重新定义人机界面 – 不仅限于触控

人机界面（HMI）是您可以想到的几乎任何电子系统的核心功能，它能够使操作人员与特定设备进行交互，并通过它来执行不同的功能或访问某些信息。在本文中，我们将回顾一下触屏技术无可置疑的成功，以及这种技术如何在推动更加雄心勃勃的新HMI技术的发展，这些新的机制可能会为用户体验增加更多方面。

从工作原理上看，基本的HMI概念并不新奇，可以说其基本形式早在19世纪的工业革命中就已被使用。提花织机（Jacquard loom）和巴贝奇（Babbage）的差异引擎是那个早期时代的例子，其中控制功能是通过人工输入一些描述而应用于机械。随着我们进入计算机时代，机械键盘已经成为启动命令或程序，并付诸行动的途径。如今已经出现了基于触控的显示技术（最值得注意的是投射电容式触控技术），这使得更先进和更直观的HMI成为可能。在千禧年开始时，MP3播放器中的触控屏曾经是让这些小电子产品广受欢迎的关键因素。之后，当第一批智能手机和平板电脑开始出现时，触控技术被设计到这些产品中。不久，它们将成为我们与消费电子产品互动的强制性技术。工业控制领域很快也将随之而来，笨重的开关和仪表盘会被更时尚、更可靠的触控技术所取代。现在也有一些呼声，要求进一步加强采用HMI。

尽管用触控实现的HMI具有许多吸引人的特性，但在某些情况下，仍然有一些理由不建议使用它们。例如，身体接触HMI可能会有一些卫生问题，这是由于在临床环境甚至是公共场所可能会传播细菌。在一天的时间中，许多人可能都在使用信息终端，但却没有任何机会去清洁触控表面。此外，在用户的注意力必须保持集中在某些重要事项（例如驾驶车辆或操作重型机械）的情况下，利用触控HMI实现一些辅助功能也会分散操作员的注意力。因此，人们也越来越关注开发非接触式HMI替代产品。

语音控制在家庭中变得越来越普遍（受益于数字助理的激增），这种技术提供了一种简单指令方法，但也并不总是适用。例如在户外公共场合可能存在大量的背景噪音，工业和汽车环境下尤其如此。噪音会造成命令不正确，需要随后进行纠正，因而可能需要花费很多时间来完成某个动作，并造成很多烦恼，而且可能还需要考虑隐私问题。因此，虽然语音控制在某些情况下有效，但仍需要研究其他方法。

ToF技术的采用

最近正在获得大量关注的一项技术是飞行时间（ToF）技术。这种技术由于只使用手部动作，因而能够提供一种控制电子系统的简单方法，而不需要操作人员转移他们的注意力。简单来说，在发射红外（IR）脉冲后，它们在照射到物体时，会反射回来，进而可以通过某种形式的传感器阵列来接收。通过测量脉冲发出和再次接收之间的时间延迟，可以精确地计算发射源到物体的距离。此外，还可以检测对象的移动，并且由此可以确定各种不同的手势。

图1：RF Digital的RFD77402。

RF Digital的RFD77402能够处理快速准确的手势识别，刷新率为10Hz，精度为±10％。该3D ToF传感器模块采用紧凑的4.8mm×2.8mm×1.0mm表面贴装封装，集成有一个29°照射场（FoI）850nm VCSEL发射器，以及相应的驱动电路、微控制器单元（MCU）和板载存储器，并包含一个55°视场（FoV）光传感器和必备的光学器件。捕获到的手势数据可通过其I2C I/O传输到相邻系统。Seeed Studio的DepthEye 3D ToF相机模块采用德州仪器（Texas Instruments）的1/6英寸格式，80×60像素分辨率OPT8320传感器，帧速为1000fps。这款流线型相机模块大小为60mm×17mm×12mm，可通过USB接口连接到笔记本电脑/平板电脑来提供手势识别功能。它的操作系统支持Windows 7及以上版本。

图2：Seeed Studio DepthEye ToF相机。

意法半导体（STMicroelectronics）的VL6180基于自身的专利FlightSense™技术，专门为了在智能手机、平板电脑和家用电器中实现手势识别而设计。这款三合一型光学模块（尺寸体积为4.8mm×2.8mm×1.0mm）具有850nm VCSEL发射器和接近传感器，以及16位输出环境光传感器（用以减轻背景照明的干扰）。Melexis的320×240像素分辨率MLX75x23图像传感器和MLX75123配套IC主要用于在汽车设计中实现HMI功能（同样也适用于工业自动化），能够为工程师提供完整的符合AEC-Q100标准的ToF HMI系统解决方案，可确保驾驶员不需要把目光从道路上移开即可完成控制，这意味着驾驶员可以进行电话呼叫或访问信息娱乐系统，而不会使车辆乘客或其他道路上的行人有任何危险。考虑到汽车等应用的严苛环境，这些组件支持-40℃～105℃的工作温度范围。此外，光学模块具有高度的光学弹性，可以应对环境光条件的极端变化（该系统能够处理高达120lux的入射背景光）。通过配套IC，可以选择感兴趣的区域或设置响应激活触发器。

HMI中mmWave的发展潜力

德州仪器的IWR1642 mmWave运动传感器也适用于非接触式手势识别，但它不依赖于光电子技术，能够捕获对象的距离、速度和角度等相关数据。通过这种方式，可以记录手划动（垂直或水平方向）和手指旋转。该传感器工作在76GHz至81GHz频率范围，具有40MHz发射器和低噪声（-14dB）接收器。ARM Cortex-R4F处理器内核负责前端配置和系统校准，而高性能C674x DSP则用于所有信号处理。该单芯片解决方案还集成有锁相环（PLL）和模数转换器（ADC），此外还有1.75MB的可用内存资源。使用mmWave技术的主要优势在于它通过材料（materials）工作，因此没有“视线范围”限制，这意味着传感器不必暴露在外部环境中（避免可能的损坏），而是可以位于保护外壳之内。通过该方法实现的感测只需很低功耗，这也是其一大优势。

基于电场的HMI

Microchip的 MGC3140控制器IC建立在公司专有的GestIC技术基础之上，采用准静态电近场接近感测技术进行检测。这种技术目前仍处于起步阶段，但显示出巨大的应用前景，该控制器可以检测到距离实际HMI表面最远10cm处的手势。电场由HMI表面发出，DC电压可提供恒定的场强，而AC电压则作为补充电压提供正弦变化的电场。通过这种设置，现场存在的导电物体（如人体的某些部分）将导致失真。其所使用控制机制意味着这种形式的HMI不受任何环境光或声音的影响，因此适用于游戏机、医疗设备、汽车控制柱（automotive control pillars）和各种家用电器。MGC3140可支持150dpi的空间分辨率，并能够以高达200Hz的速率记录位置。

图3：用于电场感测的Microchip MGC3140控制器。

其他技术前景

目前有许多潜在的HMI技术正在进行试验，而一些也在产业中应用。目前已经有一些利用超声投影的解决方案正在开发。Elliptic Labs的INNER MAGIC能够通过该公司专利的180°FoV无触控传感器技术检测手势（控制智能音箱等）。位于Bristol的初创公司Ultrahaptics提供的空中触觉（midair haptics）使用256单元超声换能器网格（以及运动跟踪图像传感器）来构建虚拟HMI，尽管它们没有物理存在，但仍然具有触觉反馈功能。这样的结果是可以模拟传统的手动控制（如按钮、滑块等），而无需任何清洁或维护工作。外科医生和工业操作人员首先可以从中受益，这种技术也能够应用于零售、家庭自动化、数字标牌和汽车等行业。

毫无疑问，触控仍然很重要，它在构建下一代HMI中所具备的价值也不容忽视。就在最近，韩国领先的研究机构KAIST的工程师向全世界通报了应用声波定位传感技术的进展，他们通过标准智能手机生成了虚拟键盘，这将能够通过墙壁、桌子、镜子和其他日常用品充当用户操纵的触控表面，并且与先前的这种HMI技术相比具有更短的滞后。

很明显，大量的可能技术目前已经出现，使HMI能够克服某些应用的限制，并提供更好的用户体验。通过红外（IR）、超声波，mmWave和电场等技术，所能够实现的HMI范围注定要大大扩展，这些与现有的基于触控的技术相结合，将能够带来新的更加令人兴奋的发展前景。