VR带动人机接口全新体验，众多技术汇流 创造想像空间

    谈到人机介面的发展，就形式上可以分成触控与手势辨识两大类别，但就技术层次上，可以分成触控、红外线、超音波、音频与影像辨识等，近期较为热门的应用，莫过于语音输入或是语音控制为主流。

VR开启全新人机介面体验

随着VR（虚拟实境）在这近半年成为科技产业的主流话题时，某一程度它亦可被归纳为人机介面的应用之一。Lattice（莱迪思半导体）亚太区资深事业发展经理陈英仁表示，就VR应用来说，Lattice的确非常关注其未来的发展，现阶段在人机介面领域的生态系统投入了相当多的心力与资源，其中亦不乏采取投资行动。

陈英仁进一步谈到，广泛来看，VR最为需要的，就是影像延迟的基本问题是不被允许发生的，所以FPGA（可编程逻辑闸阵列）某程度上可以加速影像传递，避免这种情况发生，进而维持基本的使用者体验。但如果再加上手势呢？届时，手势或是手指的动作，也要即时输入的情况下，也是需要感测器集线器（Sensor Hub）的帮忙才作到“即时”讯号传递与处理的要求，但这种感测器集线器在硬体规格与要求上又与智慧型手机的需求不太相同。



图1 : 单看VR装置的话，它可能只提供了观赏体验，但如果加上手势感测的话，使用体验也许会更不一样。（Source：techcrunch.com）
ST大中华暨南亚区技术行销与应用工程经理苏振隆也同意，VR谈的是“真实互动”的体验，拿掉了所谓的“摇杆”控制的情境，手势的侦测或是手的动作感测，也许就能取而代之，像是手的动作感测或许就能用加速度计来负责。

陈英仁认为，VR应用就形式上，仍可以分为有线与无线两种，前者在流畅性与使用者体验上，因为运算工作交由电脑来负责，所以VR装置本身的工作负担不会太大，但若是后者，无线讯号的传递就要保持连线畅通，此外，装置本身还要顾虑到低功耗的课题，所以要因应的课题会较多。但从市场层面而言，还是会有不少装置会朝向C/P值高的方向发展，在有限硬体条件的情况下，提供一定的使用者体验，这也会是Lattice可以努力的空间。但在现阶段，VR的主要体验还是偏重影音呈现为主，过去Lattice在MHL与HDMI等标准，都有相当多的着墨，再加上前面所提到的，在人机介面也挹注了不少资源，相信未来VR应用的发展将会相当的精采。



图2 : 由于VR仍是处在萌芽期阶段，有些业者会在硬体规格有限的情况下，尽可能提供较佳的VR观赏体验。（Source：www.businessinsider.com）
压力感测加电容式触控 注入智慧型手机活水

人机介面的另一个课题，则是触控技术的发展，iPhone 6S在推出之后，除了在处理器事件成了产业界所讨论的热门话题外，另外一个值得关注的议题，应是首次亮相的3D Touch技术。众所皆知，智慧型手机所采用的触控技术为电容式触控，在过去这几年的发展下，该技术其实已经有相当高的成熟度。

但也因此，该技术迟迟无法有效进展的情况下，苹果所推出的3D Touch，也为智慧型手机触控应用带来更多的想像空间。由于电容式触控主要是针对X、Y轴的电荷值加以计算，透过演算法的方式，以了解手指的触控位置的所在处。这种作法仅限于平面2D的触控，而苹果的3D Touch，则是多加了“压力感测”，透过不同的压力变化值，提供反馈或是互动，以提供使用者更丰富的使用者体验。

ST（意法半导体）大中华暨南亚区类比、微机电与感测元件技术行销经理王嘉瑜说：“预计2016年，将会有80%的旗舰级手机搭载压力感测技术。”可以想见，3D Touch技术为已经趋近成熟的智慧型手机市场注入了一股活水。



图3 : 苹果的iPhone 6S为智慧型手机触控技术带来了全新的使用体验（Source：Apple）
不过，王嘉瑜也坦言，仅管导入压力感测技术成了触控萤幕的热门话题，但考量到智慧型手机的成本与轻薄等课题，既有的面板、触控与压力感测晶片将来也会朝向整合为单一晶片的方向发展。而ST现阶段的作法，则是充份利用既有的电容式触控所需要的ADC（类比数位讯号转号器），让压力与触控的类比讯号都能由该ADC来进行讯号转换的工作，再交由Cortex-M3架构的MCU（微控制器）来进行该讯号的处理。

王嘉瑜进一步谈到，电容式触控技术演变至今，对于类比讯号的处理已成了十分重要的议题，像是SNR（讯号杂讯比）值的提升以及讯号变化量的控制与管理等，都是关键。而ST在过去与智慧型手机大厂三星，在触控技术的合作已有两年多的时间，所以也累积了不少的经验与专利。

而谈到晶片整合的策略，王嘉瑜则是透露，在In Cell技术上，由于ST并没有面板控制晶片的技术，所以ST有与台厂的面板控制晶片业者在进行策略合作。然而，观察智慧型手机的发展，感测器数量不断增加，感测器集线器所面临的负担相信也日益提高，既然压力与触控可以由MCU来处理，那么，再加上动作感测器的讯号，MCU是否也能应付？而苏振隆谈到，对ST来说，这早就是“现在进行式”的现象，只要有Cortex-M4核心的MCU，都可以处理前述所谈到的多元讯号处理的工作。

提升输入品质 MEMS麦克风变异性成关键

至于前面所提到的语音输入或是语音控制，此类应用在智慧型手机市场可以说是相当常见的使用情境，而MEMS麦克风则是近年来扮演相当重要的元件之一，根据IHS在2015年的十一月份的研究报告显示，智慧型手机大厂苹果在MEMS麦克风的使用量呈现逐年成长的态势，光是2016年的使用量，就高达1,045百万颗以上。



图4 : 语音控制成了近年来在高阶智慧型手机上的一大卖点。（Source：9to5mac.files.wordpress.com）
MEMS麦克风与其他以MEMS为基础的元件相同，除了既有的MEMS元件外，还必须搭配专用的ASIC（特殊应用积体电路），专为处理类比讯号转变成数位讯号，让后端的主晶片可以接手处理后续的运算工作。英飞凌射频及感测元件、电源管理及多元电子事业处资深行销经理潘哲源表示，早在1998年英飞凌就投入了这个市场一路到现在，在全球MEMS麦克风裸晶供应商位居第二的位置。

潘哲源谈到，今年苹果已将要将麦克风的数量增加为四个，自2014年开始，大陆的手机业者也开始采用MEMS麦克风，其数量也呈现逐年增长的态势。

从技术层面考量，为了能让声音输入能避免过多的干扰，对于SNR（讯号杂讯值）的要求也相当的高，潘哲源指出，一般来说，要在64dB以上的产品可被用在高端应用。但考量共振的情况，MEMS麦克风的变异性也相当重要，单一的MEMS麦克风必须控制在正负3dB内，两颗的话，就是正负6dB。

苏振隆也补充说明谈到，就语音指令的应用上，用到四个MEMS麦克风，主要是可以形成麦克风阵列，以作到360度的收音效果，而依照过去ST在市场上的策略，像是波束成形（BeamForming）或是降噪技术，ST都可以与第三方的合作伙伴合作，来提供对应的解决方案。

由于语音输入或是语音控制是属于相当生活化的应用，按理来说，应需要软硬体乃至于整个生态系统，一起合作，才能挖掘出多元应用情境。但潘哲源不讳言，由于英飞凌身为裸晶的供应商，相对没有机会与系统厂或是软体业者有所接触，反倒是与封装业者有较多的配合。正如同前面所谈到的，既然单一的MEMS麦克风必须控制在正负3dB左右，那么裸晶就必须控制在正负1dB内，毕竟在进入封装程序后，多少还是会产生误差。

不过，英飞凌射频及感测元件、电源管理及多元电子事业处经理吴柏毅也补充，英飞凌与软体业者有时候还是会有些接触，透过这些交流，反馈到自家的晶片上，来进行研发。

而撇开MEMS麦克风不谈，吴柏毅也透露，在去年六月，英飞凌与Google先进科技计划团队（ATAP）联手开发人机介面感测的解决方案，可望用于穿戴式装置或其他应用。所采用的技术基础是60GHz的无线雷达感测技术，英飞凌将收发器、天线与控制元件加以整合在极小且同一封装内。就目前公开的展示影片中，可以看到使用者能在不接触表冠之下，轻松调整时间，开发团队对于手指的转动动作要相当高的熟悉度，才能打造出这类的应用情境。



图5 : 英飞凌与Google合作，利用60GHz频段雷达技术进行手势控制技术开发。（Source：Google ATAP）
结论

大体来看，人机介面技术的发展，在众家大厂的推波助澜之下，自VR成为市场话题后，有了不少想像空间，不仅是在影像观赏有了全新体验，结合了动作感测与语音输入，或许能将使用者带入一个全新的实境体验环境，而这些既有技术，不论是感测器集线器亦或是感测元件等，仍会将在将来扮演重要角色。