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VR帶動人機介面全新體驗
眾多技術匯流 創造想像空間

【作者: 姚嘉洋】   2016年03月10日 星期四

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談到人機介面的發展,就形式上可以分成觸控與手勢辨識兩大類別,但就技術層次上,可以分成觸控、紅外線、超音波、音頻與影像辨識等,近期較為熱門的應用,莫過於語音輸入或是語音控制為主流。


VR開啟全新人機介面體驗

隨著VR(虛擬實境)在這近半年成為科技產業的主流話題時,某一程度它亦可被歸納為人機介面的應用之一。Lattice(萊迪思半導體)亞太區資深事業發展經理陳英仁表示,就VR應用來說,Lattice的確非常關注其未來的發展,現階段在人機介面領域的生態系統投入了相當多的心力與資源,其中亦不乏採取投資行動。


陳英仁進一步談到,廣泛來看,VR最為需要的,就是影像延遲的基本問題是不被允許發生的,所以FPGA(可編程邏輯閘陣列)某程度上可以加速影像傳遞,避免這種情況發生,進而維持基本的使用者體驗。但如果再加上手勢呢?屆時,手勢或是手指的動作,也要即時輸入的情況下,也是需要感測器集線器(Sensor Hub)的幫忙才作到「即時」訊號傳遞與處理的要求,但這種感測器集線器在硬體規格與要求上又與智慧型手機的需求不太相同。



圖1 : 單看VR裝置的話,它可能只提供了觀賞體驗,但如果加上手勢感測的話,使用體驗也許會更不一樣。(Source:techcrunch.com)
圖1 : 單看VR裝置的話,它可能只提供了觀賞體驗,但如果加上手勢感測的話,使用體驗也許會更不一樣。(Source:techcrunch.com)

ST大中華暨南亞區技術行銷與應用工程經理蘇振隆也同意,VR談的是「真實互動」的體驗,拿掉了所謂的「搖桿」控制的情境,手勢的偵測或是手的動作感測,也許就能取而代之,像是手的動作感測或許就能用加速度計來負責。


陳英仁認為,VR應用就形式上,仍可以分為有線與無線兩種,前者在流暢性與使用者體驗上,因為運算工作交由電腦來負責,所以VR裝置本身的工作負擔不會太大,但若是後者,無線訊號的傳遞就要保持連線暢通,此外,裝置本身還要顧慮到低功耗的課題,所以要因應的課題會較多。但從市場層面而言,還是會有不少裝置會朝向C/P值高的方向發展,在有限硬體條件的情況下,提供一定的使用者體驗,這也會是Lattice可以努力的空間。但在現階段,VR的主要體驗還是偏重影音呈現為主,過去Lattice在MHL與HDMI等標準,都有相當多的著墨,再加上前面所提到的,在人機介面也挹注了不少資源,相信未來VR應用的發展將會相當的精采。



圖2 : 由於VR仍是處在萌芽期階段,有些業者會在硬體規格有限的情況下,盡可能提供較佳的VR觀賞體驗。(Source:www.businessinsider.com)
圖2 : 由於VR仍是處在萌芽期階段,有些業者會在硬體規格有限的情況下,盡可能提供較佳的VR觀賞體驗。(Source:www.businessinsider.com)

壓力感測加電容式觸控 注入智慧型手機活水

人機介面的另一個課題,則是觸控技術的發展,iPhone 6S在推出之後,除了在處理器事件成了產業界所討論的熱門話題外,另外一個值得關注的議題,應是首次亮相的3D Touch技術。眾所皆知,智慧型手機所採用的觸控技術為電容式觸控,在過去這幾年的發展下,該技術其實已經有相當高的成熟度。


但也因此,該技術遲遲無法有效進展的情況下,蘋果所推出的3D Touch,也為智慧型手機觸控應用帶來更多的想像空間。由於電容式觸控主要是針對X、Y軸的電荷值加以計算,透過演算法的方式,以了解手指的觸控位置的所在處。這種作法僅限於平面2D的觸控,而蘋果的3D Touch,則是多加了「壓力感測」,透過不同的壓力變化值,提供反饋或是互動,以提供使用者更豐富的使用者體驗。


ST(意法半導體)大中華暨南亞區類比、微機電與感測元件技術行銷經理王嘉瑜說:「預計2016年,將會有80%的旗艦級手機搭載壓力感測技術。」可以想見,3D Touch技術為已經趨近成熟的智慧型手機市場注入了一股活水。



圖3 : 蘋果的iPhone 6S為智慧型手機觸控技術帶來了全新的使用體驗(Source:Apple)
圖3 : 蘋果的iPhone 6S為智慧型手機觸控技術帶來了全新的使用體驗(Source:Apple)

不過,王嘉瑜也坦言,僅管導入壓力感測技術成了觸控螢幕的熱門話題,但考量到智慧型手機的成本與輕薄等課題,既有的面板、觸控與壓力感測晶片將來也會朝向整合為單一晶片的方向發展。而ST現階段的作法,則是充份利用既有的電容式觸控所需要的ADC(類比數位訊號轉號器),讓壓力與觸控的類比訊號都能由該ADC來進行訊號轉換的工作,再交由Cortex-M3架構的MCU(微控制器)來進行該訊號的處理。


王嘉瑜進一步談到,電容式觸控技術演變至今,對於類比訊號的處理已成了十分重要的議題,像是SNR(訊號雜訊比)值的提升以及訊號變化量的控制與管理等,都是關鍵。而ST在過去與智慧型手機大廠三星,在觸控技術的合作已有兩年多的時間,所以也累積了不少的經驗與專利。


而談到晶片整合的策略,王嘉瑜則是透露,在In Cell技術上,由於ST並沒有面板控制晶片的技術,所以ST有與台廠的面板控制晶片業者在進行策略合作。然而,觀察智慧型手機的發展,感測器數量不斷增加,感測器集線器所面臨的負擔相信也日益提高,既然壓力與觸控可以由MCU來處理,那麼,再加上動作感測器的訊號,MCU是否也能應付?而蘇振隆談到,對ST來說,這早就是「現在進行式」的現象,只要有Cortex-M4核心的MCU,都可以處理前述所談到的多元訊號處理的工作。


提升輸入品質 MEMS麥克風變異性成關鍵

至於前面所提到的語音輸入或是語音控制,此類應用在智慧型手機市場可以說是相當常見的使用情境,而MEMS麥克風則是近年來扮演相當重要的元件之一,根據IHS在2015年的十一月份的研究報告顯示,智慧型手機大廠蘋果在MEMS麥克風的使用量呈現逐年成長的態勢,光是2016年的使用量,就高達1,045百萬顆以上。



圖4 : 語音控制成了近年來在高階智慧型手機上的一大賣點。(Source:9to5mac.files.wordpress.com)
圖4 : 語音控制成了近年來在高階智慧型手機上的一大賣點。(Source:9to5mac.files.wordpress.com)

MEMS麥克風與其他以MEMS為基礎的元件相同,除了既有的MEMS元件外,還必須搭配專用的ASIC(特殊應用積體電路),專為處理類比訊號轉變成數位訊號,讓後端的主晶片可以接手處理後續的運算工作。英飛凌射頻及感測元件、電源管理及多元電子事業處資深行銷經理潘哲源表示,早在1998年英飛凌就投入了這個市場一路到現在,在全球MEMS麥克風裸晶供應商位居第二的位置。


潘哲源談到,今年蘋果已將要將麥克風的數量增加為四個,自2014年開始,大陸的手機業者也開始採用MEMS麥克風,其數量也呈現逐年增長的態勢。


從技術層面考量,為了能讓聲音輸入能避免過多的干擾,對於SNR(訊號雜訊值)的要求也相當的高,潘哲源指出,一般來說,要在64dB以上的產品可被用在高端應用。但考量共振的情況,MEMS麥克風的變異性也相當重要,單一的MEMS麥克風必須控制在正負3dB內,兩顆的話,就是正負6dB。


蘇振隆也補充說明談到,就語音指令的應用上,用到四個MEMS麥克風,主要是可以形成麥克風陣列,以作到360度的收音效果,而依照過去ST在市場上的策略,像是波束成形(BeamForming)或是降噪技術,ST都可以與第三方的合作伙伴合作,來提供對應的解決方案。


由於語音輸入或是語音控制是屬於相當生活化的應用,按理來說,應需要軟硬體乃至於整個生態系統,一起合作,才能挖掘出多元應用情境。但潘哲源不諱言,由於英飛凌身為裸晶的供應商,相對沒有機會與系統廠或是軟體業者有所接觸,反倒是與封裝業者有較多的配合。正如同前面所談到的,既然單一的MEMS麥克風必須控制在正負3dB左右,那麼裸晶就必須控制在正負1dB內,畢竟在進入封裝程序後,多少還是會產生誤差。


不過,英飛凌射頻及感測元件、電源管理及多元電子事業處經理吳柏毅也補充,英飛凌與軟體業者有時候還是會有些接觸,透過這些交流,反饋到自家的晶片上,來進行研發。


而撇開MEMS麥克風不談,吳柏毅也透露,在去年六月,英飛凌與Google先進科技計劃團隊(ATAP)聯手開發人機介面感測的解決方案,可望用於穿戴式裝置或其他應用。所採用的技術基礎是60GHz的無線雷達感測技術,英飛凌將收發器、天線與控制元件加以整合在極小且同一封裝內。就目前公開的展示影片中,可以看到使用者能在不接觸錶冠之下,輕鬆調整時間,開發團隊對於手指的轉動動作要相當高的熟悉度,才能打造出這類的應用情境。



圖5 : 英飛凌與Google合作,利用60GHz頻段雷達技術進行手勢控制技術開發。(Source:Google ATAP)
圖5 : 英飛凌與Google合作,利用60GHz頻段雷達技術進行手勢控制技術開發。(Source:Google ATAP)

結論

大體來看,人機介面技術的發展,在眾家大廠的推波助瀾之下,自VR成為市場話題後,有了不少想像空間,不僅是在影像觀賞有了全新體驗,結合了動作感測與語音輸入,或許能將使用者帶入一個全新的實境體驗環境,而這些既有技術,不論是感測器集線器亦或是感測元件等,仍會將在將來扮演重要角色。


刊頭圖片(Source:Oculus)


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