的创始人在光学、系统、算法和汽车应用领域有着很深的积累。他们都是连续创业家，同时也是人工智能算法专家。叶军现在经营的Sentieon Technologies，他是他的第三家公司，此前，他成功地将创办的两家公司卖给了巨头（Brion Technologies被ASML收购，Founton Technologies被阿里巴巴收购）。2015年，裴军向百度咨询后发现，当时市场上没有任何一款激光雷达的性能可以突破10年前的水平。叶军向裴军提出挑战，要他做出不一样而且更好的产品。他组建一支精益求精的团队，最后完成了这一挑战。不过，他的团队成员并不全来自斯坦福大学，软件工程副总裁廖冬一是麻省理工学院的核工程博士，在加入Cepton之前，他在英伟达领导DirectX软件团队。
在我访问Cepton的时候，他们对即将完工的新工厂感到期待，新厂址在离他们的第一个工厂以北不到一英里的地方。2018年2月他们就会搬到新工厂里。新工厂比原来的空间大三倍，Cepton在这可以进行年产万台的小规模生产。此外，Cepton目前正在评估三家大型制造商的资质，为量产做准备。这个数字对于我们这些有传统机载激光雷达背景的人来说，简直不可思议，因为机载激光雷达供应商每年也就销售几十个机载激光雷达系统。但如果考虑到Cepton面向的主要是汽车市场，就不觉得那么多了。因为这些元件既可用于自动驾驶车辆，也可以用于传统汽车和高级驾驶辅助系统（ADAS）中。在我访问的时候，Cepton共有员工44人，正准备扩大规模。当天下午，裴军驾车带我到了他们的新工厂参观。他自己设计了布局，内部划板和隔间还没有组装好。新工厂的一切设计都是长远考虑的，包含了大幅增长的预期。
*Cepton CEO 裴军
在我们谈话的开头，魏巍拿特斯拉来比较，并提出了一个重要的观点：充分利用可靠材料和现成组件来完成快速的研发和系统级的创新，是成功的必经之路，此外，灵活的封装和控制也必不可少。硅谷闻名于世，并不是因为一次次基础科学的突破，而是这里能够出现大范围解决一些有意义、能解决的问题的解决方案。他谦虚地将为Cepton带来了不同的文化和视角的同事们形容为黑客，形容他们的技能应用到有需要的地方。他们不但非常聪明，并且很愿意解决新问题。魏巍形容硅谷高科技公司与“瑞士钟表业”是相反的，手工艺人采用的是传统的方法，呕心沥血，坚持创造世代相传的技艺。为了揭示特斯拉和Cepton的硅谷特性，魏巍进一步向我解释：“我们善于解决问题，试图找出能解决问题的关键，最大限度地发挥每个现成组件的潜力，然后从不同的角度出发，将他们整合到一起，在短时间内实现我们的想法，这与瑞士手表业是截然不同的”。Velodyne最初也是这样产生的。在汽车激光雷达的早期，我们有测距仪，接着，德国的Sick AG公司制造了单层旋转激光雷达。然后，Velodyne延续了这种方案，制造了多层旋转激光雷达，有更高的分辨率，也确实帮助了第一代自动驾驶汽车。不过，他们必须努力保持创新。魏巍解释道：“但现在激光雷达正在不断发展，人们想要越来越高的分辨率，得到像摄影图片一样的结果，你怎么做到这一点？”对于自动驾驶汽车，大家都知道360度覆盖的旋转激光雷达并不是理想的技术。它们难以安装到车身上，又浪费了很多像素。同时，旋转电机的可靠性低。新一代的激光雷达技术朝着新的方向发展：更远距离，非360度的视角场，更高的分辨率，不用旋转电机，更小的体积、能更好地与车辆集成。未来，量产自动驾驶车辆的目标是不再将激光雷达装在车顶。供应商需要用更低的成本获得更高的分辨率，这样的设计必须能够在不增加激光和接收器的元件数量的条件下达到性能目标。
图2：用于机载无人机的Cepton SORA 200传感器
Cepton传感器的基本原理是通过其独有的激光扫描阵列，提高性能和分辨率，同时降低成本。HR80和Vista（图1）两款产品是专为汽车和区域成像应用而打造的：传感器输出像素数据，而无人机使用的机载激光雷达SORA 200（图2）（裴军介绍说“SORA”源自日语，是天空的意思）有两束300像素的扫描线，垂直于飞行方向，扫描线之间的夹角为18°。这种方法提高了测量帧速，使之超过200Hz。解决方案不完全是固态的，但所需的运动很小且无摩擦。尽管激光的线数很少，但是扫描还产生了密集的点云。SORA 200平台非常灵活，可以通过不同的光学元件定制出更大的视场角和更高的分辨率。为了说明这一点，魏巍指出，竞争对手提供分辨率为0.2°频率为0.2Hz的产品。Cepton可以每线增加更多的像素，或者可以添加第三束激光。他们一开始甚至想只使用一束，但最后还是决定用两束来增加穿透树冠的概率。市场上已经有现成的脉冲激光器，波长为905nm。一些制图公司要求使用波长为1550nm的激光，但是功耗太大，而905nm的激光已经提供了足够的范围。1550nm激光技术的最大问题就是成本，它会令传感器的总成本比905nm的高10倍以上。此外，水对1550nm激光的吸收比905nm的要多得多，因此，在恶劣天气下，1550nm的传感器性能会有很大损耗。
图3：用Cepton传感器测量的点云示例（SORA 200）
Cepton对尺寸、重量、功耗和成本（size、weight、power、cost四者合称为SWaP-C）等非常在意：例如，SORA 200的尺寸为90x 60x100mm，重量为仅550g，功耗只有9 W。HR80有两种型号，HR80T长焦和HR80W广角。这些传感器捕获的点云示例如图3所示。Cepton的方案是，一辆汽车应该配备6个HR80W，提供360°视场角，再加上一个HR80T检测前方（图6a）。同时用一个HR80W和一个HR80T检测前方，在关键中心区域能够获得更多的像素，并且可以最大限度地减少最影响汽车安全的物体被漏检的可能性（图4b；在Vimeo上有一些视频展示了Cepton系统运行的状态） 。Cepton的开发速度非常快：2016年11月，仅在Cepton成立4个月后，他们就有了HR80T的Alpha版样品；随后在2017年2月，他们又发布了测试版，2017年6月就推向市场，每个版本都在原有的基础上有了很大的改进。HR80W也在2017年6月上市。SORA 200则于2017年10月在拉斯维加斯举行的商业无人机系统展上公布。最新的Vista则在2018年3月英伟达的GTC活动上推出，这款产品有着跟HR80W一样的视场角，但在扫描范围、角分辨率、频率以及SWaP-C上有了很大的提高。
图4（a）：Cepton的汽车激光雷达方案，系统由多个HR80W和一个前向的HR80T组成；
图4（b）：Cepton的汽车激光雷达方案，前视的传感器组合，通过平方函数来减少误差
Cepton与LiDAR USA有着密切的合作，他们将SORA 200集成到无人机测绘系统中并进行实地测试（图5）。LiDAR USA已开始向全球客户交付这些系统。其他客户和系统集成商也将与Cepton一同在无人机领域合作。自动驾驶汽车市场还需要两年时间才能达到量产，但无人机市场今天已经日趋庞大。Cepton预计，在未来两年，其所有传感器的销量将超过一万台，并随后迎来大幅增长。当天下午与裴军和Mark聊时，我故意向他们询问有人机的市场情况。Cepton坦白，他们在这块市场上并没有什么野心，但从技术角度来看，也不是攻不下的市场。Mark表示，如果有足够多的顾客向Cepton提出需求，他们的团队也是能够完成的！
图5：LiDAR USA集成到无人机激光雷达系统上的Cepton SORA 200
魏巍指出汽车和无人机市场的重要相似点：两者都需要长距离和高精度的激光雷达；当然都想要低价的。从测量范围来说，Cepton是非常强大的。速度为每秒2米的仓库机器人只需要10-20米的测量范围，解决这种问题很简单。而无人机将会是自动化的，感知能力就变得很必要的。这种问题对Cepton来说小菜一碟。他们对自己研发长距离、高分辨率产品的速度和专业技能充满信心。魏巍总结道：“Cepton在研究的，是可以代替昂贵传统激光雷达的高性能低成本解决方案。”
图6：Cepton HR80T的后视图，接入100 Mbps的以太网连接
在未来三到五年内，高度自动驾驶市场将成为激光雷达在汽车市场的阵地。这种被称为Level 3的自动驾驶，在某些情况下驾驶员的手不必放在方向盘上，除非系统提醒驾驶员接管。这种自动驾驶可能成为2020-23年车辆的标配。Level 4的自动驾驶则代表在某些区域内驾驶员双手可以始终不在方向盘上，而Level 5的自动驾驶则意味着不需要方向盘，即完全自动驾驶。如果对汽车应用不熟悉，可以在https://en.wikipedia.org/wiki/Autonomous_car找到权威解释。当然，目前的系统还没有达到那样的高度，例如，当汽车在墙壁或其他障碍物附近倒车时发出的哔哔声通常只是简单的超声波测距反馈。许多汽车都有更先进的系统，用后视摄像头和叠加在屏幕上的网格帮助驾驶员进行操作。“高速公路自动驾驶（Higway Pilot）”指的是在高速公路入口、出口或收费站之间的自动驾驶，包括变道和自动紧急制动（AEB），这类自动驾驶是当今汽车制造商的目标。这是驱动Cepton的巨大市场——现在全球每年新车的销量已经超过8000万辆！
Cepton认为许多无人机应用还没有怎么开始。现今，测绘当然非常重要，自动驾驶配送车和乘用车很快就要出现了，无人机的感知能力需求就更加迫切。魏巍表示，详细的地图测绘的确很有挑战性，但全自动无人机更是如此。无人机运输市场将是巨大的。此外，使用无人机重复绘制建筑工地的市场目前还是一片空白。精准农业也很有前景：当然，图象已经能够反映植物的健康状况，但激光雷达可以测量植物和树木的实际大小。这些细分市场如果用有人驾驶的飞机或直升机来完成，其实并不经济：无人机正在为这些市场带来革命性的变化，并使之扩张。
魏巍早上在商业方面做了一些总结。Cepton在汽车市场已经拥有大量客户，并且对自己18个月以来的发展速度感到自豪。他们在测绘市场的前景非常广阔。移动测绘系统可以使用多个HR80、Vista或SORA 200来打造。移动测绘系统公司都在弃用昂贵的单线产品，因为他们的客户希望用多束激光从不同角度来测绘物体，因此Cepton的阵列方案很有前途。一款包含激光雷达（HR80或SORA 200）和Cepton SDK（软件开发组件）的入门套件，其价格不过是几千美元，预计大量购买的价格会更低。Cepton的移动测绘计划还在萌芽阶段，但他们设想的整套测绘系统的价格将会低于2万美元，这个价格包括了多个激光雷达和GNSS/IMU，这将给行业带来变革。他们想要重塑市场，想要摘取唾手可得的胜利果实。对于高性价比的产品来说，城市资产管理也是一个潜在的市场。在汽车和飞行器之间，Cepton毫无疑问能卖出大量的传感器。该公司的资金消耗率很低，预计很快就能实现盈利。魏巍再次强调了使用现成组件和避免使用特殊材料的好处。他们专注于激光雷达这个核心并且从不分散精力到GNSS，IMU或SfM上。
在下午的会谈中，裴军和Mark明确表示，因为市场竞争非常激烈，他们不想分享他们内部的技术细节。汽车激光雷达的大批量需求，令有很多激光雷达公司都在争夺这个市场。各玩家们都为自己的知识产权而感到骄傲，并且有意防范。而裴军则打趣说：“激光雷达就是把光发出去再收回来！”但他们其实希望能够透露多一点，这样可以让他们在市场上更有说服力。Teledyne Optech和Hexagon这样的公司就可以详细描述自家的技术，因为有人机市场很小，而他们的客户希望能深入了解产品技术。
图7：安装在Clearpath Husky仓库机器人上的Cepton HR80W
目前美国大约有二十多家面向自动驾驶的激光雷达公司。他们一有想法，就去验证可行性，想一些技术上的漂亮话，从风投那融点钱，制作原型，再融第二笔钱。这种循环是众所周知的，Cepton只在一定程度上遵循了这种方式。这是历史的重演，优胜劣汰的过程。明星或幸存者留了下来，包括一些超级明星公司，如惠普。Cepton的模式对于硅谷公司来说不是新的东西。他们使用已有的材料和设备。这是一个更实际的方法，一种传统的商业模式：制造和销售真正的产品来获得利润。因此，商业发展有了节奏。这一理念决定了他们的技术方法。Cepton不会开发没有利润的花俏技术，这些东西不会带来现金流。他们的目标是用真正的产品来解决今天有意义的市场问题。创新的速度可以通过每个季度的里程碑来衡量。Cepton必须达到这些里程碑。技术方案的成功与否取决于研究水平，零部件和材料的成熟可靠度，Cepton凭借自己的技术能够控制自己的命运，并能在今天产生影响力。裴军举了特斯拉的例子：特斯拉没有发明电池，而是在封装和系统层面进行了创新。Cepton将精力放在了系统设计、封装、光学和信号处理上。小尺寸的激光雷达对自动驾驶车辆来说尤其重要。性能、成本和可靠性都是关键。
裴军认为无人机市场更容易进入。2017年10月，仅在公司成立15个月后，Cepton就推出了SORA 200。Cepton的目标是建立在之前提到的商业模式上的。尽管如此，汽车仍然是最大市场。Cepton正在筹划自己的小批量生产，并将找代工厂进行大批量生产。
图8：安装在May Mobility自动驾驶接驳车上的Cepton HR80W
裴军指出了空间分辨率和距离方面的市场差距。Cepton将自己定位为最顶端的供应商，提供大于300米范围和0.1～0.2°分辨率的产品。他们在四个关键领域都取得了进展：光学、电子、机械、信号处理（固件和软件中的算法）。他们使用的是定制的光学元件。他们为求最佳的信噪比在电子元件上投入了大量资金。根据裴军的说法，Cepton的激光雷达不是固态的，而是微动的，Cepton称之为自主设计的微动扫描阵列，这是Cepton解决方案的核心和灵魂。裴军表示，大部分的机械系统都有电机，或整个机组都在旋转。这种方案的后果就是会产生摩擦，导致转轴和轴承的磨损。Cepton已经消除了这一点。因此这些关键部件预计能使用很长的时间。微动，顾名思义，就是只有微小的运动。Mark解释说：“我们的传感器不是纯固态的，就像扬声器中的音圈一样：它们有运动的部件，存在在每辆车中。”Mark补充说，该技术可以在未来的更新中扩展到更高的分辨率和更长的距离，而且Cepton的方案比其他激光雷达解决方案简单、便宜。Cepton的目标是达到数码单反相机的重量和价格。裴军指出，Cepton的团队很擅长工程。“我们的团队拥有从光学、电子学、机械学到机器学习和计算机视觉的垂直综合技能。”裴军补充说，Cepton拥有令人欣羡的专利组合，但他们最大的资产是人才。对于Cepton的规模来说，他们的工程团队确实非常大。
传感器不会记录数据，但会输出连续的带坐标的测量点、距离和强度（图6）。Cepton开发了一个SDK，能够解析和汇编点云数据，并诊断信息。该SDK支持Windows、Linux、机器人操作系统、Mac OS和本地Python Binding（API）。如果Cepton对传感器进行固件升级，SDK仍能与用户现有的软件兼容。
我们比较了汽车和无人机的激光雷达市场。18个月前，Cepton的目标市场几乎完全是汽车。裴军认为无人机不过是玩具。然而，魏巍坚持说，一个新的商业无人机市场正在形成，需要有价格竞争力、高性能的传感器。当问其为什么选择在商业无人机系统展会上发布SORA 200时，裴军坦白，他们并不善于营销。当时他们仅运送了少量SORA 200到场，他们更喜欢偏技术性的活动，在那种场合他们能够回答参会者们的技术问题。但是，到了我参观Cepton的时候，他们正在为2018年1月的CES做准备，这就是另一番光景了。
Cepton的产品对每个脉冲都输出两次回波和强度。他们还在规划许多新的功能。为了达到50％的反射率这个目标，他们故意将SORA 200的检测距离设计为200米，因为这很轻易就能覆盖美国目前规定的无人机400英尺的限飞高度。事实上，美国的限飞高度已经很高了。
Cepton发展了一个强大的合作伙伴网络，尤其是在汽车方面，包括一些初创公司。其他分销应用领域包括机器人、测绘、农业、铁路和采矿。我们还特别谈到了位于加拿大安大略省基奇纳的Clear path Robotics。这家公司有一个聚焦仓库机器人的机器人部门，是与机器人相关的传感器和组件的经销商（图7）。Cepton的商业版图必将扩大到全球，他们已经有了2018年的实施计划。
裴军认为，短期内，自动驾驶汽车在特定园区的运营有前景。因此，激光雷达的最初将会卖给小型自动驾驶出租车队和接驳车队（图8）。激光雷达可以提供厘米级的距离精度和空间分辨率，与雷达和摄像头传感器融合，提供多重的冗余和可靠性。对于量产车辆，汽车公司希望将激光雷达无缝集成到车身中。汽车仪表盘后面或前大灯处将是不错的安装激光雷达的位置，而Cepton正积极与这方面的Tier 1供应商合作。
*在追赶Cepton的下一个里程碑之前，CEO裴军博士通过音乐进行放松。
我最后问了裴军一些关于他自己的问题。他很喜欢腕表，小的时候喜欢搭建模型船和模型飞机。他钢琴弹得很棒，差点去了音乐学院，但他更喜欢机械工程这样的职业，同时仍与音乐有所连结。他在家里有一架施坦威的三角钢琴。他还有一架电子琴在放在办公室里，他弹的时候会戴上耳机。因为不想打扰正在为Cepton的产品贡献才能的同事们，他们在做的，是能够改变汽车、无人机和其他激光雷达市场的产品。该公司的口号“智能机器的3D激光雷达”已经实现。
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