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更趨實用的體感與MEMS偵測應用解決方案

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利用MEMS晶片建構擷取操作者的體感空間數據,已經是目前主流電玩主機的熱門應用。STMicroelectronics
利用MEMS晶片建構擷取操作者的體感空間數據,已經是目前主流電玩主機的熱門應用。STMicroelectronics

以往在科幻電影中,主角朝空中揮一揮手就能進行設備開關、顯示圖片翻轉放大的應用情境,在現代的體感操控技術逐漸成熟,這類電影才能看到的場景,已不再是遙不可及的控制技術。目前體感操控不只有動態追蹤,還可以僅行手勢指令辨識、操控者體態多節點即時動態追蹤分析,應用層面與相關解決方案,已經能擴及家電、3C產品...

體感控制技術,從技術架構面來觀察,主要可以分兩個大方向來討論,一是以目前遊戲產業相當熱門的人體動態感應、空間手勢、體態追蹤系統的遊戲應用,另一種是在終端設備上搭配MEMS進行的設備空間、動態偵測,透過系統整合建構的體感操作應用。

MEMS陀螺儀,可以更精確的偵測空間資訊。STMicroelectronics

MEMS陀螺儀,可以更精確的偵測空間資訊。STMicroelectronics

不只遊戲應用熱門,可達到空間偵測應用目的的MEMS晶片,在汽車電子也常用於安全設計中。Analog Devices

不只遊戲應用熱門,可達到空間偵測應用目的的MEMS晶片,在汽車電子也常用於安全設計中。Analog Devices

MEMS加速度計與陀螺儀,已經成為行動電話體感偵測的基礎感測元件。STMicroelectronics

MEMS加速度計與陀螺儀,已經成為行動電話體感偵測的基礎感測元件。STMicroelectronics

為達到更多元的整合應用,平板電腦漸將MEMS陀螺儀列為標準整合功能。STMicroelectronics

為達到更多元的整合應用,平板電腦漸將MEMS陀螺儀列為標準整合功能。STMicroelectronics

機上盒、智慧電視功能持續整合,遙控器的角色也成為遊戲控制應用要角,甚至整合體感控制應用已成趨勢。Freebox

機上盒、智慧電視功能持續整合,遙控器的角色也成為遊戲控制應用要角,甚至整合體感控制應用已成趨勢。Freebox

利用體感控制整合晶片,也能令電腦滑鼠整合體感控制器應用。Movea

利用體感控制整合晶片,也能令電腦滑鼠整合體感控制器應用。Movea

應用Movea體感控制解決方案的體感遙控器產品。Movea

應用Movea體感控制解決方案的體感遙控器產品。Movea

MEMS技術可利用製程,在單一封裝內整合線性與角動作感測元件,實踐更精確的體感動作偵測應用。STMicroelectronics

MEMS技術可利用製程,在單一封裝內整合線性與角動作感測元件,實踐更精確的體感動作偵測應用。STMicroelectronics

ASUS WAVI Xtion採Wireless HDMI傳輸技術,同時搭配Xtion機器視覺體感偵測技術,建構免控制器的體感操作應用。Asus

ASUS WAVI Xtion採Wireless HDMI傳輸技術,同時搭配Xtion機器視覺體感偵測技術,建構免控制器的體感操作應用。Asus

而從兩大應用型態來觀察,在遊戲產業使用的體感技術,大多採行電子攝影機或紅外線感測技術,來建構機器視覺,或是利用整合MEMS元件(加速度計、陀螺儀)的控制器與無線技術環境輔助,建構足以判斷遊戲者實際動態的類機器視覺架構。

PrimeSense Natural Interaction技術

就機器視覺應用來看,近來相當熱門的XBox 360採行的Kinect體感控制方案,實際上為採用PrimeSense公司的偵測技術;相同的,Asus也採行PrimeSense公司的偵測技術建構WAVI Xtion體感控制影音產品。

檢視PrimeSense公司的偵測技術,為利用完全不需配戴控制器、毋須無線技術整合的自然互動科技(Natural Interaction),主要技術架構為利用可偵測環境與主體深度機器視覺、搭配操控者的肢體節點追蹤機器視覺,將這些環境參數即時分析、轉換成空間與操控者手勢、動作偵測回饋資訊。

而XBox 360的Kinect體感遊戲應用,為基於PrimeSense公司的Natural Interaction的技術概念下,其實就是讓使用者完全不需配戴或手持控制器的即時偵測方案。也是因為完全不需輔助設備僅需靠最簡單、直覺的人體動作來進行遊戲,即便在Wii的體感遊戲應用已經造成市場熱潮,光是不需手持控制器就能玩體感的優勢下,就讓微軟Kinect開賣不到2個月的時間就能狂賣600萬套的關鍵。

與Kinect體感遊戲應用近似的產品,也就是Asus的WAVI Xtion,則是將PrimeSense公司的Natural Interaction的操控技術用於家庭影音家電中,以WAVI Xtion的設計方案為採行UWB超寬頻技術的無線影音傳輸裝置,設計概念為在5GHz頻帶下進行影像、聲音訊號的無線傳輸應用,其無線傳輸距離最遠可達25呎,其中Xtion則是在此架構下用來以體感與手勢指令控制應用,也是因為採行同一家的體感應用解決方案,Xtion用法與微軟的Kinect極為近似。

不同的是,WAVI Xtion主要利用UWB技術來將PC的影音無線傳遞到家中客廳電視,而在電視應用情境下以人體的手勢動作,藉由Xtion體感偵測技術取代電視遙控器,而手勢指令不只能控制電視播放與內容設定,還能進一步控制PC運作功能,或延伸PC電玩讓其達到如同Kinect體感遊戲的應用型態。

Natural Interaction結合電視娛樂應用

Asus發展WAVI Xtion的同時,也同步進行Xtion Pro產品開發,其實Xtion Pro的角色定位與微軟的Kinect for Windows概念即為接近,其實就是把基於PrimeSense公司的Natural Interaction的操控技術搭配Xtion Pro的體感操控SDK開發套件,讓第三方開發者可以快速建構基於WAVI Xtion體感操控架構下的互動應用。

檢視Xtion PRO規格,其體感偵測距離範圍為0.8~3.5m、偵測範圍角度最多為70度、偵測器的傳輸介面採USB 2.0,體感偵測架構為利用IR紅外線發射器/接收器為基礎,而SDK為基於Visual Studio .NET開發平台、支援Windows 7/Vista/XP等作業系統。也是在智慧電視熱潮下,電視能操作、呈現的內容也不再只是單純的電視節目,而可能是線上軟體商店、部落格、Facebook甚至是即時通訊功能,而這些複雜的操作已經不是單純遙控器能夠負荷的操作量。

為了讓智慧電視的操作應用更直覺、簡單,智慧電視的操作方案也持續朝「體感偵測」的Natural Interaction發展,即便是礙於材料、技術與授權成本使智慧電視無法直接進階至Natural Interaction操控型態,大多也會提供於遙控器整合MEMS陀螺儀、加速度計的3D空間滑鼠功能,讓遙控器的應用可以取代滑鼠的進階應用功能。

以電視整合Natural Interaction的方向觀察,除可以應用如PrimeSense公司的Natural Interaction體感操控方案外,或是搭配現成的Kinect for Windows或Xtion Pro搭配SDK來進行相關功能發展,但實際上在家電產業趨於微利的市場態勢下,直接採行現有的整合方案在成本考量下相對較不可行,多數智慧電視即便要發展Natural Interaction技術,大多也會採行封閉技術來進行開發與設計。

智慧電視的低成本體感偵測應用

比較有趣的是,在成本考量下,智慧電視會較早發酵的體感控制方案,反而會是如同Wii或是PS3的低成本體感互動控制架構,因為傳統電視的操作經驗,免不了還是需要遙控器這個關鍵設備,倒不如發展整合3D空間滑鼠偵測功能的多功能遙控器,會比直接跳到高成本、高技術難度的Natural Interaction體感偵測方案要來得更為務實許多。

例如,在LG的智慧電視推出時,即同時推出整合陀螺儀的遙控器配件,以LG電子推出的LED電視SL90系列為例,即為首次採用具角度動作感應的遙控器設計,遙控器內部整合陀螺儀MEMS感應器(Gyro Sensor),可透過偵測操控者持握遙控器的手指震動、旋轉角度、手勢動作,讓電視遙控器衍生如電腦3D空間滑鼠般的操控功能,也是陀螺儀MEMS偵測技術整合的人機介面運用在智慧電視遙控的案例。

除了電視業者自行發展的體感偵測遙控器外,第三方產品開發者也嘗試在傳統電視遙控器無法滿足未來應用的問題上,嘗試整合更多具空間偵測功能的高附加價值遙控解決方案。例如,搭配如STMicroelectronics發展的多軸動作偵測器MEMS模組,來強化設備或終端裝置的環境偵測能力。

多軸偵測MEMS元件 快速建構體感偵測技術基礎

以多軸動作偵測器MEMS模組為例,即為在單一個元件模組內,整合1組3軸數位加速度計、1組2軸類比陀螺儀MEMS元件,為線性動作偵測與角動作偵測器採封裝級整合的元件設計產品,藉高度整合優勢提高應用的性能與可靠度,同時減少MEMS佔用系統載板空間的設計問題,同時降低料件與製造成本。

而Movea動作偵測控制解決方案業者,也利用這類高度整合的MEMS偵測元件,來建構成本效益型動作感測器應用方案,利用單一模組內建多組動作感測器的元件,建構SmartMotion體感偵測技術方案,也能將體感偵測應用快速導入遙控器、遊戲機、智慧型手機、平板電腦等消費性設備應用。

3C產品整合體感控制/偵測設計已成趨勢

體感控制技術,在早期大多僅以功能開關形式的樣態,整合於產品之中,例如,早期的數位相機所搭載的MEMS方向感知元件,藉由感測相機的垂直或水平向,在拍攝的同時進行方向資訊記錄,讓用戶回放拍攝圖片可以讓相機自動辨識原先的拍攝情境,播放時自動轉正照片方向,這已是最基本的體感應用設計實例。

隨著MEMS技術不斷成熟,單一MEMS元件能搭載整合的微機電元件越來越多,同時偵測環境的精確度持續提升,也讓體感應用的整合功能越來越趨近實用,也是如同上例的數位相機案例,在近來新款的高階數位相機,均已整合更加精確的環境偵測MEMS元件。

例如,以往單純的水平/垂直向的偵測用途MEMS元件,在新產品中已換上更精確的水平偵測元件,透過功能整合,可在拍攝時即時在Live View攝影觀景窗內檢視現有相機的水平狀態,讓用戶可以隨時調整相機符合虛擬水平參考線來進行取景,避免拍出歪斜不正的照片。

同樣也是數位相機的操作案例,在新款相機追求像素解析度極大化的同時,為拉大競爭距離,MEMS微機電技術也成為新的競爭核心實力,如熱門的鏡頭防手震設計方案,把拍攝過程最容易出現的手震影響,像是壓按快門時造成的手震問題,或是長距取景容易放大的手晃問題,就大量產品開始導入MEMS電子式防手震的設計方案。

在相機置入垂直向/水平向的動作偵測即時記錄功能,在拍攝的同時也記錄了瞬間造成的手震方向、程度,可讓數位相機可以透過此進階訊息,進行數位資料的再處理與補正措施,甚至在拍攝進行中即時將相機動態參數即時回饋至鏡頭補正機制中,藉此即時微調修正拍攝畫面,將手震問題造成拍攝成果清晰度的影響降至最低,以目前的手震補正技術已可達到至少2~3級以上的快門手震修正能力。

不同的是,數位相機的MEMS體感技術是用於輔助與改善相機的使用過程,利用功能性的內嵌輔助設計,讓使用者完全不需要動手進行調效就能享受體感控制整合的優點,這是以MEMS微機電偵測技術加值得來的產品優勢。

相同的,MEMS動作偵測感應技術,可以為手機、遊戲機、可攜式多媒體播放器帶來更直接、便利的人機互動介面,讓設備可以得知用戶的手腕、手臂與環境空間的動作來與應用程式、遊戲與操作功能表的內部功能直接與使用者動作產生連結,實現真正即時的人機互動應用環境。

而在智慧手機、智慧平板裝置等行動裝置設計上,新的設計方案也朝向整合大量MEMS元件,甚至追加如大氣壓力偵測MEMS元件,來構築更全面的環境偵測數據擷取能力,以因應如運動手錶、PND個人導航設備等高階動態偵測應用需求。

藉由體感偵測應用 強化產品設計與附加價值

基本上,不管是Natural Interaction的操控技術還是需要搭配動作偵測控制器的體感偵測技術,目前初期大多是以取代鍵盤、滑鼠、搖桿等控制器為主要功能,但取代關鍵的輸入設備只是第一步,往後體感操控技術必須能再更多應用方面深入,達到心型態的人機互動介面最有效的功能發揮。

例如,在空間手勢辨識與動態追蹤系統方面,以往如電影關鍵任務主角的手勢控制電腦操作情境,在目前的體感偵測解決方案,礙於成本與效能問題,體感偵測系統仍無法精細到感測手指的細微動作或是手掌更趨繁複的手勢指令,僅能針對大動作,如揮物、定點進行動作偵測。

若要達到如同電影般這麼精細的手勢指令判讀與互動,則必須搭配具更精細辨識能力的感測器或是配戴MEMS動作偵測元件,來突破多點空間追跡演算需求最基本的動作擷取資料需求,達到進行多點空間手勢辨識與多樣化動作指令辨識的操作目的。

而以往3D空間滑鼠,大多僅能判讀較大程度的手勢與動作,若要達到更趨實用的操控性能,必須在手勢指令的定義下更多功夫,手勢指令一方面需要採取容易記憶、具操作直覺的設計,也必須能使偵測機制在判讀準確度大幅提升輔助,才能達到人機互動系統要求的精確控制功能要求。

另外,現有Natural Interaction的操控技術環境大多僅限室內應用,若要面對戶外多變型態的應用條件,動態偵測資料擷取元件(如攝影機、紅外線感測器)是否能在戶外環境也能達到如同室內的偵測效果?而設備在動態移動也能達到相同的偵測精確度,而不受光線、震動、多人操作干擾而產生誤差,仍須系統強化設計與改善感測機制來加以強化。

除了人機互動介面的偵測應用外,其實未來體感偵測應用還需與數位內容能達到更深入的整合,才能令體感控制應用的附加價值更高!尤其是結合現有主流的3D影音功能。

在新一代的視聽家電中已能呈現相對擬真的立體影音,在呈現3D影像景深度的同時,若能結合體感偵測即時令3D影像能與體感操作實際互動,如揮揮手能使虛擬影像呈現的花草同步撥動,或是偵測操控者的前後位移、轉身,同步令呈現影像即時產生互動,均能為3D化的影音娛樂價值更高,達到最身歷其境的互動感受。