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手势识别技术要称霸下一代人机界面还得靠软件

时间:2016-07-13 作者:Patrick Mannion 阅读:
一家来自英国的公司Ultrahaptics结合市面上的超音波硬件以及独家的软件技术,开发出一种为手势识别与控制系统添加非接触式触觉(touch-less haptics)功能的方法…

一家来自英国的公司Ultrahaptics结合了市面上的超音波硬件以及独家的软件技术,开发出一种为手势识别与控制系统添加非接触式触觉(touch-less haptics)功能的方法,令人耳目一新。UdnEETC-电子工程专辑

我们在操作电子系统时,很大程度上依赖视觉、听觉以及直接接触,而现在已经到了我们危险地让那些感觉超载的程度,所以会开始从中抽离。举例来说,每当我倒车进入我家有点坡度的车道,就会有一堆警报声同时响起,包括倒车警报以及有时太过敏感的倒车雷达;我的手机则是会有来电/短信铃声、短信或社交网络的消息通知…那些通通让人不想理睬。UdnEETC-电子工程专辑

这真的不太好,因为我们会需要一个得去注意的警报─例如手剎车;是的,承认这件事就跟它本身一样让人头痛,我有时候会忘记放手剎车,然后就让车子缓缓从我家的车道开出去,而那种摩擦力道非常不明显;无论是手剎车警报或是仪表板上小小的红灯我都没注意,大部分是因为我一直忙着注意车子后面有没有行人。UdnEETC-电子工程专辑

我常疑惑为何他们不把手剎车警报弄得更响亮,而不是只有小小的“叮、叮”声,就像那些我们很快就不想理睬的警报音;难道它不值得有特殊的声音吗?或者是更与众不同的?UdnEETC-电子工程专辑

尽管在某种程度上有点个性化,现在有一种很炫的触觉回馈新技术,已经准备好支持下一代的全像成像(holographic imaging)、手势追踪应用,或是做为医疗、汽车设备的界面;这种技术是由Ultrahaptics的首席技术官暨创办人Tom Carter所开发,利用聚焦超音波刺激皮肤表面,例如模拟拨号时“点击”的感觉;该技术通常是与手势识别结合,追踪手的位置以确切辨别该在何处投射超音波。UdnEETC-电子工程专辑

这种触觉系统的原理是先利用手势识别技术判别手的位置,接着以专属软件驱动经典的现成40kHz超音波发射器数组,将声像(sound image)聚焦在手或是手指的确切位置,以提供所需的知觉;目前的开发工具能在1公尺外聚焦于指尖,而追踪方案的精确度仍有限制。Carter表示:“我们有能够在2公尺外锁定指尖的模拟成果。”
20160704NT01P1
图1 Ultrahaptics的系统提供了一种在虚无半空中的奇特触觉体验,为工业、汽车、医疗或虚拟现实系统应用提供了机会。
__UdnEETC-电子工程专辑

如果你到现在还没搞懂,总之这种技术的关键优势,在于你能在实际上没有摸到任何东西的情况下,仍然取得触觉回馈;“其他每种触觉方案都需要被触摸到,”Carter指出:“我们的技术主要优点在于你不必穿戴特殊装备或是手套,这具备很多手势上的优势。”UdnEETC-电子工程专辑

Carter开发此技术的目的当然不只是让我惊艳,而他认为汽车与医疗会是最适合的应用:“汽车有大量的功能,我们往往会需要同时做四、五件事情,而大脑处理触觉的速度会快得多、所消耗的(大脑)能量也较低。”UdnEETC-电子工程专辑

如果你能转动汽车仪表板上某个旋钮,并知道你转了多少、转得多快,这真的很棒;而如果你能在不需要更换特殊服装或是手套的情况下操作医疗仪器或计算机,甚至有可能拯救一条生命;这些都是非接触式触觉技术的关键应用,特别是在医疗院所那样容易感染的环境中,“触摸”几乎会变成一种恐惧。
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图2 简单的瓦斯炉开关旋钮,能以投射出来的影像代替、而且是“摸”得到的。
__UdnEETC-电子工程专辑

Carter讲了一个故事,说有位医师坦承他经常设法避免在他工作的医院里按电梯,总是大摇大摆走进电梯然后大声喊:“4楼,谢谢!”当然,他这是叫别人去帮他按整间医院最容易受到细菌感染的按钮…该说这位医生很明智吗?UdnEETC-电子工程专辑

真正的技术突破在于软件

其实非接触式触觉技术已经有人尝试过,是采用喷射或是空气涡流,但那些方法都效率不佳、吵杂、不准确而且会迅速消散;Ultrahaptics的技术则是采用村田制作所(Murata)的超音波换能器(transducer)─可能是通常被用在停车传感器的种类─并以一颗Xmos处理器控制。就像电磁波一样,超音波也有最小吸收量的频率,这也是使用40kHz的原因。UdnEETC-电子工程专辑

组成数组的超音波换能器数量从16~256颗不等,是依据应用所需范围来决定;在目前的评估板上,手部追踪是以Leap Motion的摄影机暨手势识别系统内的应用程序编程接口(API)来完成。同样的,该硬件是现成产品,而当Carter第一次在英国布里斯托大学(Bristol University)进行概念验证时,花了20分钟才用服务器上的高分辨率绘图卡渲染出一个图框(frame),而图框会对应每一次位置的改变。UdnEETC-电子工程专辑

不过在2013年成立Ultrahaptics之后,Carter与他的团队用不断改善的软件达到了60图框/秒(fps)的速度;在半年前,该公司甚至以单颗CPU让速度提升到了100~200fps。现在Ultrahaptics已经推出第二版软件,能使用32位ARM核心处理器(在这个案例中是采用Xmos处理器),让更新率达到10,000fps;这可望实现以更低功耗支持更复杂的感觉与互动接口。UdnEETC-电子工程专辑

对于这样的技术,我的第一反应是想知道超音波能提供多大的“力量(force)”,但Carter表示,该技术实际上不会提供那种抵抗力,而是会在皮肤表面产生震动:“我们有一个感知专家团队,负责根据不同所需的感觉来设计优化触觉体验;”而且这个团队对于技术突破成果并不藏私,他们正与英国的格拉斯哥大学(University of Glasgow)、布里斯托大学、萨赛克斯大学(University of Sussex)以及一所位于日本东京的大学进行公开合作。UdnEETC-电子工程专辑

虽然目前版本的超音波换能器实际体积够小,能让汽车制造商将不同配置的数组整合到仪表板原型中,但如果能更小当然是更好;Carter表示:“我们正在寻求一整个全新的换能器数组解决方案,此刻正与来自世界各地的不同伙伴在保密协议下合作,很抱歉不方便提供详情。”UdnEETC-电子工程专辑

在此同时,我很期待有一种全新形式的感觉输入,能立即提醒我放掉手剎车(我今天早上又忘了,唉…);其实我觉得在方向盘上的震动脉冲会有用,如果有哪位读者正好是负责汽车设计的工程师,请务必考虑一下!UdnEETC-电子工程专辑

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Patrick Mannion
EDN特约技术编辑。Patrick Mannion是一位自由撰稿人。 他曾担任UBM Electronics媒体的副总裁兼品牌总监,旗下曾包括EE Times、EDN、Embedded.com、Planet Analog、EBN和TechOnline。 他拥有工程学学位。
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