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论3D感知与智能交互的技术发展,解歌尔成功的八字箴言

作者:王金旺时间:2017-09-14来源:电子产品世界

  人机交互作为互联网,甚至物联网时代的重要技术方向之一,从最早的按键到之后的触控笔、触摸屏,极大地带动了PC及手机向便携和智能时代的跨越。而近年来的3D感知与微型投影技术将会进一步解放双手,预计将会实现按键、触控之后的第三次人机交互跨越。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201709/364301.htm

3D感知和智能交互应用市场现状及发展

  当下的3D感知和智能交互应用市场分为两个端,即输入端和输出端。

  输入端通过3D景深可以实现智能交互,这对3D在智能硬件中的应用会有很大的推动作用。近些年也有众多典型智能交互案例,包括针对互联网购物、装修都已经有很好的应用,未来的VR和AR也会结合影像、3D建模和3D展示将会有很大的发展空间。

图1 3D感知与智能交互系统的应用市场

  随着智能音箱引爆市场,大家对输出端交付迫切需求也开始出现,其中,嵌入式市场是输出端主要增长领域,其年复合增长率在30%以上,而在智能音响之后,预计未来随着智能交互的需求度不断提升,将会有更多对视频展示的智能硬件出现。尤其随着小型化技术的发展,输出端市场也会不断拓展。另外,由于现在人眼视力普遍在下降,尤其是孩子的视力下降已经不容忽视,因而,教育市场也是未来人机交互很重要的一个领域。

  据相关报告显示,3D传感市场规模将从2016年的13.28亿美元增长到2022年的90.34亿美元,年复合增长率高达38%。而随着国际巨头导入3D摄像技术,人脸识别和手势识别应用将率先脱颖而出,市场空间有望迎来爆发式增长。而智能音箱、智能机器人、智能手机/平板、智能穿戴、AR等一系列交互式微投应用场景兴起,微投影市场(尤其是嵌入式微投)也将迎来快速增长。在不久的将来,3D感知与微投影智能交互或将成为智能终端的“标配”。

图2 3D传感市场市场分布图

  3D摄像目前有三条主流技术路线,即TOF、结构光和多角成像(也称双目立体视觉技术)。

  TOF是通过主动发射调制后的连续光脉冲信号到目标面上,利用传感器接收反射光,通过相位差进行运算,并最终转换得到距离,也就是我们需要的景深数据。

  结构光是3D扫描的一个光学方法,它通过投射出一组用数学方法构造的光图形,按照一定顺序照亮被测量物体,然后通过一个到投影仪距离已知的摄像头同步捕捉一组被照亮物体的图像,得到投影数据。而由于不同厂家的算法不同,得到的模型也会有所差别,因而基于结构光的传感器是与算法捆绑出售的。

  多角成像(双目立体视觉技术)则是基于视差原理,利用成像设备从不同位置获取被测物体两幅图像,通过计算对应点间的位置偏差来获取三维几何信息的方法得到景深数据。但是由于存在短板,暗光下的效果是很差的,所以多角成像技术在一定程度上进行边缘化,目前应用还是集中在机器人、部分VR产品,以及一些特殊场合应用。

  3D摄像的三个技术的主要性能对比如表1所示,TOF技术响应速度快,而且精度是毫米级别,另外,算法难度也相对低一些;结构光最大的优势在于功耗低、尺寸小,例如苹果和华为在手机里嵌入了结构光技术来实现3D建模过程。而由于多角成像技术暗光表现比较差,精度也相对较差,因而在应用上也有很大的局限性。3D摄像技术预计在未来智能硬件中将会呈现新的应用趋势,而且尤以TOF表现亮眼。

表1 3D摄像技术优劣势对比

  主要有三种技术:LBS技术、DLP技术和LCOS技术,相关技术指标及各自特点如表2所示。

表2 三种对比

  由表中数据可以看出,相较而言,LCOS技术出现的较早,但是在性能方面已经远远落后于LBS技术,预计会在未来慢慢淘汰;DLP作为独立微投影技术,是现在的主流应用;而LBS技术出现地也比较早,但是由于它对上游端的技术和零部件技术太高,过去几年一直未能发展起来。而随着相关技术发展,包括AA制造技术的能力提升已经具备了可以满足当下智能消费电子领域的设计需要,尤其适用于作为嵌入式的微投影,应用在手机、AR、智能穿戴等产品中,这部分智能硬件小型化要求越来越高,同时用户需要有交互式的功能出现,从这个角度来说LBS技术比DLP有更广阔的发展空间。

3D感知及微投影相关展品

  作为中国规模最大的MEMS传感器供应商,股份有限公司(以下简称“”)业是此次2017 Sensor China上海展上最为亮眼的展商之一,此次展会,歌尔主要展示了其模组类产品,包括MEMS麦克风、3D传感及微投影交互模组及MEMS传感器整套声光电智慧传感解决方案,同时,这三各方向也代表了歌尔在传感器领域的布局。

  其中,微投影作为歌尔此次展示的重点技术之一,其方案主要基于LBS技术,它相对于传统的DLP那些而言的话,主要优势在于它不需要调焦(在十米左右的空间里任何投影都是自动的),分辨率高,尺寸小,功耗低。该方案已应用到青橙VOGA手机上的微投影模组,以及LBS微投影+图像交互模组产品。这些产品采用LBS技术的投影方案,具有无需对焦、色彩饱和度佳、功耗低、尺寸小等优势,而整合图像交互功能的微投影模组配合应用算法,可以将任意的投影面变为带有触控功能的图像,拓展了人机交互的形式,可广泛应用于移动投影、手机、虚拟增强/现实等消费电子产品中。

图3 歌尔应用在手机中的微投影模组效果实拍

  而在MEMS传感器方面,歌尔本次则带来了气压传感器、组合式传感器以及心率传感器产品。其气压传感器产品采用了电容式MEMS技术方案,是目前业内封装尺寸最小(2×2×0.76mm),测量精度最高(可达0.6Pa, 可探测5cm的高度变化)的产品解决方案,目前已广泛应用于众多消费类电子领域,在航模、无人机等高精度要求应用市场已占据领先地位。而在组合传感器方面,歌尔则开创性地将麦克风、气压计和温度传感器集成于一体,通过优化信号处理电路和后期校准算法,消除了多种传感器件间的相互串扰,满足了产品多功能应用的需求,节省空间且降低成本。除此之外,歌尔开发的心率传感器通过将感光单元与ASIC电路集成封装,内、外置LED灵活配置,并与自主研发的高精度算法配合,可实现手机,手表,手环等不同应用场景要求的心率监测。

歌尔成功奥秘——基于研发,长于制造

歌尔股份有限公司传感器与微系统事业部产品线总经理方华斌博士

  在MEMS传感器领域,歌尔是中国唯一一家进入全球20强的企业,当谈及歌尔成功的奥秘时,歌尔股份有限公司传感器与微系统事业部产品线总经理方华斌博士用八个字概括了歌尔成功的奥秘——“基于研发,长于制造”。方华斌博士称,“歌尔的成功还是来源于市场上的一些成功。所以我们产品会紧跟市场潮流,因为市场潮流也是未来技术的发展潮流。歌尔一直宣称我们是基于研发,长于制造,就是我们技术上要有很好的布局,然后我们的制造能力也非常强,在消费类电子的话,所有的产品的量都是非常大的。那我们必须要有非常好的制造能力才能够在客户,在消费类电子这么快节奏的变化里面我们才能跟上这个发展。”



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