谷歌Project Soli能為觸控行業(yè)帶來(lái)什么新動(dòng)向

谷歌的Project Soli是使用毫米波雷達(dá)做人機(jī)交互的項(xiàng)目，最早于2015年的谷歌IO大會(huì)發(fā)布。在經(jīng)過(guò)數(shù)年迭代后，在2019年初有了最新消息，即Project Soli系統(tǒng)所需要的13dBm發(fā)射功率通過(guò)了FCC認(rèn)證，為Project Soli的真正商用化鋪平了道路。那么，Project Soli能為觸控行業(yè)帶來(lái)什么新動(dòng)向呢?是否會(huì)顛覆原來(lái)的觸控技術(shù)?且看本文分解。

觸控，三維觸控和手勢(shì)識(shí)別

在正式分析Project Soli的技術(shù)之前，我們首先看幾個(gè)概念：觸控，三維觸控，以及手勢(shì)識(shí)別。

觸控這個(gè)概念想必大家已經(jīng)非常熟悉，簡(jiǎn)而言之就是用戶通過(guò)接觸屏幕與屏幕做互動(dòng)，每天生活中使用的觸摸屏就是觸控的典型例子。目前，觸控主要是用二維觸控，即觸摸屏可以識(shí)別用戶在屏幕平面上的按壓，拖動(dòng)等動(dòng)作。

目前的觸控技術(shù)還主要是在二維屏幕平面上的二維觸控技術(shù)

在二維觸控技術(shù)成熟之后，業(yè)界一直在尋找突破二維平面限制的方法。隨著AR/VR等下一代智能設(shè)備概念漸漸落地，伴隨著這些新設(shè)備的新交互方式也提上了議事日程。眾所周知，AR/VR等新一代設(shè)備需要沉浸感和體感體驗(yàn)，因此使用傳統(tǒng)的二維觸控難以滿足這類下一代智能設(shè)備的需求。另外，隨著智能家電概念的進(jìn)一步普及，越來(lái)越多的家電連上了網(wǎng)裝上了智能操作系統(tǒng)，傳統(tǒng)的幾個(gè)按鈕已經(jīng)不能滿足操作的需求，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，不少家電也在尋找非接觸式的操作(例如吸油煙機(jī)操作，大家一定都不太想用手去摸那個(gè)油膩的操作面板)。隨著這些需求的興起，突破二維平面的觸控方法就成為了人機(jī)交互的新熱點(diǎn)。

超越二維的觸控又可以細(xì)分為兩種方法。一種方式是三維觸控。在三維觸控中，用戶無(wú)需真正物理接觸觸摸屏就可以完成觸摸屏上的點(diǎn)擊、拖拽等操作，可以想象成隔空操作二維觸摸屏。此外，三維觸摸屏還將支持記錄用戶手指距離屏幕的距離信息，從而支持一些三維空間的新手勢(shì)操作。

與三維觸控相對(duì)的是三維手勢(shì)識(shí)別。三維觸控會(huì)精確記錄用戶手在空間的三維(x,y,z)坐標(biāo)，并根據(jù)該坐標(biāo)的時(shí)間變化來(lái)完成相應(yīng)交互。三維觸控關(guān)注用戶手的絕對(duì)坐標(biāo)，因此能完成軟鍵盤打字、按鍵等操作。而三維手勢(shì)識(shí)別關(guān)注的是用戶手的整體在三維空間中的相對(duì)移動(dòng)(而非絕對(duì)位置)，并根據(jù)該相對(duì)移動(dòng)來(lái)檢測(cè)手勢(shì)并完成交互。根據(jù)我們下面的分析，我們會(huì)看到Project Soli的技術(shù)主要針對(duì)三維手勢(shì)識(shí)別應(yīng)用，而三維觸控則需要使用其他技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Project Soli的技術(shù)：原理，優(yōu)勢(shì)和局限性

Project Soli使用的是毫米波雷達(dá)技術(shù)。與雷達(dá)的原理相似，Project Soli的雷達(dá)傳感器芯片首先發(fā)射出電磁波，而發(fā)射的電磁波經(jīng)過(guò)用戶手的反射回到傳感器端，就能根據(jù)回波來(lái)檢測(cè)用戶手的位置和動(dòng)態(tài)，并借此完成三維非接觸手勢(shì)檢測(cè)。

Project Soli的雷達(dá)使用的是57-64GHz的頻段，理論上可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)別的分辨精度。根據(jù)報(bào)道，該雷達(dá)系Google和英飛凌合作設(shè)計(jì)，雷達(dá)傳感器芯片可以集成到硬幣大小的芯片中，從而可以安裝在各類設(shè)備上。下圖是Project Soli使用的毫米波雷達(dá)傳感芯片。芯片大小約為8mm x 10mm，上面白色的小點(diǎn)是用來(lái)把芯片固定到主板上的焊錫球(bump)。芯片上還有天線陣列(綠色框內(nèi))用來(lái)實(shí)現(xiàn)波束成型，根據(jù)官方信息該芯片上集成了四個(gè)發(fā)射機(jī)和兩個(gè)接收機(jī)，使用波束成形來(lái)提升分辨率。

使用雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)首先是系統(tǒng)硬件比較簡(jiǎn)單，也不需要一個(gè)物理屏幕，只需要一個(gè)雷達(dá)傳感器模組就足夠了。另一方面，通過(guò)雷達(dá)回波的信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)分析，可以做到手勢(shì)識(shí)別之外的其他功能，例如物體檢測(cè)，物體材質(zhì)檢測(cè)等等，有可能在未來(lái)開(kāi)啟一些新的有趣的應(yīng)用。

然而，使用毫米波雷達(dá)也有局限性。首先，毫米波雷達(dá)如果需要做高精度高分辨率檢測(cè)需要使用復(fù)雜的天線和/或多個(gè)雷達(dá)收發(fā)陣列。在60GHz頻段上，復(fù)雜的天線陣列的體積很大，因此在智能家電等應(yīng)用上就難以使用。而如果使用多個(gè)雷達(dá)收發(fā)陣列則會(huì)大大增加系統(tǒng)功耗。其次，Project Soli選擇60GHz頻段的主要理由是因?yàn)樵擃l段受到的政府管制較少，而且是免費(fèi)使用;但是60GHz頻段的主要問(wèn)題是它在空氣中衰減特別大，因?yàn)?0GHz是氧氣的共振頻率，所以許多這個(gè)頻段的電磁波能量在傳播過(guò)程中就被空氣吸收了。因此，使用60GHz實(shí)際上限制了Project Soli的檢測(cè)距離，另外由于電磁波能量被空氣吸收也會(huì)降低信噪比，即降低檢測(cè)精度。這也是為什么Project Soli需要向美國(guó)FCC申請(qǐng)?zhí)岣?0GHz頻段輸出功率的原因，主要預(yù)計(jì)就是為了提升檢測(cè)距離和精度。

綜合以上Project Soli毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)和局限，并結(jié)合應(yīng)用的成本、體積、功耗限制，我們不難發(fā)現(xiàn)，Project Soli最適合的應(yīng)用就是智能家電和設(shè)備上的近場(chǎng)手勢(shì)識(shí)別，即檢測(cè)距離在一米以內(nèi)的手勢(shì)識(shí)別。由于Project Soli的檢測(cè)精度有限，因此難以做到三維觸控所需要的絕對(duì)位置高精度檢測(cè)，但是手勢(shì)檢測(cè)應(yīng)當(dāng)不成問(wèn)題;此外由于60GHz頻段的空氣衰減問(wèn)題，限制了其檢測(cè)距離，因此較適合做近場(chǎng)手勢(shì)識(shí)別。

其他三維手勢(shì)識(shí)別和三維觸控技術(shù)

如前所述，Project Soli主要針對(duì)的是近場(chǎng)三維手勢(shì)識(shí)別。為了滿足應(yīng)用的需求，還會(huì)有其他技術(shù)在未來(lái)的三維手勢(shì)識(shí)別和三維觸控領(lǐng)域受到關(guān)注。

在近場(chǎng)手勢(shì)識(shí)別方面，超聲波是另一個(gè)可選方案。超聲波方案與毫米波方案原理相似，只是超聲波方案使用的是超聲波而不是電磁波。超聲波方案的優(yōu)勢(shì)是功耗較小(可以小于1mW而毫米波方案的功耗在10-100mW)，缺點(diǎn)是必須使用CMOS工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的超聲波元件，而毫米波方案可以完全使用CMOS電路實(shí)現(xiàn)，集成度較高。

此外，不少應(yīng)用會(huì)需要遠(yuǎn)場(chǎng)(1米以上距離)三維手勢(shì)識(shí)別技術(shù)，例如體感游戲等。目前，這類遠(yuǎn)場(chǎng)手勢(shì)/姿勢(shì)識(shí)別主要使用攝像頭和計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)的發(fā)展，基于雙目攝像頭、ToF深度傳感器等的方案正在成為主流，同時(shí)我們也看到在這類遠(yuǎn)場(chǎng)三維手勢(shì)技術(shù)正在進(jìn)入越來(lái)越多的應(yīng)用，包括大型商場(chǎng)的互動(dòng)屏幕、AR/VR游戲和交互等等。

除了手勢(shì)識(shí)別之外，不少交互需要用到能記錄用戶手絕對(duì)位置的三維觸控。三維觸控可以看作是傳統(tǒng)二維觸控在三維空間的推廣，而三維觸控中的主流技術(shù)是電容感應(yīng)技術(shù)。毫米波雷達(dá)技術(shù)利用的是動(dòng)態(tài)電磁波，而電容感應(yīng)技術(shù)利用的是靜電場(chǎng)。電容感應(yīng)型三維觸控技術(shù)是目前電容觸摸屏的增強(qiáng)版：電容觸摸屏可以感應(yīng)到與屏幕接觸的手的位置，而電容感應(yīng)式三維觸控技術(shù)則增強(qiáng)了感應(yīng)范圍，在手尚未接觸到屏幕時(shí)就能感應(yīng)到手在空間中的三維位置，從而實(shí)現(xiàn)三維觸控。為了理解電容感應(yīng)式三維觸控的原理，我們不妨想象有許多熱傳感器組成的陣列，而傳感器陣列上方有一個(gè)火苗(熱源)。根據(jù)傳感器的相對(duì)溫度分布(即哪里溫度比較高，哪里溫度比較低)我們可以知道火苗在哪一個(gè)傳感器上方(即火苗的二維位置)，根據(jù)傳感器的絕對(duì)溫度(即傳感器探測(cè)到的絕對(duì)溫度有多高)我們可以知道火苗離傳感器有多遠(yuǎn)(即火苗在空間中第三維的位置)。結(jié)合這兩條信息我們可以得到火苗在空間中的三維位置。電容傳感式三維觸控的原理也是這樣，只不過(guò)這里探測(cè)的不是火苗帶來(lái)的溫度改變而是手指帶來(lái)的靜電場(chǎng)改變。通過(guò)探測(cè)哪一個(gè)電容傳感器探測(cè)到的靜電場(chǎng)改變最大我們可以感應(yīng)到手指的二維位置，而通過(guò)電容傳感器探測(cè)到靜電場(chǎng)改變的絕對(duì)強(qiáng)度我們可以感應(yīng)到手指的第三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)三維觸控。

電容傳感式三維觸控的優(yōu)勢(shì)在于傳感器的功耗可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于毫米波雷達(dá)(大約僅僅是毫米波雷達(dá)的十分之一甚至更小)，因此可以安裝在對(duì)功耗比較敏感的移動(dòng)設(shè)備上。此外，電容傳感式三維觸控可以更精確地記錄用戶手指的絕對(duì)位置，在相同條件下其精度比毫米波雷達(dá)更好。當(dāng)然，電容感應(yīng)型三維觸控還是會(huì)需要一個(gè)屏幕，因此比起無(wú)需物理屏幕的Project Soli來(lái)說(shuō)，電容感應(yīng)型三維觸控模組的體積會(huì)更大一些。目前，電容感應(yīng)型三維觸控模組已經(jīng)進(jìn)入商用階段，由普林斯頓海歸博士創(chuàng)立的珠海普林芯馳已經(jīng)有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維觸控芯片模組問(wèn)世，目前正在與美的、格蘭仕等家電公司聯(lián)合探索三維觸控在智能家電領(lǐng)域的應(yīng)用。讓我們拭目以待三維觸控領(lǐng)域中國(guó)力量的發(fā)展!

未來(lái)的觸控市場(chǎng)趨勢(shì)

根據(jù)前文的分析，我們可以看到Project Soli的近場(chǎng)三維手勢(shì)識(shí)別方案的應(yīng)用場(chǎng)景比較有限，對(duì)于觸控市場(chǎng)的影響在未來(lái)幾年內(nèi)也并不會(huì)很大。我們預(yù)計(jì)，在手機(jī)等觸控的存量市場(chǎng)，未來(lái)幾年還是會(huì)以傳統(tǒng)二維觸控技術(shù)占主流，畢竟在手機(jī)等設(shè)備上目前還沒(méi)有看到很強(qiáng)的三維手勢(shì)識(shí)別和三維觸控的需求，同時(shí)二維觸控的交互已經(jīng)非常成熟，用戶體驗(yàn)很好。

但是，這并不意味著三維手勢(shì)識(shí)別和三維觸控不重要。在智能設(shè)備的增量市場(chǎng)，包括AR/VR、智能互動(dòng)屏、智能家電等領(lǐng)域，傳統(tǒng)的二維觸控往往不再好用，而必須使用新的三維交互。根據(jù)目前技術(shù)成熟度和應(yīng)用成熟度，我們預(yù)計(jì)基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)和ToF/雙目攝像頭的遠(yuǎn)場(chǎng)三維手勢(shì)識(shí)別將最先大規(guī)模落地，一方面因?yàn)檫h(yuǎn)場(chǎng)三維手勢(shì)識(shí)別在XBOX Kindle等應(yīng)用中已經(jīng)有不少積累，設(shè)計(jì)師對(duì)如何設(shè)計(jì)交互界面已經(jīng)有一定心得;此外應(yīng)用端的商場(chǎng)內(nèi)智能大屏幕等應(yīng)用正在快速找到能盈利的商業(yè)模式。在遠(yuǎn)場(chǎng)手勢(shì)識(shí)別之后，我們預(yù)期近場(chǎng)三維手勢(shì)識(shí)別和三維觸控的成熟時(shí)機(jī)將取決于具體應(yīng)用的落地速度，目前來(lái)看主要會(huì)用在智能家電上，但是使用三維交互究竟能提升多少用戶體驗(yàn)?zāi)壳皝?lái)看還需要進(jìn)一步努力才能看到。