手勢識別并不是一個新概念,但一直以來手勢識別的精度并不是很高。最近,一家初創(chuàng)公司——Chirp公司推出了一款微型超聲傳感器(基于微機電系統(tǒng)(MEMS)的飛行時間(ToF)傳感器),該傳感器利用超聲換能器,通過手部和手指手勢為用戶提供對其設(shè)備的免觸摸控制,幫助實現(xiàn)真正的移動VR并創(chuàng)造下一代用戶界面。在最近的技術(shù)demo中,用戶可以在空中通過手勢控制平板電腦。
該公司的技術(shù)是源于美國加州大學(xué)伯克利分校和戴維斯分校的伯克利傳感器和致動器中心,那里的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種小型化MEMS超聲傳感器的新方法。之后,2013年在美國加州伯克利成立的初創(chuàng)公司Chirp Microsystems獲得了該技術(shù)的授權(quán)。它們表示,“在追求盡可能自然的控制和交互上,我們已經(jīng)開發(fā)了觸摸屏、語音識別和運動追蹤,下一次用戶體驗革命將基于聲音。”
或許有許多人已經(jīng)了解過類似的基于光和攝像頭的系統(tǒng),但Chirp的聯(lián)合創(chuàng)始人兼執(zhí)行總監(jiān)Michelle Kiang表示,這些解決方案在準(zhǔn)確度不能媲美超聲波,而且功率消耗更大。她說:“基于紅外線或攝像頭的解決方案,在功率上可以消耗幾十毫瓦。但借助超聲波,我們只需幾十微瓦。足足減少了一千倍?;跀z像頭的系統(tǒng)需要機器視覺,這又會占用大量的處理能力,而超聲只測量距離和距離,所以即使你使用多個設(shè)備,計算也十分簡單。”
Chirp的傳感器工作時使用小型超聲換能器陣列發(fā)出一個聲波脈沖。這就好比使用回聲定位的蝙蝠一樣,聲波從物體(如你的手)反彈至芯片。通過計算飛行時間,芯片能夠確定物體相對于設(shè)備的位置,并且觸發(fā)編程行為。在空中揮動你的手可以觸發(fā)滾動屏幕行為,讓手朝向設(shè)備移動或移開抽離可以控制音量或強度,你還可以通過小幅度的手指移動來點擊或激活指令。
手勢控制
換能器是壓電微加工超聲換能器(PMUT),可以把傳送至傳感器膜結(jié)構(gòu)上的超聲壓力轉(zhuǎn)換成電信號。因為換能器不使用類似于常規(guī)壓電傳感器的背板,所以膜結(jié)構(gòu)的運動沒有嚴(yán)格的限制,從而可實現(xiàn)更高質(zhì)量的信號。Chirp的FoT傳感器將PMUT與專有的超低功耗、混合信號的集成電路結(jié)合在一起,以處理飛行時間計算。
壓電微加工超聲換能器(PMUT)
由于芯片不依賴于外部處理器,它能夠以更少的功率和更小的形狀因子完成任務(wù)。另外,由于其工作原理類似于回聲定位,傳感器允許設(shè)備追蹤三維空間中的運動,與觸摸屏的二維限制相比,這可以添加更多的控制選項。
Chirp表示,其ToF傳感器比傳統(tǒng)的超聲換能器小一千倍。還有,設(shè)備不僅可以感測到手部揮動的大幅度手勢,而且可以感測到微小的手勢(如手指運動),精度可達(dá)到1mm。如此精度使得ToF傳感器非常適合于可穿戴設(shè)備應(yīng)用,其中設(shè)備由于過小,用戶無法正常使用觸摸屏和免手持應(yīng)用,如無菌醫(yī)療或無塵室環(huán)境或信息娛樂應(yīng)用。
其實Chirp并不是第一個使用超聲波技術(shù)的。幾十年來,研究人員和企業(yè)已經(jīng)嘗試所謂的聲學(xué)手勢控制或識別,通過聲音來監(jiān)測運動并用于控制界面。任天堂甚至在1989年推出了游戲外設(shè)Power Glove,通過超聲波傳感器讓用戶使用手勢來控制游戲。Power Glove唯一的問題是:這根本沒有用。(任天堂在一年后便停止生產(chǎn))
但對基于聲音的手勢識別而言,Chirp的技術(shù)代表了“最新、最低功耗和最小形狀因子”的應(yīng)用。Chirp Microsystems的ToF傳感器支持對可穿戴設(shè)備和其他消費電子產(chǎn)品進(jìn)行,非接觸式感知和“Inside-out追蹤”。
Chirp希望FoT芯片可以為VR/AR領(lǐng)域帶來變革?,F(xiàn)在,如果VR應(yīng)用都專注于運動追蹤控制器,比如說HTC Vive控制器和Oculus Touch。這些控制器成對出現(xiàn),而且其設(shè)計會盡可能模仿人類手部的使用。例如,HTC和Oculus控制器不需要鼠標(biāo)或操縱桿來拾取物體,而是通過手部和手指真實地擠壓(扳機鍵)來讓用戶在虛擬空間中拾取物體。
這些解決方案的缺點在于(除了價格),它們使用基于光和攝像頭的追蹤,這再次回到功耗問題上,更不用說設(shè)置所需的額外硬件。而且在移動時,用戶被限制在給定的游玩區(qū)域內(nèi)。
Chirp Microsystems宣稱:我們的解決方案將會是一種顛覆性的解決方案,可以應(yīng)對大家正在面臨的追蹤問題。與基于攝像頭的解決方案相比,通過將其芯片嵌入到頭顯以及單獨的控制器中,可實現(xiàn)一種更低功耗、更低延遲、更低成本和更高分辨率的解決方案。Chirp的傳感器可以發(fā)揮出體驗完整的身臨其境潛力,比基于攝像頭的系統(tǒng)提供更寬的視場,以及實現(xiàn)一個可在任何照明條件下運行的系統(tǒng),這與基于光的系統(tǒng)不同。
更令人吃驚的是,把傳感器嵌入頭顯可為移動VR/AR用戶提供一項非常誘人的功能:Inside-Out定位追蹤。Kiang指出:“因為一方(控制器)正在發(fā)射超聲波,而另一方(頭顯)正在接收超聲波,所以它可以追蹤設(shè)備(控制器或頭顯)。”這意味著,用戶不再局限于當(dāng)前移動VR產(chǎn)品所提供的“環(huán)顧四周”,用戶將可以在VR環(huán)境中自由移動。這樣移動VR體驗將可以實現(xiàn)跟高端VR體驗一樣的6自由度追蹤,同時沒有游玩區(qū)域的限制。
6自由度控制
超聲波手勢識別將是一種添加交互性的方式,無需使用觸摸屏或外部控制器。另外,超聲不會受到觸摸屏面臨的一些限制所影響??山鉀Q我們在不同領(lǐng)域看到的廣泛的用戶界面挑戰(zhàn)問題!
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