非接觸式手勢識別引領風潮　多軸紅外線近接感測當道

　　過去10年間，人機互動技術發生顯著的變化，促使使用介面與智慧化設計不斷提升。這些變化中主要聚焦于高精確度、低功耗電容式觸控螢幕，尤其在手機市場更為顯著。隨著人機介面技術與設計的進步，紅外線近接感測器正引領下一代非接觸式手勢識別操作介面。  

　　傳統的紅外線近接感測系統是由老式光電偵測器和光遮斷器組成，其回饋反應來自于移動或中斷而觸發，這些近接感測解決方案廣泛應用于自動門控制和廁所的沖洗系統，然這些應用也受感測器尺寸、功耗和可配置性的限制。更先進的主動式近接感測器為消費性電子和工業產品帶來耳目一新的特性和體驗，新一代紅外線感測器產品問世，不僅體積更小、功耗更低，且可驅動多個紅外線發光二極體(LED)，以實現先進多維手勢感測功能。  

　　單LED受局限　多LED系統為大勢所趨

　　采用單LED驅動器的近接感測器已運用于手機觸控螢幕多年，在近接感測器市占亦最大，但其使用并非毫無問題，如雖然運用近接感測器在手機通話過程中常關閉觸控螢幕，以消除臉頰的意外接觸，但若進行網路搜尋會發現許多終端用戶對手機中近接感測器的表現并不滿意。意外的通話中靜音、啟用電話會議和掛斷電話，往往都是由于近接感測器操作失誤引發。  

　　為何看似簡單的近接感測系統故障率如此頻繁呢？答案在于感測器的設計和配置，以及伴隨的機械原理。許多紅外線近接感測器只不過是：基于接收的訊號來輸出原始資料的最基本感應器。這些感測器沒有內建智慧功能來幫助區分系統雜訊和實際訊號，且其很難在高紅外線含量的環境(如日光或白熾光的室內)下運作。此外，盡管工業設計在現代電子系統設計中的重要性日益增強，但這些近接感測器并不適合覆蓋很暗的外罩，因為那會限制外部可見光和紅外光線可到達感測器的能量，進而導致感測困難，或甚至感測不到的狀況產生。  

　　最新一代的近接感測器，已克服傳統近接感測器運行的相關缺點，可參考進階架構如圖1所示，具有多個高靈敏度光電二極體和一個高精確度類比數位轉換器(ADC)，能比其他感測器花更少時間(25.6毫秒)測量打開的紅外線LED。較短的LED開啟時間使感測器能對周圍環境中的紅外線強度進行測量和補償，并可于實際近接測量中，做出更好的識別。  

圖1 實現多維非接觸式手勢識別介面的近接感測器

　　快速的測量同時也降低總體系統功率。紅外線LED是近接系統中耗電量最大的，最大限度的減少LED開啟時間，能夠有效降低整體系統功耗。十五級動態可調整的LED驅動設置，使得LED驅動強度可根據周圍紅外線條件進行調整，因而節省能量，并獲得更節能的設計，LED毋須再設定為最大的耗電配置。高靈敏度的光電二極體也使得感測器可運行于較暗的玻璃后面，如此電子設備隱藏在操作介面之后，使得工業設計變得更加整潔和更具時尚感。  

　　雙LED/三LED創意無限

　　雖然單LED感應系統正于市場盛行，但未來將會朝向多LED近接感測器系統靠攏，進而引領獨特創新的使用介面。雙LED紅外線系統能夠實現滑動和選擇手勢功能，可使用在諸如電子書閱讀器(E-reader)翻頁功能，家用音響設備的音量控制和平板裝置螢幕瀏覽。三LED近接感測系統可用于三維(3D)導航定位和多軸手勢應用，例如圖示或圖片選擇、地圖放大和縮小，甚至游戲控制。其他更令人興奮的雙LED和三LED應用取決于設計人員的創意，正如電容式觸控螢幕開啟使用介面的新紀元一樣，非接觸式手勢識別技術亦將改變終端用戶與電子產品的互動模式。雙LED和三LED紅外線近接感測解決方案非常適合作為這些系統的非接觸式手勢識別解決方案。  

　　非接觸式突顯健康/安全/便利優勢  

　　若接觸式按鍵和觸控螢幕工作正常，為什么要實現非接觸式介面？其實，紅外線系統不會取代現有的系統，而是強化其使用體驗。日益增加的整合性和小型化正在改變消費者使用電子產品方式，現今人們隨身攜帶著智慧型手機、個人媒體播放器、電子書閱讀器和平板裝置，電腦已不再僅僅使用于家中或辦公桌。  

　　咖啡館、餐廳、健身房、巴士站、飛機候機室，甚至日常生活使用極為頻繁的廁所正成為新一代嵌入式電子產品的使用環境。在這些不同的操作環境中，使用者的手有時會被占用、臟污、出汗或沾有食物，所有這些條件均不利于觸控螢幕操作。若客戶是在健身房閱讀電子書閱讀器，但是希望能在跑步機上一邊跑步一邊翻頁，與其使用觸控螢幕或按鈕，不如使用非接觸式手勢識別來翻頁將更為便利，而這也成為近接感測技術的一大優勢。  

　　不用目視即可控制設備有很多好處，如一個非接觸式介面可以讓汽車司機使用非接觸式揮手實現安全的啟動/結束通話或調整音量，而毋須去找復雜儀表上的調整按鈕。并非所有的設備皆須配備觸控螢幕的復雜圖形顯示，非接觸式使用介面能夠提供新穎和差異化的操作方式。  

　　多LED感應系統可以基于用戶是否接近系統而改變系統操作。機上盒或暖氣/通風/空調(HVAC)控制面板顯示器可保持關閉，直至系統檢測到一定距離內的用戶才打開，可有效降低功耗。電視也可運用手勢輸入打開或關閉，公共場所的小型視訊看板亦可檢測用戶的距離而改變顯示內容，可透過手勢輸入與潛在客戶交流，此為一種比采用觸控螢幕更衛生的方法。這種環境感測電子產品能使終端產品更智慧，同時亦更省電。  

　　結合多LED近接感測器和主微控制器(MCU)的設計打開靈活使用電容式觸控和紅外線非接觸式技術，實現用戶介面的大門。觸控感應MCU提供必要的運算能力去解讀紅外線感測器的輸出，幫助調整非接觸式手勢的時序和靈敏度。MCU亦可用于感測器的即時配置，基于環境光強度優化低功耗操作。圖2是一個非接觸式應用范例，包括近接感測器和電容式觸控感應MCU。  

圖2 基于近接感測器和觸控感應MCU的非接觸式人機介面應用

　　隨著更多支援雙LED或三LED的先進近接感測器晶片問世，嵌入式開發人員能開發出新型非接觸式手勢介面應用，并使得電子產品更安全衛生，更易于使用和更有趣。這樣即使是最普通的家用電器、可攜式設備、運算平臺和工業介面也能夠透過手勢來開啟和控制，而這一天即將到來！