論3D感知與智能交互的技術(shù)發(fā)展，解歌爾成功的八字箴言
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人機交互作為互聯(lián)網(wǎng)，甚至物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要技術(shù)方向之一，從最早的按鍵到之后的觸控筆、觸摸屏，極大地帶動(dòng)了PC及手機向便攜和智能時(shí)代的跨越。而近年來(lái)的3D感知與微型投影技術(shù)將會(huì )進(jìn)一步解放雙手，預計將會(huì )實(shí)現按鍵、觸控之后的第三次人機交互跨越。
3D感知和智能交互應用市場(chǎng)現狀及發(fā)展
當下的3D感知和智能交互應用市場(chǎng)分為兩個(gè)端，即輸入端和輸出端。
輸入端通過(guò)3D景深可以實(shí)現智能交互，這對3D在智能硬件中的應用會(huì )有很大的推動(dòng)作用。近些年也有眾多典型智能交互案例，包括針對互聯(lián)網(wǎng)購物、裝修都已經(jīng)有很好的應用，未來(lái)的VR和AR也會(huì )結合影像、3D建模和3D展示將會(huì )有很大的發(fā)展空間。
圖1 3D感知與智能交互系統的應用市場(chǎng)
隨著(zhù)智能音箱引爆市場(chǎng)，大家對輸出端交付迫切需求也開(kāi)始出現，其中，嵌入式市場(chǎng)是輸出端主要增長(cháng)領(lǐng)域，其年復合增長(cháng)率在30%以上，而在智能音響之后，預計未來(lái)隨著(zhù)智能交互的需求度不斷提升，將會(huì )有更多對視頻展示的智能硬件出現。尤其隨著(zhù)小型化技術(shù)的發(fā)展，輸出端市場(chǎng)也會(huì )不斷拓展。另外，由于現在人眼視力普遍在下降，尤其是孩子的視力下降已經(jīng)不容忽視，因而，教育市場(chǎng)也是未來(lái)人機交互很重要的一個(gè)領(lǐng)域。
據相關(guān)報告顯示，3D傳感市場(chǎng)規模將從2016年的13.28億美元增長(cháng)到2022年的90.34億美元，年復合增長(cháng)率高達38%。而隨著(zhù)國際巨頭導入3D攝像技術(shù)，人臉識別和手勢識別應用將率先脫穎而出，市場(chǎng)空間有望迎來(lái)爆發(fā)式增長(cháng)。而智能音箱、智能機器人、智能手機/平板、智能穿戴、AR等一系列交互式微投應用場(chǎng)景興起，微投影市場(chǎng)(尤其是嵌入式微投)也將迎來(lái)快速增長(cháng)。在不久的將來(lái)，3D感知與微投影智能交互或將成為智能終端的“標配”。
圖2 3D傳感市場(chǎng)市場(chǎng)分布圖
3D攝像目前有三條主流技術(shù)路線(xiàn)，即TOF、結構光和多角成像(也稱(chēng)雙目立體視覺(jué)技術(shù))。
TOF是通過(guò)主動(dòng)發(fā)射調制后的連續光脈沖信號到目標面上，利用傳感器接收反射光，通過(guò)相位差進(jìn)行運算，并最終轉換得到距離，也就是我們需要的景深數據。
結構光是3D掃描的一個(gè)光學(xué)方法，它通過(guò)投射出一組用數學(xué)方法構造的光圖形，按照一定順序照亮被測量物體，然后通過(guò)一個(gè)到投影儀距離已知的攝像頭同步捕捉一組被照亮物體的圖像，得到投影數據。而由于不同廠(chǎng)家的算法不同，得到的模型也會(huì )有所差別，因而基于結構光的傳感器是與算法捆綁出售的。
多角成像(雙目立體視覺(jué)技術(shù))則是基于視差原理，利用成像設備從不同位置獲取被測物體兩幅圖像，通過(guò)計算對應點(diǎn)間的位置偏差來(lái)獲取三維幾何信息的方法得到景深數據。但是由于存在短板，暗光下的效果是很差的，所以多角成像技術(shù)在一定程度上進(jìn)行邊緣化，目前應用還是集中在機器人、部分VR產(chǎn)品，以及一些特殊場(chǎng)合應用。
3D攝像的三個(gè)技術(shù)的主要性能對比如表1所示，TOF技術(shù)響應速度快，而且精度是毫米級別，另外，算法難度也相對低一些;結構光最大的優(yōu)勢在于功耗低、尺寸小，例如蘋(píng)果和華為在手機里嵌入了結構光技術(shù)來(lái)實(shí)現3D建模過(guò)程。而由于多角成像技術(shù)暗光表現比較差，精度也相對較差，因而在應用上也有很大的局限性。3D攝像技術(shù)預計在未來(lái)智能硬件中將會(huì )呈現新的應用趨勢，而且尤以TOF表現亮眼。
表1 3D攝像技術(shù)優(yōu)劣勢對比
微投影技術(shù)主要有三種技術(shù)：LBS技術(shù)、DLP技術(shù)和LCOS技術(shù)，相關(guān)技術(shù)指標及各自特點(diǎn)如表2所示。
表2 三種微投影技術(shù)對比
由表中數據可以看出，相較而言，LCOS技術(shù)出現的較早，但是在性能方面已經(jīng)遠遠落后于LBS技術(shù)，預計會(huì )在未來(lái)慢慢淘汰;DLP作為獨立微投影技術(shù)，是現在的主流應用;而LBS技術(shù)出現地也比較早，但是由于它對上游端的技術(shù)和零部件技術(shù)太高，過(guò)去幾年一直未能發(fā)展起來(lái)。而隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)發(fā)展，包括AA制造技術(shù)的能力提升已經(jīng)具備了可以滿(mǎn)足當下智能消費電子領(lǐng)域的設計需要，尤其適用于作為嵌入式的微投影，應用在手機、AR、智能穿戴等產(chǎn)品中，這部分智能硬件小型化要求越來(lái)越高，同時(shí)用戶(hù)需要有交互式的功能出現，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)LBS技術(shù)比DLP有更廣闊的發(fā)展空間。
歌爾3D感知及微投影相關(guān)展品
作為中國規模最大的MEMS傳感器供應商，歌爾股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“歌爾”)業(yè)是此次2017 Sensor China上海展上最為亮眼的展商之一，此次展會(huì )，歌爾主要展示了其模組類(lèi)產(chǎn)品，包括MEMS麥克風(fēng)、3D傳感及微投影交互模組及MEMS傳感器整套聲光電智慧傳感解決方案，同時(shí)，這三各方向也代表了歌爾在傳感器領(lǐng)域的布局。
其中，微投影作為歌爾此次展示的重點(diǎn)技術(shù)之一，其方案主要基于LBS技術(shù)，它相對于傳統的DLP那些而言的話(huà)，主要優(yōu)勢在于它不需要調焦(在十米左右的空間里任何投影都是自動(dòng)的)，分辨率高，尺寸小，功耗低。該方案已應用到青橙VOGA手機上的微投影模組，以及LBS微投影+圖像交互模組產(chǎn)品。這些產(chǎn)品采用LBS技術(shù)的投影方案，具有無(wú)需對焦、色彩飽和度佳、功耗低、尺寸小等優(yōu)勢，而整合圖像交互功能的微投影模組配合應用算法，可以將任意的投影面變?yōu)閹в杏|控功能的圖像，拓展了人機交互的形式，可廣泛應用于移動(dòng)投影、手機、虛擬增強/現實(shí)等消費電子產(chǎn)品中。
圖3 歌爾應用在手機中的微投影模組效果實(shí)拍
而在MEMS傳感器方面，歌爾本次則帶來(lái)了氣壓傳感器、組合式傳感器以及心率傳感器產(chǎn)品。其氣壓傳感器產(chǎn)品采用了電容式MEMS技術(shù)方案，是目前業(yè)內封裝尺寸最小(2×2×0.76mm)，測量精度最高(可達0.6Pa, 可探測5cm的高度變化)的產(chǎn)品解決方案，目前已廣泛應用于眾多消費類(lèi)電子領(lǐng)域，在航模、無(wú)人機等高精度要求應用市場(chǎng)已占據領(lǐng)先地位。而在組合傳感器方面，歌爾則開(kāi)創(chuàng )性地將麥克風(fēng)、氣壓計和溫度傳感器集成于一體，通過(guò)優(yōu)化信號處理電路和后期校準算法，消除了多種傳感器件間的相互串擾，滿(mǎn)足了產(chǎn)品多功能應用的需求，節省空間且降低成本。除此之外，歌爾開(kāi)發(fā)的心率傳感器通過(guò)將感光單元與ASIC電路集成封裝，內、外置LED靈活配置，并與自主研發(fā)的高精度算法配合，可實(shí)現手機，手表，手環(huán)等不同應用場(chǎng)景要求的心率監測。
歌爾成功奧秘——基于研發(fā)，長(cháng)于制造
歌爾股份有限公司傳感器與微系統事業(yè)部產(chǎn)品線(xiàn)總經(jīng)理方華斌博士
在MEMS傳感器領(lǐng)域，歌爾是中國唯一一家進(jìn)入全球20強的企業(yè)，當談及歌爾成功的奧秘時(shí)，歌爾股份有限公司傳感器與微系統事業(yè)部產(chǎn)品線(xiàn)總經(jīng)理方華斌博士用八個(gè)字概括了歌爾成功的奧秘——“基于研發(fā)，長(cháng)于制造”。方華斌博士稱(chēng)，“歌爾的成功還是來(lái)源于市場(chǎng)上的一些成功。所以我們產(chǎn)品會(huì )緊跟市場(chǎng)潮流，因為市場(chǎng)潮流也是未來(lái)技術(shù)的發(fā)展潮流。歌爾一直宣稱(chēng)我們是基于研發(fā)，長(cháng)于制造，就是我們技術(shù)上要有很好的布局，然后我們的制造能力也非常強，在消費類(lèi)電子的話(huà)，所有的產(chǎn)品的量都是非常大的。那我們必須要有非常好的制造能力才能夠在客戶(hù)，在消費類(lèi)電子這么快節奏的變化里面我們才能跟上這個(gè)發(fā)展?！?/p>
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