如今,動作(任天堂Wii)、觸控(Apple iPhone)以及語音(Amazon Alexa)等互動方式已經過時了,更酷炫、更有賺頭且「免觸控」(touchless)的新一代使用者介面 (UI)正成為消費裝置的新寵。

正如Chirp Microsystems執行長Michelle Kiang在MWC展會上所說的,「重要的消費電子突破總是由UI革命觸發的。」

20170412_chirp_NT31P1 圖1:Chirp的MEMS超音波感測器(來源:Chirp Microsystems)

Chirp推出一款單晶片超音波飛行時間(ToF)感測器,讓用戶無需觸控螢幕就能和穿戴式裝置實現互動,甚至是無螢幕的裝置。

儘管Kiang並未表示基於超音波感測的「免觸控」互動將取代其它現有UI,但她認為這將為穿戴式裝置、擴增實境/虛擬實境(AR/VR)、智慧型手機甚至汽車提供另一種互動形式。

技術傳承自學術研究

Chirp Microsystems是一家位於加州柏克萊的新創企業,目前共有15名員工,在今年的MWC推出該公司首款針對穿戴式裝置開發的高精確、低功耗超音波感測開發平台。

許多穿戴式產品(如智慧手錶)的螢幕尺寸通常都很有限,用戶經常苦於其「手指太粗」。Kiang說,只要在智慧手錶中嵌入MEMS超音波ToF感測器,無論用戶的手指粗細,都不必再觸控螢幕,只需利用手勢即可控制手錶的功能。

穿戴式腕帶或許是更好的說明範例。目前的腕帶基本上並沒有空間配備螢幕,無法直接與穿戴者互動。但是,Kiang表示,如果腕帶或指環中搭載了夠精巧的超音波ToF感測器,這些流行的穿戴式腕帶馬上就能和用戶實現即時互動了!

20170412_chirp_NT312 圖2:穿戴式指環嵌入Chirp超音波感測器(來源:Chirp Microsystems)

Chirp的ToF感測器採用類似MEMS麥克風的3.5 x 3.5 mm LGA封裝,以1.8V的單電源運作。該裝置並配備I2C介面,十分易於整合於消費電子產品中。

MEMS與混合訊號CMOS ASIC

Chirp不僅開發MEMS超音波轉換器,還為其搭配一款混合訊號CMOS ASIC,並將二者整合在單一系統級封裝(SiP)中。

這款ToF感測器的板載微處理器可為喚醒感測應用實現永不斷線(always-on)的運作。據該公司介紹,該元件採用了範圍大於1m的脈衝迴波感測,而在1Hz採樣率為時功耗僅9uA。

這款MEMS超音波感測器的突破性微型化設計,是由美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)和戴維斯分校(UC Davis)的研究人員和工程師共同開發的,此後成為新創公司Chirp在2014年成立的基礎。

相關IP和主要的研究人員都已經從大學實驗室轉至Chirp工作了。該研究團隊成員包括UC Davis機械與航空工程教授David Horsley,以及UC Berkeley和UC Davis的博士研究生和博士後研究員等。目前,Horsley是Chirp公司技術長。

除了穿戴式裝置,Chirp的ToF感測器瞄準的另一個重要市場是AR/VR應用。目前,Chirp已能為特定客戶提供其VR/AR超音波感測開發平台了。但Kiang並未透露這些客戶名單,僅暗示是大公司。

目前的高階AR/VR系統都侷限於一個基地台或受限於規定的空間內。這是因為附加設備(如攝影機系統或磁感測器系統等)都必須安裝在這些有限的空間內,才能為VR/AR頭戴式裝置中的慣性測量單元(IMU)校正漂移,從而為用戶帶來更好的追蹤體驗。

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Kiang展示了一款微型化的MEMS超音波感測器,如今已能輕易地嵌入於AR/VR頭戴式裝置中。由於追蹤系統能夠隨用戶移動,從而為用戶提供360度的身歷其境體驗

Chirp的超音波感測器可在AR/VR環境支援6個自由度的控制器或輸入裝置,實現「由內而外的追蹤」。

3D感測

基於光學(主要是攝影機)的系統已經被應用於目標追蹤了。但是,攝影機本質上是一種不帶深度資訊的2D技術,它必須使用「點雲」(point cloud)以及更深度的計算,才能逐一地偵測物件的漂移。

相形之下,超音波ToF感測器是3D感測的理想選擇,因為該技術的三角測量資料更簡單。Kiang解釋,「更簡單的計算意味著更低功耗。」

使用紅外線技術是3D感測的另一項選擇。不過,Kiang強調,在戶外使用時,經由紅外線取得的資料往往無法使用。她說:「超音波感測器則是一種穩定的低功耗技術,用戶可以戴著VR/AR系統走向戶外,甚至漫步於陽光下。」

藉由將Chirp的超音波ToF感測器設計於VR/AR系統中, Kiang總結道:「我們希望低階VR/AR系統也能為用戶帶來更好的互動體驗,而高階VR/AR系統則能擺脫限制,進一步實現行動化。」

拓展智慧型手機與車用領域?

目前,紅外線技術在智慧型手機中作為近接感測器,用於防止用戶在接聽電話時臉部誤觸螢幕。

Kiang表示,一些智慧型手機供應商開始尋求以超音波技術取代紅外線技術。一開始的吸引力主要來自美學設計原因——為了去掉智慧型手機正面嵌入紅外線感測器的小孔。而今,有了超音波ToF感測器,智慧型手機設計人員可以為手機增添其它功能,例如自拍時的自動對焦,或提供簡單的手勢控制等。

長期來看,Chirp的超音波ToF感測器能夠用於取代輔助車輛倒車用的大型超音波感測器。Chirp的感測器還可作為車載資訊娛樂系統的新UI。不過這樣的汽車應用還需要更長的設計周期,Kiang解釋,這項應用在Chirp現有的規劃中優先級略低。

Chirp的MEMS感測器以及配套ASIC已經出樣了,預計將在今年底實現量產。Kiang表示,Chirp的一些客戶正計劃於2017年底推出整合Chirp晶片的終端產品,而其它客戶可能要到2018年才推出新產品。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Ultrasound: Can Chirp Usurp UI?,by Junko Yoshida)