重新定義人機(jī)界面 – 不僅限于觸控

人機(jī)界面（HMI）是您可以想到的幾乎任何電子系統(tǒng)的核心功能，它能夠使操作人員與特定設(shè)備進(jìn)行交互，并通過(guò)它來(lái)執(zhí)行不同的功能或訪問某些信息。在本文中，我們將回顧一下觸屏技術(shù)無(wú)可置疑的成功，以及這種技術(shù)如何在推動(dòng)更加雄心勃勃的新HMI技術(shù)的發(fā)展，這些新的機(jī)制可能會(huì)為用戶體驗(yàn)增加更多方面。

從工作原理上看，基本的HMI概念并不新奇，可以說(shuō)其基本形式早在19世紀(jì)的工業(yè)革命中就已被使用。提花織機(jī)（Jacquard loom）和巴貝奇（Babbage）的差異引擎是那個(gè)早期時(shí)代的例子，其中控制功能是通過(guò)人工輸入一些描述而應(yīng)用于機(jī)械。隨著我們進(jìn)入計(jì)算機(jī)時(shí)代，機(jī)械鍵盤已經(jīng)成為啟動(dòng)命令或程序，并付諸行動(dòng)的途徑。如今已經(jīng)出現(xiàn)了基于觸控的顯示技術(shù)（最值得注意的是投射電容式觸控技術(shù)），這使得更先進(jìn)和更直觀的HMI成為可能。在千禧年開始時(shí)，MP3播放器中的觸控屏曾經(jīng)是讓這些小電子產(chǎn)品廣受歡迎的關(guān)鍵因素。之后，當(dāng)?shù)谝慌悄苁謾C(jī)和平板電腦開始出現(xiàn)時(shí)，觸控技術(shù)被設(shè)計(jì)到這些產(chǎn)品中。不久，它們將成為我們與消費(fèi)電子產(chǎn)品互動(dòng)的強(qiáng)制性技術(shù)。工業(yè)控制領(lǐng)域很快也將隨之而來(lái)，笨重的開關(guān)和儀表盤會(huì)被更時(shí)尚、更可靠的觸控技術(shù)所取代?，F(xiàn)在也有一些呼聲，要求進(jìn)一步加強(qiáng)采用HMI。

盡管用觸控實(shí)現(xiàn)的HMI具有許多吸引人的特性，但在某些情況下，仍然有一些理由不建議使用它們。例如，身體接觸HMI可能會(huì)有一些衛(wèi)生問題，這是由于在臨床環(huán)境甚至是公共場(chǎng)所可能會(huì)傳播細(xì)菌。在一天的時(shí)間中，許多人可能都在使用信息終端，但卻沒有任何機(jī)會(huì)去清潔觸控表面。此外，在用戶的注意力必須保持集中在某些重要事項(xiàng)（例如駕駛車輛或操作重型機(jī)械）的情況下，利用觸控HMI實(shí)現(xiàn)一些輔助功能也會(huì)分散操作員的注意力。因此，人們也越來(lái)越關(guān)注開發(fā)非接觸式HMI替代產(chǎn)品。

語(yǔ)音控制在家庭中變得越來(lái)越普遍（受益于數(shù)字助理的激增），這種技術(shù)提供了一種簡(jiǎn)單指令方法，但也并不總是適用。例如在戶外公共場(chǎng)合可能存在大量的背景噪音，工業(yè)和汽車環(huán)境下尤其如此。噪音會(huì)造成命令不正確，需要隨后進(jìn)行糾正，因而可能需要花費(fèi)很多時(shí)間來(lái)完成某個(gè)動(dòng)作，并造成很多煩惱，而且可能還需要考慮隱私問題。因此，雖然語(yǔ)音控制在某些情況下有效，但仍需要研究其他方法。

ToF技術(shù)的采用

最近正在獲得大量關(guān)注的一項(xiàng)技術(shù)是飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)。這種技術(shù)由于只使用手部動(dòng)作，因而能夠提供一種控制電子系統(tǒng)的簡(jiǎn)單方法，而不需要操作人員轉(zhuǎn)移他們的注意力。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在發(fā)射紅外（IR）脈沖后，它們?cè)谡丈涞轿矬w時(shí)，會(huì)反射回來(lái)，進(jìn)而可以通過(guò)某種形式的傳感器陣列來(lái)接收。通過(guò)測(cè)量脈沖發(fā)出和再次接收之間的時(shí)間延遲，可以精確地計(jì)算發(fā)射源到物體的距離。此外，還可以檢測(cè)對(duì)象的移動(dòng)，并且由此可以確定各種不同的手勢(shì)。

圖1：RF Digital的RFD77402。

RF Digital的RFD77402能夠處理快速準(zhǔn)確的手勢(shì)識(shí)別，刷新率為10Hz，精度為±10％。該3D ToF傳感器模塊采用緊湊的4.8mm×2.8mm×1.0mm表面貼裝封裝，集成有一個(gè)29°照射場(chǎng)（FoI）850nm VCSEL發(fā)射器，以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路、微控制器單元（MCU）和板載存儲(chǔ)器，并包含一個(gè)55°視場(chǎng)（FoV）光傳感器和必備的光學(xué)器件。捕獲到的手勢(shì)數(shù)據(jù)可通過(guò)其I2C I/O傳輸?shù)较噜徬到y(tǒng)。Seeed Studio的DepthEye 3D ToF相機(jī)模塊采用德州儀器（Texas Instruments）的1/6英寸格式，80×60像素分辨率OPT8320傳感器，幀速為1000fps。這款流線型相機(jī)模塊大小為60mm×17mm×12mm，可通過(guò)USB接口連接到筆記本電腦/平板電腦來(lái)提供手勢(shì)識(shí)別功能。它的操作系統(tǒng)支持Windows 7及以上版本。

圖2：Seeed Studio DepthEye ToF相機(jī)。

意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）的VL6180基于自身的專利FlightSense?技術(shù)，專門為了在智能手機(jī)、平板電腦和家用電器中實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別而設(shè)計(jì)。這款三合一型光學(xué)模塊（尺寸體積為4.8mm×2.8mm×1.0mm）具有850nm VCSEL發(fā)射器和接近傳感器，以及16位輸出環(huán)境光傳感器（用以減輕背景照明的干擾）。Melexis的320×240像素分辨率MLX75x23圖像傳感器和MLX75123配套IC主要用于在汽車設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)HMI功能（同樣也適用于工業(yè)自動(dòng)化），能夠?yàn)楣こ處熖峁┩暾姆螦EC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的ToF HMI系統(tǒng)解決方案，可確保駕駛員不需要把目光從道路上移開即可完成控制，這意味著駕駛員可以進(jìn)行電話呼叫或訪問信息娛樂系統(tǒng)，而不會(huì)使車輛乘客或其他道路上的行人有任何危險(xiǎn)?？紤]到汽車等應(yīng)用的嚴(yán)苛環(huán)境，這些組件支持-40℃～105℃的工作溫度范圍。此外，光學(xué)模塊具有高度的光學(xué)彈性，可以應(yīng)對(duì)環(huán)境光條件的極端變化（該系統(tǒng)能夠處理高達(dá)120lux的入射背景光）。通過(guò)配套IC，可以選擇感興趣的區(qū)域或設(shè)置響應(yīng)激活觸發(fā)器。

HMI中mmWave的發(fā)展?jié)摿?/p>

德州儀器的IWR1642 mmWave運(yùn)動(dòng)傳感器也適用于非接觸式手勢(shì)識(shí)別，但它不依賴于光電子技術(shù)，能夠捕獲對(duì)象的距離、速度和角度等相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)這種方式，可以記錄手劃動(dòng)（垂直或水平方向）和手指旋轉(zhuǎn)。該傳感器工作在76GHz至81GHz頻率范圍，具有40MHz發(fā)射器和低噪聲（-14dB）接收器。ARM Cortex-R4F處理器內(nèi)核負(fù)責(zé)前端配置和系統(tǒng)校準(zhǔn)，而高性能C674x DSP則用于所有信號(hào)處理。該單芯片解決方案還集成有鎖相環(huán)（PLL）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），此外還有1.75MB的可用內(nèi)存資源。使用mmWave技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于它通過(guò)材料（materials）工作，因此沒有“視線范圍”限制，這意味著傳感器不必暴露在外部環(huán)境中（避免可能的損壞），而是可以位于保護(hù)外殼之內(nèi)。通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)的感測(cè)只需很低功耗，這也是其一大優(yōu)勢(shì)。

基于電場(chǎng)的HMI

Microchip的 MGC3140控制器IC建立在公司專有的GestIC技術(shù)基礎(chǔ)之上，采用準(zhǔn)靜態(tài)電近場(chǎng)接近感測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。這種技術(shù)目前仍處于起步階段，但顯示出巨大的應(yīng)用前景，該控制器可以檢測(cè)到距離實(shí)際HMI表面最遠(yuǎn)10cm處的手勢(shì)。電場(chǎng)由HMI表面發(fā)出，DC電壓可提供恒定的場(chǎng)強(qiáng)，而AC電壓則作為補(bǔ)充電壓提供正弦變化的電場(chǎng)。通過(guò)這種設(shè)置，現(xiàn)場(chǎng)存在的導(dǎo)電物體（如人體的某些部分）將導(dǎo)致失真。其所使用控制機(jī)制意味著這種形式的HMI不受任何環(huán)境光或聲音的影響，因此適用于游戲機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、汽車控制柱（automoTIve control pillars）和各種家用電器。MGC3140可支持150dpi的空間分辨率，并能夠以高達(dá)200Hz的速率記錄位置。

圖3：用于電場(chǎng)感測(cè)的Microchip MGC3140控制器。

其他技術(shù)前景

目前有許多潛在的HMI技術(shù)正在進(jìn)行試驗(yàn)，而一些也在產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用。目前已經(jīng)有一些利用超聲投影的解決方案正在開發(fā)。EllipTIc Labs的INNER MAGIC能夠通過(guò)該公司專利的180°FoV無(wú)觸控傳感器技術(shù)檢測(cè)手勢(shì)（控制智能音箱等）。位于Bristol的初創(chuàng)公司UltrahapTIcs提供的空中觸覺（midair hapTIcs）使用256單元超聲換能器網(wǎng)格（以及運(yùn)動(dòng)跟蹤圖像傳感器）來(lái)構(gòu)建虛擬HMI，盡管它們沒有物理存在，但仍然具有觸覺反饋功能。這樣的結(jié)果是可以模擬傳統(tǒng)的手動(dòng)控制（如按鈕、滑塊等），而無(wú)需任何清潔或維護(hù)工作。外科醫(yī)生和工業(yè)操作人員首先可以從中受益，這種技術(shù)也能夠應(yīng)用于零售、家庭自動(dòng)化、數(shù)字標(biāo)牌和汽車等行業(yè)。

毫無(wú)疑問，觸控仍然很重要，它在構(gòu)建下一代HMI中所具備的價(jià)值也不容忽視。就在最近，韓國(guó)領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)KAIST的工程師向全世界通報(bào)了應(yīng)用聲波定位傳感技術(shù)的進(jìn)展，他們通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)生成了虛擬鍵盤，這將能夠通過(guò)墻壁、桌子、鏡子和其他日常用品充當(dāng)用戶操縱的觸控表面，并且與先前的這種HMI技術(shù)相比具有更短的滯后。

很明顯，大量的可能技術(shù)目前已經(jīng)出現(xiàn)，使HMI能夠克服某些應(yīng)用的限制，并提供更好的用戶體驗(yàn)。通過(guò)紅外（IR）、超聲波，mmWave和電場(chǎng)等技術(shù)，所能夠?qū)崿F(xiàn)的HMI范圍注定要大大擴(kuò)展，這些與現(xiàn)有的基于觸控的技術(shù)相結(jié)合，將能夠帶來(lái)新的更加令人興奮的發(fā)展前景。

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