移動(dòng)VR將愈成熟 一公司推出1mm精度超聲波ToF手勢(shì)識(shí)別

手勢(shì)識(shí)別并不是一個(gè)新概念，但一直以來手勢(shì)識(shí)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(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的飛行時(shí)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(shì)為用戶提供對(duì)其設(shè)備的免觸摸控制，幫助實(shí)現(xiàn)真正的移動(dòng)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(shì)控制平板電腦。

該公司的技術(shù)是源于美國(guó)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(dòng)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(guó)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(shí)別和運(yùn)動(dòng)追蹤，下一次用戶體驗(yàn)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(jī)器視覺，這又會(huì)占用大量的處理能力，而超聲只測(cè)量距離和距離，所以即使你使用多個(gè)設(shè)備，計(jì)算也十分簡(jiǎn)單。”

Chirp的傳感器工作時(shí)使用小型超聲換能器陣列發(fā)出一個(gè)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(jì)算飛行時(shí)間，芯片能夠確定物體相對(duì)于設(shè)備的位置，并且觸發(fā)編程行為。在空中揮動(dòng)你的手可以觸發(fā)滾動(dòng)屏幕行為，讓手朝向設(shè)備移動(dòng)或移開抽離可以控制音量或強(qiáng)度，你還可以通過小幅度的手指移動(dòng)來點(diǎn)擊或激活指令。

手勢(shì)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(hào)。因?yàn)閾Q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(yùn)動(dòng)沒有嚴(yán)格的限制，從而可實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的信號(hào)。Chirp的FoT傳感器將PMUT與專有的超低功耗、混合信號(hào)的集成電路結(jié)合在一起，以處理飛行時(shí)間計(jì)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(yùn)動(dòng)，與觸摸屏的二維限制相比，這可以添加更多的控制選項(xiàng)。

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(cè)到手部揮動(dòng)的大幅度手勢(shì)，而且可以感測(cè)到微小的手勢(shì)（如手指運(yùn)動(dòng)），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(shí)Chirp并不是第一個(gè)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(shì)控制或識(shí)別，通過聲音來監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)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(shì)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(duì)基于聲音的手勢(shì)識(shí)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(duì)可穿戴設(shè)備和其他消費(fèi)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。現(xiàn)在，如果VR應(yīng)用都專注于運(yùn)動(dòng)追蹤控制器，比如說HTC Vive控制器和Oculus Touch。這些控制器成對(duì)出現(xiàn)，而且其設(shè)計(jì)會(huì)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(shí)地?cái)D壓（扳機(jī)鍵）來讓用戶在虛擬空間中拾取物體。

這些解決方案的缺點(diǎn)在于（除了價(jià)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(dòng)時(shí)，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(huì)是一種顛覆性的解決方案，可以應(yīng)對(duì)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(dú)的控制器中，可實(shí)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(yàn)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(chǎng)，以及實(shí)現(xiàn)一個(gè)可在任何照明條件下運(yùn)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(dòng)VR/AR用戶提供一項(xiàng)非常誘人的功能：Inside-Out定位追蹤。Kiang指出：“因?yàn)橐环剑刂破鳎┱诎l(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(dòng)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(dòng)。這樣移動(dòng)VR體驗(yàn)將可以實(shí)現(xiàn)跟高端VR體驗(yàn)一樣的6自由度追蹤，同時(shí)沒有游玩區(qū)域的限制。

6自由度控制

超聲波手勢(shì)識(shí)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(huì)受到觸摸屏面臨的一些限制所影響?？山鉀Q我們?cè)诓煌I(lǐng)域看到的廣泛的用戶界面挑戰(zhàn)問題！

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