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)帶來什么新動(dòng)向呢?是否會(huì)顛覆原來的觸控技術(shù)?且看本文分解。

觸控，三維觸控和手勢識(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，以及手勢識(shí)別。

觸控這個(gè)概念想必大家已經(jīng)非常熟悉，簡而言之就是用戶通過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操作。

與三維觸控相對(duì)的是三維手勢識(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)來檢測手勢并完成交互。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)三維手勢識(shí)別應(yīng)用，而三維觸控則需要使用其他技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

Project Soli的技術(shù)：原理，優(yōu)勢和局限性

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)過用戶手的反射回到傳感器端，就能根據(jù)回波來檢測用戶手的位置和動(dòng)態(tài)，并借此完成三維非接觸手勢檢測。

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)，使用波束成形來提升分辨率。

使用雷達(dá)的優(yōu)勢首先是系統(tǒng)硬件比較簡單，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，可以做到手勢識(shí)別之外的其他功能，例如物體檢測，物體材質(zhì)檢測等等，有可能在未來開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，即降低檢測精度。這也是為什么Project Soli需要向美國FCC申請?zhí)岣?0GHz頻段輸出功率的原因，主要預(yù)計(jì)就是為了提升檢測距離和精度。

綜合以上Project Soli毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢和局限，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)備上的近場手勢識(shí)別，即檢測距離在一米以內(nèi)的手勢識(shí)別。由于Project Soli的檢測精度有限，因此難以做到三維觸控所需要的絕對(duì)位置高精度檢測，但是手勢檢測應(yīng)當(dāng)不成問題;此外由于60GHz頻段的空氣衰減問題，限制了其檢測距離，因此較適合做近場手勢識(shí)別。

其他三維手勢識(shí)別和三維觸控技術(shù)

如前所述，Project Soli主要針對(duì)的是近場三維手勢識(shí)別。為了滿足應(yīng)用的需求，還會(huì)有其他技術(shù)在未來的三維手勢識(shí)別和三維觸控領(lǐng)域受到關(guān)注。

在近場手勢識(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(1米以上距離)三維手勢識(shí)別技術(shù)，例如體感游戲等。目前，這類遠(yuǎn)場手勢/姿勢識(shí)別主要使用攝像頭和計(jì)算機(jī)視覺算法來實(shí)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)視覺的發(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)場三維手勢技術(shù)正在進(jìn)入越來越多的應(yīng)用，包括大型商場的互動(dòng)屏幕、AR/VR游戲和交互等等。

除了手勢識(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。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，只不過這里探測的不是火苗帶來的溫度改變而是手指帶來的靜電場改變。通過探測哪一個(gè)電容傳感器探測到的靜電場改變最大我們可以感應(yīng)到手指的二維位置，而通過電容傳感器探測到靜電場改變的絕對(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，因此比起無需物理屏幕的Project Soli來說，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)域中國力量的發(fā)展!

未來的觸控市場趨勢

根據(jù)前文的分析，我們可以看到Project Soli的近場三維手勢識(shí)別方案的應(yīng)用場景比較有限，對(duì)于觸控市場的影響在未來幾年內(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，未來幾年還是會(huì)以傳統(tǒng)二維觸控技術(shù)占主流，畢竟在手機(jī)等設(shè)備上目前還沒有看到很強(qiáng)的三維手勢識(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識(shí)別和三維觸控不重要。在智能設(shè)備的增量市場，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)視覺和ToF/雙目攝像頭的遠(yuǎn)場三維手勢識(shí)別將最先大規(guī)模落地，一方面因?yàn)檫h(yuǎn)場三維手勢識(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)場手勢識(shí)別之后，我們預(yù)期近場三維手勢識(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)壳皝砜催€需要進(jìn)一步努力才能看到。