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電子工程專輯20110309
作者：羅克鈴
基於微機電(MEMS)技術的3D手勢辨識技術正大幅擴展其在智慧手機和電視遙控器領域的應用，而不再僅限於最初的兒童遊戲了。
今年可說是3D手勢辨識技術突破傳統在一般遊戲應用框架的一年。從最初作為任天堂(Nintendo) Wii的無線遊戲介面首次出現在消費市場後，歷經數年的發展，基於MEMS感測器的手勢辨識技術已將觸角延伸到了智慧手機，並準備搶佔最具有象徵性的消費者介面：電視遙控器。
自從Wii於2006年問世後，任天堂公司的競爭對手們都紛紛開發出各自的3D手勢辨識和處理技術。Sony公司專為追逐高精確度控制的遊戲玩家們開發出Move Playstation所用的動態控制器；微軟(Microsoft)則以Xbox Kinect實現遊戲介面的免持功能。
蘋果(Apple)率先利用MEMS感測器的潛能，成功地打造出更直觀的智慧手機介面，並於2007年在iPhone中增加了MEMS加速度計，2010年又增加了MEMS陀螺儀。蘋果公司的競爭對手們緊隨其後，很快地，各種3D指令(如以搖動表示取消、提起表示接聽，以及反轉手機表示斷線)將成為標準的智慧手機功能。
而今，消費OEM們正為其產品線中增加3D手勢辨識功能。有些公司使用GestureTek公司的相機技術授權，其它公司則取得Hillcrest Laboratories公司或Movea公司的MEMS技術授權。Movea公司擁有250多項相關專利，涵蓋像使用陀螺儀控制游標之類的技術；Hillcrest公司擁有100多項專利，包括使用加速度計和陀螺儀以追蹤動作的專利。這兩家公司都為3D手勢設計者提供了加值的軟體開發工具──分別是Movea公司的Gesture Builder和Hillcrest公司的Freespace MotionStudio。
谷歌(Google)方面則是在代號為‘薑餅’(Gingerbread)的Android作業系統中增加了基於MEMS的手勢辨識應用程式介面，以便能夠辨識諸如傾斜、旋轉、插入和切削等動作。
“動作處理終將受到主流消費者的廣泛接受，”InvenSense公司創始人Steve Nasiri表示，“我們預測用於動作處理和手勢辨識的硬體將像會變得像照相機模組一樣，廣泛地應用在智慧手機中。”InvenSense公司是首家在單一晶片上整合加速度計和陀螺儀的MEMS晶片製造商。
InvenSense在其陀螺儀以及加速度計/陀螺儀整合晶片中嵌入一個動作處理器，以執行辨識用戶手勢時必要的複雜感測器融合演算法，同時減輕應用處理器的任務負載。InvenSense公司計劃明年將在單一晶片上整合加速度計、陀螺儀和磁力計(電子羅盤)。
在國際消費電子展(CES)上，InvenSense公司的動作處理資料庫首次出現於電視遙控器和智慧手機中──使電視遙控器可控制3D手勢辨識，並以智慧手機實現基本電話功能(如只需將手機拿起來靠近耳朵就能接聽電話)。這兩種產品都是LG Electronics公司的產品──Magic Motion遙控器用於LG Infinia系列3D電視機；而LG公司新款僅9.2mm寬的Optimus Black智慧手機據稱是全球最薄的智慧手機，可辨識多種獨特的手勢指令。
其它MEMS晶片製造商同樣將手勢辨識演算法整合於其加速度計與陀螺儀產品中。例如，Kionix公司提供數十種內建手勢辨識演算法的產品系列，該公司的Gesture Designer軟體開發套件也能協助OEM設計出客製化的手勢控制效果。
“電視遙控器公司們正在努力將手勢辨識技術整合於其產品中，這需要利用非常先進複雜的動作控制技術。”Kionix公司CEO Greg Galvin指出，“其精華是將視聽輸入功能融合於電視機中，讓用戶可透過一個遙控器切換頻道、下載音樂、欣賞照片集或圖庫、進行文字處理或瀏覽網際網路。”
在IPTV上執行應用程式和瀏覽網路內容時，遙控器必須具備像滑鼠一樣的精確度，才能實現點選和基於手勢的控制功能。“這些應用確實需要利用MEMS技術。”Galvin表示。
智慧電視元年
Hillcrest公司創始人兼CEO Dan Simpkins認為，2011年是‘智慧電視元年’，並補充道，“50多年來，電視市場終於首次迎來了一種全新的輸入技術。”Hillcrest公司開發出一種空中滑鼠──Loop指向器，專門針對那些想要將電腦與電視機連接起來的消費者而設計；同時，該公司並為IPTV開發出一款Kylo瀏覽器。
LG公司在CES上展示的Magic Motion遙控器使用的是Hillcrest公司的Freespace手勢辨識技術，可讓助用戶透過複雜的點選螢幕介面瀏覽網路和傳統電視內容。
其它競爭技術還包括飛利浦(Philips)公司的uWand。飛利浦的掌上型控制器選用整合式紅外線攝影機檢測電視機發出的紅外光，無需採用陀螺儀就能實現精確的動作追蹤。但大多數其它IPTV遙控器使用的是MEMS陀螺儀。
例如，Movea公司在CES上宣佈，台灣筆記型電腦鍵盤供應商精元電腦(Sunrex)公司今年稍晚即將推出的控制器產品中，將會使用Movea公司基於MEMS的MotionIC平台以及SmartMotion技術，以實現3D手勢辨識。
“下一代動作遙控器將能辨識所有種類的新手勢。”Movea公司全球行銷經理Dave Rothenberg表示，“例如，父母透過在空中揮動簽名手勢，即可解鎖電視中的成人內容，而當小孩走進房內時再以相同的動作來啟動監護控制功能。”
同時，微軟公司的Kinect控制器也為傳統智慧帶來了挑戰。這款內建MEMS加速度計的Kinect控制器可置於設備頭端，使用戶的手得以完全擺脫手勢感測硬體。微軟根據由GestureTek公司所授權而來光學辨識技術，為Kinect開發了專有的3D辨識演算法。
Kinect控制器為特定遊戲(如虛擬排球)界定嚴格的動作範圍，並進行分類。該技術以雷射將一組規則的紅外線點陣投射到玩家身上，而對所投射的影像進行分段，然後測量每個點的反射強度。強度較低的反射點被設定為來自於背景反射，而較強的反射點則被設定為從前景中的用戶身上反射而來。然後，Kinect再為用戶的動作進行最佳推測分析，以驅動遊戲中的化身進行反應與動作。Kionix公司的MEMS加速度計則有助於使攝影鏡頭能更精確地對準用戶。
根據業界分析師們表示，這種技術犧牲了一定的精確度，以利於用戶的行動性。“我認為微軟公司基於攝影機的辨識系統所具備的精確度仍不足以滿足眾多遊戲玩家的要求，這可能導致他們仍然寧可繼續使用手持控制器，從而讓Sony的Move成為遊戲玩家的更佳選擇。”iSuppli公司資深分析師Jeremie Bouchaud指出。
“微軟解決方案適合其所針對的用戶：例如想要快速進入和離開遊戲、以及希望擁有方便且即時體驗的家庭。”IHS Screen Digest公司遊戲負責人Piers Harding-Rolls表示。“另一方面，Sony的Move是一種混合解決方案，不但以感測器追蹤動作，也使用攝影機追蹤位置。在目前這個階段中，Sony的論點是為遊戲玩家提供更精確的感測器技術。”
像Kinect控制器這類以攝影機為基礎的技術，“並不是手勢辨識的終結者。它有一定的存在空間，但加速度計/陀螺儀組合也有自己的市場空間。”Gartner公司分析師Jim Tully認為。
“例如，Kinect攝影機鏡頭無法在多用戶場合中檢測一連串複雜的動作，特別是當某一位用戶被另一位用戶擋住，以及當用戶背對著攝影機鏡頭時的效果都不好……這些時候就需要多部攝影機，然而，這在大多數情況下又不見得可行。”
透過觀察不斷變化中的攝影影像，GestureTeck公司的技術已經追蹤了數百萬部手機的3D動作。該公司並因此宣稱，這一光學手勢辨識技術最終將戰勝基於MEMS的設備。
“至今，光學手勢辨識技術的解析度和精確度仍無法達到像使用MEMS慣性感測器時的效果，但對於大多數遊戲來說已經足夠了。”GestureTek公司共同創辦人兼總裁Vincent John Vincent指出，“同時，隨著攝影機鏡頭解析度的不斷提升，我們深信光學手勢辨識將具有更精確的解析度，讓設備得以追蹤身體每部分的動作，最終還將超越MEMS技術。”
手勢辨識領域中的‘凱迪拉克’
就像遊戲玩家十分看重精確度一樣，遊戲本身的重要性也不如遊戲的開發或特效電影動畫一般。對於動畫達人來說，手勢辨識領域中的‘凱迪拉克’就是Xsens Technologies公司以MEMS元件鑲嵌打造的緊身衣褲。這種套裝上的加速度計和陀螺儀可實現即時的動畫序列預覽。
Xsens公司利用美商亞德諾(ADI)公司的高精度三軸加速度計、陀螺儀和磁力計，開發出精細的動態追蹤。例如，有些專業設計者利用Xsens技術為電影‘鋼鐵人2’(Iron Man 2)和PS3遊戲‘殺戮地帶2’(KillZone 2)開發動畫效果。這種技術提供的動作擷取解決方案可應用於任何場合，而無需複雜的基礎設施。Xsens公司預測，這種技術最終將能使消費應用降低成本，實現類似Kinect的體驗，但提供較其更高的精確度，玩家人數多少也不受限制。
“微軟Kinect是一種優質的解決方案，因為它不需要在人體上安裝任何感測器，不過，這也使其速度較慢，有時在追蹤人類動作姿勢方面顯得比較遲緩。”Xsens公司CEO Casper Peeters表示，“我們的技術應用場合方面則靈活得多，它在追蹤穿戴者的細緻動作中可以達到更高的精確度。但基於動作的遊戲控制器和電話介面才剛開始出現。Xsens公司期望朝另一方面發展，針對細緻的人物動畫實現高階動態擷取，並為未來催生更多有趣的應用。”
微軟也將目光瞄準了未來，計劃充分利用該公司分別於2009年和2010年收購3-DV和Canesta公司時所取得的3D追蹤技術。這些公司在時差測距(TOF)手勢辨識專利方面實際上已壟斷了市場，特別是對行動設備而言。
時差測距感測器所測量的是紅外線從物體反射回來到達某個特定CMOS感測器的時間，從而實現可在任何光照條件下任意距離的高精確度3D深度映射。時差測距深度映射技術還能與微軟獲GestureTek授權開發的3D攝影機手勢辨識演算法完美地結合起來。
德國TriDiCam和其他幾家公司聲稱也擁有時差測距感測器技術。但至今只有Canesta公司證實了這個概念，可以使用一個CMOS影像感測器作出在行動設備上方僅數英吋處揮手的精確3D影像映射，即使在室外明亮的陽光下使用也沒問題。
同時，像Silicon Labs等公司則利用低成本的紅外線和環境光感測器，以辨識特殊應用手勢，例如以手指在空中劃一條線來啟動顯示器或調整音量。
Surface的變化
微軟在CES上展示了下一代Surface多點觸控平台。這種平台不再使用第一代產品中的5架攝影機建置，實現了一種可垂直安裝的更輕薄設備。
這種Surface平台讓用戶能直接操作顯示在螢幕上的物體，並內建演算法來解讀各種手勢，如選擇、拖拉、放下、單指縮放(pinch-to-zoom)和其它類似觸控螢幕的指令(OEM還可開發自建演算法)。該新版本“厚度僅4英吋，能以水平、垂直或任何角度進行安裝。”微軟公司Surface開發團隊總經理Brad Carpenter指出。
Surface平台的關鍵在於微軟與三星LCD部門共同開發的PixelSense技術。該技術針對交錯式棋盤圖案的可見光或紅外光，為其中的每個LCD畫素都加入一個光感測器。在背光中的可見光和紅外光發射器讓每個對應畫素能偵測到從使用者雙手或其它物體反射的光線，再以60f/s的速度採樣感測器，即可同時追蹤多位用戶的動作，使用者數量僅受限於螢幕可用的表面積空間大小。內建的FPGA支援定位追蹤，並能讀取在螢幕表面上放置物體上的特殊應用標籤，再透過紅外線傳輸方式將資料傳送到配備攝影機的Windows 7智慧手機上。
在應用程式方面，Surface平台包括支援Windows 7的超微(AMD) Athlon X2 245e 2.9GHz雙核心處理器，以及一個與其搭配的AMD Radeon HD 6750繪圖處理器。
三星公司還將採用此技術推出型號為SUR40的顯示器，“這種40英吋的螢幕將由三星的LCD部門以7,600美元的價格銷售至全球市場。”微軟公司的Carpenter透露
圖說：蘋果用戶們非常熟悉2D手勢控制，包括像單指縮放等指令都已經被電腦和智慧手機領域的競爭對手們複製

圖說：穿戴著Xsens公司MVN Motion Capture彈性纖維緊身衣的演員(中)──這件萊卡材質的緊身衣鑲嵌著ADI公司的MEMS慣性感測器。他模擬美國驚奇漫畫(Marvel Comics)公司‘鋼鐵人’漫畫插圖中的人物姿態(左)，以作為派拉蒙電影(Paramount Picture)公司創作“鋼鐵人2”(右)電影動畫的基礎。
資料來源：Marvel、Xsens、Paramount

圖說：飛利浦公司的uWand技術針對與配備MEMS控制器相同的應用，但不使用MEMS元件。相反地，它整合了一個紅外線攝影機以偵測來自電視的紅外光，因此不用陀螺儀就能實現動作追蹤。
資料來源：飛利浦
（紅外線光束，紅外線感測器，游標+按鍵 透過RF到接收器）

圖說：在OEM演算法的支援下，微軟Surface平台可讀取‘揮手’動作。重新設計過的螢幕面板還可掛在牆上。

圖說：微軟的Xbox Kinect以PrimeSense參考設計為基礎，使用兩個CMOS成像器(一個用於紅外光，一個用於可見光)偵測3D深度，使系統能夠輕鬆區別房間內的遊戲玩家和背景物體。