多 LED 近接感測系統 開啟非接觸式手勢辨識新應用

文: Silicon Labs  人機介面產品線經理 Ahsan Javed

過去十年來，人機互動技術已經產生了明顯的變化，大幅增強了用戶介面與智慧化設計。這些變化多聚焦於具有高精密度與低功耗電容式觸控螢幕的觸控介面，特別在手機市場更是如此。而今，隨著人機介面技術與設計的進展，紅外線近接感測器正逐漸成為以非接觸手勢辨識為中心的下一代用戶介面創新點。

傳統上，紅外線近接感測系統由舊式光電探測器和光電斷路器組成，它們各自根據是否行動或中斷而觸發。這些近接感測解決方案廣泛應用於自動門控制和廁所沖洗系統，然而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了耳目一新的特性和增強體驗。

新一代的紅外線感測器產品，如Silicon Labs Si114x系列，不僅體積更小、功耗也更低，同時還能驅動多個紅外線發光二極體(LED)，因而可實現先進的多維手勢輸入功能。

從單LED到多LED系統演進
單LED驅動器的近接感測器已用於觸控螢幕手機多年了，在近接感測器市場佔有最大比重，但它們的使用並非沒有問題。例如，近接感測器雖可在手機通話過程中關閉觸控螢幕，以避免臉頰意外碰觸，但只要搜尋一下網路便會發現許多終端用戶對於現有手機中近接感測器的表現並不滿意。意外的通話靜音、啟動電話會議和掛斷電話，這些頻繁出現的意外都是由於近接感測器作業失誤而引起的。

為什麼一個看似簡單的近接感測系統故障卻如此頻繁呢？答案就在於感測器的設計和配置，以及相關的機械原理。許多紅外線近接感測器只不過是：根據所接收的訊號來輸出原始數據的基本感測器。這些感測器並未內建智慧功能來協助區分系統雜訊和實際訊號，同時，他們也很難在高紅外線含量的環境(例如日光或有白熾光的室內)下運作。此外，儘管產品設計在當今電子系統設計中的重要性日益增強，但這些近接感測器並不適於在非常暗的覆蓋層下作業，因為它可能限制了外部可見光和紅外光線到達感測器的能量。

最新一代的近接感測器，如Silicon Labs的Si114x系列產品，克服了傳統近接感測器作業的相關缺點。如圖1所示，Si114x感測器的先進架構具有多個高靈敏度的光電二極體和一個高精密度的類比數位轉換器(ADC)，只需較其他感測器更少的時間(25.6ms)測量啟動紅外線LED。較短的LED啟動時間使感測器能對周圍環境中的紅外線強度進行測定和補償，從而在實際的近接測量中實現更有效率的辨識。

更快的測量同時也降低了整體系統功率。紅外線LED是近接系統中的耗電大戶。大幅的減少LED開啟時間能夠有效降低整體系統功耗。15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，因而節省了能量，以實現更高能效的設計。LED不需要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執行於較暗的玻璃後面，因此電子設備即可隱藏在作業介面後，使產品設計變得更加簡潔且更具時尚感。

三LED系統實現多元創新
雖然單LED感測系統正推動當今市場的發展，但未來將加速邁向多LED近接感測器系統發展，以實現獨特的創新型用戶介面。雙LED紅外線系統能夠實現滑動和選擇手勢功能，以用於諸如電子書翻頁、家用音響設備音量控制或平板電腦螢幕捲動等應用。三LED近接感測系統能夠用於3D定位計算與多軸手勢辨識；三LED系統則用於非接觸式用戶介面導航，例如圖示或圖片選擇、地圖放大和縮小，或甚至遊戲控制等。

其他更令人興奮的雙LED和三LED應用僅僅受限於設計人員的創意。正如電容式觸控式螢幕開啟了用戶介面的新紀元一樣，非接觸式手勢辨識技術也將改變終端用戶與電子產品間的互動方式。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辨識解決方案。

非接觸式的好處：健康、安全與便利
一個現實的非接觸式介面問題是：為什麼要建置這些系統？如果接觸式按鍵和觸控螢幕運作正常，為什麼要置換掉呢？紅外線系統並不會取代現有的系統，而是增強用戶的使用體驗。強化的整合度和小型化正改變用戶使用電子產品的方式。如今人們隨身攜帶著智慧手機、個人媒體播放器、電子書和平板電腦，‘電腦’不再僅限於用戶家中或辦公室使用了。

咖啡廳、餐館、健身房、公車站、飛機航空站，甚至洗手間正成為新一代嵌入式電子產品的使用環境。在這些不同的作業環境中，用戶的手有時會被佔用、變髒、出汗或沾有食物──所有這些條件並不利於觸控螢幕作業。如果用戶是在健身房閱讀電子書，希望在跑步機上能一邊跑步一邊翻頁，那麼透過非接觸式手勢辨識系統來翻頁將更為容易，而不必再實際碰觸觸控螢幕或按下一個小按鈕。

無需看到即可控制設備有很多好處。例如，一個非接觸介面可以讓汽車駕駛以非接觸的方式揮手實現更安全的接聽/結束通話或調整音量，而不必再去複雜儀表板上尋找控制鈕。並非所有的設備都需觸控螢幕的複雜圖形顯示，非接觸式用戶介面更能提供新穎且差異化的作業方式。

多LED近接系統可以基於用戶是否接近系統而改變系統作業。視訊轉換盒(STB)或HVAC控制面板的螢幕可以持續在關閉的省電模式下，直到系統檢測到一定距離內的用戶時才開啟，這有效降低了功耗。電視也可以基於手勢輸入來開啟或關閉。公共場所的小型視訊廣告看板可以基於用戶接近或遠離而改變顯示內容，並能以手勢輸入與潛在戶互動交流。這是一種比採用觸控螢幕更衛生的方法。這種具‘環境感知’的電子產品能夠使終端產品更加智慧，同時也更加省電。

融合多LED近接感測器和主MCU(例如Silicon Labs的電容器式觸控感測微控制器)的設計使用電容器式觸控和紅外線非接觸式技術，開啟了彈性化用戶介面的大門。主觸控感測MCU提供必要的運算能力去解釋紅外線感測器的輸出，並協助調整非接觸式手勢的時序與靈敏度。

MCU還可以用於感測器的即時配置，依據環境光強度而進行最佳化的低功耗作業。圖2是一個非接觸式應用示例，包括近接感測器和電容器式觸控感測MCU。

隨著越來越多可支援雙LED或三LED的先進近接感測器晶片的問世，嵌入式開發人員能夠開發出新的非接觸式手勢介面應用，並使得電子產品更安全衛生、更易於使用且更具有美好的使用體驗。因此，即使是最普通的家用電器、手持設備、運算平台和工業介面也能夠透過手勢來開啟和控制。