今年二月在巴塞隆納舉行的世界行動通訊大會(MWC)上展示了新一代的感測器和感測器融合技術,反映各家技術公司正激烈地競相創造觸控以外的全新人機介面(HMI)。

市場上並不存在「一體適用」的感測器技術,但感測器供應商追求的產品領域格外類似:智慧揚聲器和物聯網裝置(包括智慧手錶/智慧型手機、AR/VR頭戴式顯示器)。他們希望實現的新人機介面形式是無需手動觸控的微手勢(micro gesture)和存在檢測(presence detection)。

最近在感測器領域中的一項突破是出現了非常微型的超音波感測器和雷達晶片。這些產品的成本相較於紅外線等產品來說仍然是個大問題。但這種微型雷達和超音波感測器如今已經小到足以安裝於消費電子裝置中,因而能以全新方式實現使用者與智慧裝置的互動。

例如,英飛凌科技(Infineon Technologies)在MWC宣佈與XMOS的合作夥伴關係。這家德國晶片公司承諾,結合英飛凌的雷達、麥克風感測器以及XMOS的音訊處理器,將實現「遠場語音擷取」,並且利用雷達的波束成型技術實現存在檢測。

美國加州柏克萊新創企業Chirp Microsystems執行長也來到巴塞隆納展示該公司開發的單晶片超音波飛行時間(ToF)感測器,除了智慧型手機以外,這種感測器還可以用於擴增實境/虛擬實境(AR/VR)和穿戴式裝置,以及甚至是汽車應用。

挪威奧斯陸Elliptic Labs展示用於智慧揚聲器(例如Google Home、Amazon Echo)和其它家用裝置的超音波存在檢測技術。Elliptic Labs產品開發副總裁Guenael Strutt指出,「存在檢測現在可是家庭智慧助理產品設計者的神聖目標」。為了取代CMOS相機或紅外線技術,「智慧揚聲器設計者正在尋找替代性感測器技術,讓他們的裝置知道『沒人在家』」,他解釋道。

雖然上述的三家公司都在探索類似的產品領域,但每一家的技術定位稍有不同。

語音擷取

英飛凌電源管理與多重市場事業部總裁Andreas Urschitz在MWC嘈雜的展場中找到了一個完美的場地展示目前iPhone智慧型手機嚴重缺少的功能:將Siri必須聽到特定人物語音分離出來的能力。

每當Urschitz在吵鬧的展位上問iPhone「現在幾點了?」Siri總是回答,「我不知道你在說什麼。」

我們都知道,智慧麥克風透過波束成型技術將眾多麥克風連結在一起。這應該是複雜的三角函數發揮作用之處,讓各個麥克風連結成具有高度指向性的波束,從而可以對準當前的發話者。

現在,英飛凌表示,該公司的雷達和XMOS的波束成型器組合可望進一步擴展,讓麥克風得以「精確地導向特定物件,即使在物件移動以及存在雜訊的場合。」

Urschitz表示,「系統可以在30英呎開外分辨出你的語音。」如圖1所示,展示系統中包括XMOS音訊處理器作為感測器中樞控制器、英飛凌的MEMS麥克風(4支麥克風)形成波束,附帶天線的英飛凌60GHz 2Tx/4Rx雷達晶片以及有助於克服這些障礙的70dB軟體定義無線電(SNR)麥克風。

20170406_sensor_NT31P1 英飛凌的雷達和MEMS麥克風感測器融合,加上XMOS的音訊處理器,可為語音辨識提供新的建構模組

那麼,增加這種雷達/麥克風/感測器融合處理器配置需要多少成本?Urschitz沒有透露任何資訊,但他解釋,「每一種革命性的技術(就像藍牙和Wi-Fi)都會經歷相同的過程。」他相信很快就會發展到整合成本較合理的「轉捩點」。

認識微手勢

採用英飛凌/XMOS雷達/麥克風解決方案的首款產品最可能是家庭中的智慧揚聲器。然而,語音擷取並不是英飛凌推廣其雷達晶片的唯一應用領域。透過與Google在Project Soli的合作,英飛凌期望能為雷達晶片帶來更廣泛的應用前景,範圍從穿戴式裝置到智慧音揚聲器以及AR/VR。

Google的Project Soli是專為以雷達實現新型免觸控互動體驗而設計的。

正如Google的先進技術與專案(ATAP)團隊所解釋的,Soli感測器技術「是以寬波束發射電磁波的方式運作。」

在此波束照射範圍內的物體散射能量的同時,會將一部份的能量反射回雷達天線。這種反射訊號的屬性,如同能量、時間延遲和頻率相移等,能夠擷取有關該物體特徵和動態的豐富資訊,包括尺寸、形狀、方向、材料、距離和速度等。

Urschitz表示:「只需零點幾秒的時間,雷達就能掃描你的臉部和整個身體,包括大小、位置、速度和角度。」在他看來,相較於光學、超音波和紅外線等各種感測器,該公司的雷達晶片能輕鬆地打敗競爭對手,因為他們的雷達晶片具有即時掃描功能,而無任何延遲。這種雷達技術「超級可靠」,他指出,還可以提供「比超音波更高的解析度」。

想像一個使用者在房間中走動(離智慧揚聲器約幾英呎),如果想降低音量,只需用手指旋轉看不見的旋鈕即可。這種雷達系統可以辨識微小的手指動作,Urschitz解釋道。

20170406_sensor_NT31P2 英飛凌電源管理與多重市場事業總裁Andreas Urschitz展示如何以雷達晶片檢測手指做出降低音量的微手勢

想像雷達晶片可以複製光學感測器的能力——檢測移動和捕捉手勢,還能檢測像手指動作這一類的微手勢。同樣的,超音波技術也在爭奪微手勢控制市場。

新創公司Chirp在MWC推出了「首款可用於穿戴式裝置的高精確度、超低功耗超音波檢測開發平台」。該公司聲稱其MEMS ToF感測器能以1mm的精確度檢測「微小」的微手勢。

Chirp執行長Michelle Kiang解釋,這種微手勢控制技術的最直接應用之一是穿戴式裝置,例如具有小型螢幕的智慧手錶,或沒有螢幕的智慧腕帶。只要在智慧手錶中嵌入基於MEMS的超音波感測器,用戶就可以用手指(無論手指粗細)作出手勢控制手錶的功能,而不必接觸螢幕。

不限於手勢

與此同時,專業超音波檢測公司Elliptic Labs其實並不熱衷於必須先設定動作而觸發的手勢控制。「我們十分瞭解手勢,」 Elliptic副總裁Strutt指出,「手勢控制並不會全面開花。」

眾所周知,Elliptic Labs開發的超音波檢測軟體專用於執行高通(Qualcomm)的Hexagon、聯發科(MediaTek)和Cirrus Logic的DSP等已經廣泛整合於智慧型手機中的硬體。去年秋天,小米(Xiaomi)的MIX手機成為首款使用Elliptic超音波近接軟體的智慧型手機,有效地取代了通常配置在智慧型手機頂端的紅外線硬體近接感測器,Strutt解釋道。

20170406_sensor_NT31P3 當用戶將手靠近採用Elliptic Labs超音波存在檢測技術的智慧型手機螢幕時,螢幕就會彈出相關的通知消息

但Elliptic Labs的目標並不在於推出更高精準度的手勢控制。該公司專注於使用超音波檢測動作以及用戶與智慧型手機之間的距離。當用戶將手機拿起來貼近臉部時,它會自動關閉螢幕,暫停觸控功能,從而有效避免用戶的耳朵或臉頰無意中觸動撥號功能。當使用者將手靠近螢幕時,螢幕則會彈出相關的通知。

Elliptic Labs堅信這種更簡單、基於近接演算法的感測技術更易於理解。此外,重複利用智慧型手機中已經存在的硬體執行超音波檢測軟體的能力,使得系統設計人員得以釋放出更多的空間,同時節省增加紅外線硬體的成本,Strutt表示。

Strutt指出,目前的手勢控制技術面對的最大問題是不夠自然。他解釋:「在大多數時候,用戶更自然的做法是靠近家庭設備(如智慧揚聲器),然後伸出手去旋轉旋鈕來關閉音量。」

Kiang還討論了用超音波替代智慧型手機中紅外線感測器的可能性。但考慮到紅外線近接感測器已經非常便宜了,Kiang認為,對於想再增加其它功能的系統設計人員來說,超音波ToF感測器會是最佳選擇,有助於實現自拍時的自動對焦功能,或為智慧型手機提供簡單的手勢等功能。

VR/AR

Chirp認為,該公司的ToF感測器第一個也是最合適的是虛擬實境和擴增實境應用。目前,該公司並已向重要客戶推出「用於AR/VR的超音波感測開發平台。」

20170406_sensor_NT31P4 Chirp執行長Michelle Kiang展示嵌入Chirp MEMS超音波感測器的VR頭戴式顯示器

今天的高階AR/VR系統都要連接基地台或侷限在規定的範圍內使用,這是因為新增的感測器技術,比如基於相機的系統或磁性感測器系統,需要安裝在這個範圍內,以便於利用AR/VR頭戴式單元中的慣性測量單元(IMU)校正「漂移」,從而創造更好的追蹤體驗。

Kiang展示這種微型化MEMS超音波感測器現在更易於嵌入AR/VR頭戴式單元,從而為使用者帶來360度的沉浸式體驗,因為追蹤系統可以做到與使用者同步移動。

低階AR/VR系統缺少更好的互動體驗是一個明顯的問題;但高階的AR/VR系統則無法實現移動性,因為它還得先連接到另外一個感測器系統,她解釋說。

存在檢測

Elliptic Labs打算將其超音波技術擴展到智慧家庭裝置上,以實現存在檢測應用。對於像Amazon Echo或Google Home這一類的裝置來說,檢測有沒有物體發生移動很重要,因為如果它們知道附近周圍沒有人,這些電器設備就能自動斷電,達到節電的目的。

相較於基於相機的技術或紅外線技術,這種超音波檢測技術可以實現「360度俯視圖」,無需直接視線就能運作。這種技術既能在白天或黑夜中工作,並且較其它檢測技術的成本和功耗都更低,Elliptic Labs表示。

20170406_sensor_NT31P5 Ellipc Labs展示說明其最新超音波存在檢測技術不需要直接視線條件就能運作

Strutt指出,「使用者最希望能跟智慧家電裝置這麼說:『嘿,附近沒有人的時候請關燈』。」

(參考原文:Competing Sensors Crave Human Contact,by Junko Yoshida)