原创 体感操控——视觉识别比加速度传感器更适合

2013-7-12 23:15 4103 2 2 分类: 工业电子
看过电影《少数派报告》的人一定会对电影里的主人公挥动双手进行悬空操作的印象很深刻。而随着体感控制技术的发展,在现实中,这类电影中才能看到的控制方式已不再是科幻。 目前,体感控制技术的实现主要有以下两大主流方向:一是基于摄像头构建机器视觉的视觉识别技术,另一种是在终端设备上搭配MEMS元件(陀螺仪、加速度计)的加速度传感器技术。 2006年,任天堂公司推出了体感游戏机Wii,其全新的体感操控方式,让游戏机设计进入一个新阶段,而这幕后最大的功臣就是以MEMS技术为基础的三轴加速度传感器。随着Wii在市场上的大获成功,越来越多的电子产品开始采用加速度传感器技术,从而为用户带来更加丰富的用户体验。但随着视觉识别技术的发展和日趋成熟,在以体感游戏手柄和空中鼠标为代表的体感操控应用上,无论是从技术效果还是从方案成本方面进行比较,视觉识别技术都比加速度传感器技术更具有优势。 1、从识别目标物体运动轨迹的观察角度及效果看 加速度传感器技术采用MEMS元件(陀螺仪、加速度计)配置在目标物体中,通过传感器获取角速度、线加速度等底层参数来推算目标物体的运动轨迹。而视觉识别技术则通过摄像头,拍摄目标物体的运动图像,对其运动轨迹进行直接提取。显然,两者的观察角度截然不同。下面我们通过一个例子进行对比说明:如下图所示,有一辆在旷野中行驶的汽车,现在我们需要知道它的运动轨迹。

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方法一:采用加速度传感器技术,需要在跟踪的车上装配加速度仪、陀螺仪等组传感器,以及随汽车移动放置的计算机。由于物体加速运动,传感器对因运动带来的微小物理量的变化进行测量,获得多轴维度测量信号,在经计算机采集后,通过复杂的关联运算,对汽车的运动轨迹进行推算,然后再通过无线传输技术将该轨迹信息发送给控制台。

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方法二:采用视觉识别技术,通过拍摄汽车的运动图像,分析图像中汽车的位置变化,直接提取汽车的运动轨迹。

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从例子中可以看出,采用加速度传感器技术,就好比一个关在黑屋子中的人,通过感测环境变化对自身造成的影响,去推算运动状况,其显然缺乏对全局整体的认识。而从实际的计算结果看,采用加速度传感器技术,的确也只能获得车辆运动时的相对位置信息,而不是它的实际位置,因此,得到的运动轨迹是粗略的、失真的。此外,由于只有物体产生变速运动时,加速度传感器才会作用,因此,采用加速度传感器技术,对于车辆的起点和终点位置,以及车辆在匀速运动和静止时的状态就检测不出。与此相比,视觉识别技术采用独立于车辆之外的摄像头,通过侦测前后帧图像间车辆的位置变化,直接提取图像中的轨迹信息,就好比一个旁观者在注视着车辆的运动,对于车辆的实际位置和运动轨迹一目了然,侦测结果非常准确。而且,视觉识别技术更加适合于对多目标物体的跟踪识别,因为无需额外的硬件成本,只是增加了数据处理量。

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第1页:从识别目标物体运动轨迹的观察角度及效果看

第2页:从方案开发上看

第3页:从元器件成本趋势上看

第4页:从应用上看


2、从方案开发上看 加速度传感器技术与视觉识别技术相比,在方案开发和维护上难度较大。以空中鼠标方案为例,采用加速度传感器技术,要在移动端空中鼠标内整合MEMS传感器元件。而由于空中鼠标操控对运动轨迹的识别精度要求较高,现一般都采用六轴的MEMS传感器元件,即包括三轴加速度计和三轴陀螺仪,前者用来检测XYZ轴向上的加速信息,后者用来检测角度旋转信息。此外,在空中鼠标内还需内置CPU,对传感器获取的信号进行数据采样处理。在获得采样数据后,上位机采用传感器算法进行计算,推算出轨迹信息。

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而采用视觉识别技术,鼠标端基本不作任何改造,在通过摄像头捕捉运动图像后,主机端对图像作图像算法处理,直接计算出轨迹信息。

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两者相比,采用加速度传感器技术进行开发,整个系统无论在电路结构设计和程序处理上都较为复杂,使得方案开发和维护难度大。而采用视觉识别技术,整个系统则显得非常简捷,开发难度也很低。

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第3页:从元器件成本趋势上看

第4页:从应用上看


3、从元器件成本趋势上看 在硬件成本上,MEMS传感器元件在晶圆上需要有一定体积的微型机械结构,因此每片晶元能产出的芯片数量有限,加之这种结构对制造工艺要求高,生产难度大,使得产品的生产良率难以得到保证。 更为重要的是,随着对运动轨迹识别精度的要求越来越高,MEMS传感器元件也朝着多集成度发展,但受限于集成模块制作工艺,使得产品的生产良率被进一步拉低。

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MEMS晶圆

因此,采用加速度传感器技术,其开发方案的硬件成本在短期内很难有大幅度的降低空间。而视觉识别技术,其重要部件图像传感器部分却已经可以做到很小,甚至可以做到 wafer级的带镜头的摄像头,图像处理部分则完全是数字电路,采用28纳米技术可以让成本做到极低。因此,从元器件成本趋势上看,视觉识别技术优势明显。

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4、从应用上看 加速度传感器技术虽然在消费类电子如手机、平板电脑上的应用很火热,如进行屏幕自动旋转、旋转屏幕玩游戏等,但在空中鼠标、体感游戏手柄这类体感操控应用上,视觉识别技术则无疑具有天生的优势。因为,空中鼠标方案、体感游戏手柄方案的实质就是一个二维图形下的运动轨迹识别问题。若采用加速度传感器技术,则移动端配置的多轴传感器仅用于提供二维平面下的位置变化数据,传感器的功能得不到充分利用,大部分资源是被闲置的。相对而言,基于视觉识别技术,对二维图形的处理和鼠标的运动轨迹识别就匹配得正合适,不仅开发直观而简洁,而且容易达到很高的用户体验。 下面以深圳泰山在线科技有限公司的光感空中鼠标方案为例,其视觉识别设备设置在电视机端,空中鼠标端仅需提供由反光材料构成的反光点即可,方案开发很容易。系统架构如图所示:

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该系统以泰山在线自主研发的idong系列动作识别芯片为核心,在高速追踪模式下可支持每秒1000帧以上的红外图像采集处理,动作轨迹识别性能优异。按照无线鼠标的测试流程,对泰山在线的光感空鼠和陀螺仪空鼠的轨迹比较结果如下所示:

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显然,从应用上看,视觉识别技术比加速度传感器技术更适合于体感操控应用。 从上面的微观层面比较上看,视觉识别技术比加速度传感器技术在体感操控上优势明显,而从人机交互技术这一宏观层面上来看,未来我们需要解决的体感操控不仅仅是人的单一动作识别,还需解决人的多种肢体动作的识别、身份识别、多人识别、甚至是表情识别……而这些识别功能的实现,只能依靠视觉识别技术。因此,从发展趋势看,视觉识别技术将是人机交互技术发展的基础和方向,而加速度传感器技术则只是阶段性的应用,终将会被取代。

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