微芯首款基于電場的3D手勢識(shí)別芯片開辟新領(lǐng)域

電子科技行業(yè)就是讓一個(gè)小小的手勢改變世界。指揮棒輕輕的揮動(dòng)輔以柔和的手勢就能讓一場音樂會(huì)在關(guān)鍵時(shí)刻由平凡變得超脫自然。只可惜計(jì)算機(jī)在理解人類手勢語言方面有很大障礙，無論是軟件還是硬件。即便只是尋找一種向計(jì)算機(jī)描述手勢的方法，轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理都是非常困難的問題?，F(xiàn)在，微芯科技開發(fā)出了世界上首款3D手勢識(shí)別芯片，在其電場的作用下，無需接觸就能感應(yīng)手勢。

為什么將人類手勢轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的格式非常困難呢？因?yàn)槭謩莸暮x絕不是一個(gè)簡單的方向或者動(dòng)作軌跡的問題。在對(duì)一個(gè)手勢進(jìn)行解釋時(shí)，需要追蹤每根手指每一部分的運(yùn)動(dòng)軌跡，加上關(guān)節(jié)和手腕的細(xì)微動(dòng)作變化，這些數(shù)據(jù)的搜集都是相當(dāng)必要的。30年來，藝術(shù)家們也始終不愿意見到由指揮家去對(duì)著計(jì)算機(jī)做音樂上的指揮。但手勢控制仍有很大的開發(fā)價(jià)值，潛在市場對(duì)這種系統(tǒng)的需求還是存在的。

微芯科技最近展示了他們的GestIC技術(shù)，并且即將應(yīng)用到MGC3130芯片產(chǎn)品中，這是其他技術(shù)研究的一個(gè)副產(chǎn)品。作為3D數(shù)字轉(zhuǎn)換器，MGC3130芯片可在15cm的距離內(nèi)以150dpi的精度確定位置。采樣率為每秒200次，這種GestIC技術(shù)可偵測手、手指的位置、速度與加速度屬性。

MGC3130芯片是人機(jī)界面解決方案的新選擇，可在電場中偵測手勢的變化。手勢被電場感應(yīng)到之后，原本需要以每毫秒精確測量數(shù)百個(gè)位置的手勢變化，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為簡明的手勢描述，這一思路就可以徹底摒棄了。事實(shí)上，有機(jī)器簡單的方法可以采用?；陔妶龅氖謩莞袘?yīng)器輸出就是一種手勢的完美解讀，能夠極度簡化計(jì)算機(jī)對(duì)手勢的理解。

GestIC技術(shù)通過周圍電場的變化來偵測手勢動(dòng)作。芯片生成勵(lì)磁電壓，頻率在100kHz左右，勵(lì)磁電壓作用于發(fā)射電極與接地層。最終建立起一個(gè)電場，電場從發(fā)射電極擴(kuò)展到電極之上的掃描區(qū)域。由于勵(lì)磁電壓的波長遠(yuǎn)比電極的尺寸來的大，貫穿掃描區(qū)域的電場就非常均衡了。

當(dāng)一名用戶將手伸進(jìn)掃描區(qū)域，電場就會(huì)隨之發(fā)生變化。電場線必須接近于和導(dǎo)體表面呈垂直狀態(tài)。上面的圖片中就有所展示。手旁邊的電場線由于人體自身的導(dǎo)電特性產(chǎn)生分路。手伸及感應(yīng)區(qū)域的位置對(duì)等勢線產(chǎn)生壓迫，并且降低電極信號(hào)電平。

MGC3130并非對(duì)手的表面繪制一張檢測后的點(diǎn)匯集圖，而僅需測量一部分模擬電壓。模擬數(shù)據(jù)提供高度壓縮的手勢信號(hào)。這不能用來模擬手的位置，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)上沒有足夠的量。不過，這一數(shù)據(jù)可能夠精確識(shí)別手勢。

同一手勢會(huì)產(chǎn)生相同的信號(hào)，與此手勢相近的手勢也會(huì)產(chǎn)生差不多的信號(hào)，畢竟用戶的手勢有大有小的，相同的手勢不同的人做起來就會(huì)有差異。系統(tǒng)內(nèi)置記憶了部分標(biāo)準(zhǔn)手勢動(dòng)作的信號(hào)模型，由于整個(gè)系統(tǒng)采用了數(shù)十位數(shù)據(jù)，替代幾千位數(shù)據(jù)，整個(gè)識(shí)別特別類型手勢模型的工作就變得簡單多了，可類比為處理數(shù)據(jù)出現(xiàn)在視覺皮質(zhì)之前，影像的預(yù)處理就已經(jīng)在視網(wǎng)膜進(jìn)行了。

想象一下用戶將手放到感應(yīng)區(qū)域，將拇指和食指卷曲合在一起，隨后做出“A-OK”的手勢。GestIC感應(yīng)器產(chǎn)生具有此種手勢特性的五個(gè)電壓。它無需關(guān)心拇指和食指是否觸碰在一起，其他三個(gè)手指是完全張開狀態(tài)的。計(jì)算機(jī)也也無法通過電壓分析出手的位置。所有的位置信息都不包含在數(shù)據(jù)中。

相反，傳感器的MPU會(huì)說：“電壓的變化非?？?，隨后變化為一個(gè)新的模型值。這應(yīng)該是一個(gè)全新的手勢。讓我們將這個(gè)電壓在以后的內(nèi)存中已經(jīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)手勢模型作一個(gè)比較。——嗯！看起來和我們已知的“A-OK”手勢非常相似，至少比其他都像。雖然我不知道這個(gè)手勢是什么意思，不過接下來的工作就交給程序進(jìn)行了?！?/p>

Colibri操作軟件即對(duì)芯片提供了最好的支持。輸入模型的對(duì)比和識(shí)別的實(shí)現(xiàn)是由隨機(jī)隱馬爾科夫模擬算法執(zhí)行的，這一算法已用比較容易集成到產(chǎn)品中可靠的標(biāo)準(zhǔn)3D手勢，包括手和手勢，進(jìn)行了預(yù)編。包括像是位置追蹤、搖動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、符號(hào)手勢等等。系統(tǒng)亦可由某個(gè)手勢從待機(jī)狀態(tài)下激活。Colibri軟件套裝可讓開發(fā)者迅速、方便快速地將GestIC技術(shù)融合到產(chǎn)品中去，基本人機(jī)交互界面的編程設(shè)計(jì)做得非常到位。

目前MGC3130芯片規(guī)格將為5x5mm QFN封裝。電場頻率在70~130kHz之間，3130芯片的固件還可讓頻率實(shí)現(xiàn)跳動(dòng)，充分排除射頻干擾。功率要求非常低，偵測和處理手勢的過程中僅為100毫瓦，平常待機(jī)模式下為150微瓦，深度睡眠模式時(shí)30微瓦。MPU處理器、Clibri軟件套裝都集成在一顆芯片上。

GestIC系統(tǒng)全面運(yùn)作需一組電極和11個(gè)相關(guān)電子元件，整個(gè)電路系統(tǒng)名為微芯Sabrewing（刀翅蜂鳥） MGC3130 Single Zone評(píng)估套件。整個(gè)套件售價(jià)為169美元（約合人民幣1054元）。

編后語：目前基本上是一個(gè)觸控或者實(shí)際控制的年代，但近年來升起的手勢控制已開始慢慢滲入熱門的生活，之前微軟Xbox的體感套裝Kinect使大家能夠近距離感受到這種真實(shí)游戲的感覺，而在今年的早些時(shí)候歐姆龍也發(fā)布了他們的手勢識(shí)別技術(shù)。以上兩種都是通過一臺(tái)攝像機(jī)來獲取人們的手勢，從而進(jìn)行分析，這已然在近來的電視中應(yīng)用，大家可以設(shè)想一下通過手勢控制電視的那種超前感受。在未來，手勢識(shí)別會(huì)是很重要的發(fā)展方向，畢竟科技的進(jìn)步是為了更方便人類的應(yīng)用而服務(wù)的。