人機界面（HMI）是您可以想到的幾乎任何電子系統(tǒng)的核心功能，它能夠使操作人員與特定設備進行交互，并通過它來執(zhí)行不同的功能或訪問某些信息。在本文中，我們將回顧一下觸屏技術無可置疑的成功，以及這種技術如何在推動更加雄心勃勃的新HMI技術的發(fā)展，這些新的機制可能會為用戶體驗增加更多方面。

從工作原理上看，基本的HMI概念并不新奇，可以說其基本形式早在19世紀的工業(yè)革命中就已被使用。提花織機（Jacquard loom）和巴貝奇（Babbage）的差異引擎是那個早期時代的例子，其中控制功能是通過人工輸入一些描述而應用于機械。隨著我們進入計算機時代，機械鍵盤已經成為啟動命令或程序，并付諸行動的途徑。如今已經出現了基于觸控的顯示技術（最值得注意的是投射電容式觸控技術），這使得更先進和更直觀的HMI成為可能。在千禧年開始時，MP3播放器中的觸控屏曾經是讓這些小電子產品廣受歡迎的關鍵因素。之后，當第一批智能手機和平板電腦開始出現時，觸控技術被設計到這些產品中。不久，它們將成為我們與消費電子產品互動的強制性技術。工業(yè)控制領域很快也將隨之而來，笨重的開關和儀表盤會被更時尚、更可靠的觸控技術所取代。現在也有一些呼聲，要求進一步加強采用HMI。

盡管用觸控實現的HMI具有許多吸引人的特性，但在某些情況下，仍然有一些理由不建議使用它們。例如，身體接觸HMI可能會有一些衛(wèi)生問題，這是由于在臨床環(huán)境甚至是公共場所可能會傳播細菌。在一天的時間中，許多人可能都在使用信息終端，但卻沒有任何機會去清潔觸控表面。此外，在用戶的注意力必須保持集中在某些重要事項（例如駕駛車輛或操作重型機械）的情況下，利用觸控HMI實現一些輔助功能也會分散操作員的注意力。因此，人們也越來越關注開發(fā)非接觸式HMI替代產品。

語音控制在家庭中變得越來越普遍（受益于數字助理的激增），這種技術提供了一種簡單指令方法，但也并不總是適用。例如在戶外公共場合可能存在大量的背景噪音，工業(yè)和汽車環(huán)境下尤其如此。噪音會造成命令不正確，需要隨后進行糾正，因而可能需要花費很多時間來完成某個動作，并造成很多煩惱，而且可能還需要考慮隱私問題。因此，雖然語音控制在某些情況下有效，但仍需要研究其他方法。

ToF技術的采用

最近正在獲得大量關注的一項技術是飛行時間（ToF）技術。這種技術由于只使用手部動作，因而能夠提供一種控制電子系統(tǒng)的簡單方法，而不需要操作人員轉移他們的注意力。簡單來說，在發(fā)射紅外（IR）脈沖后，它們在照射到物體時，會反射回來，進而可以通過某種形式的傳感器陣列來接收。通過測量脈沖發(fā)出和再次接收之間的時間延遲，可以精確地計算發(fā)射源到物體的距離。此外，還可以檢測對象的移動，并且由此可以確定各種不同的手勢。

圖1：RF Digital的RFD77402。

RF Digital的RFD77402能夠處理快速準確的手勢識別，刷新率為10Hz，精度為±10％。該3D ToF傳感器模塊采用緊湊的4.8mm×2.8mm×1.0mm表面貼裝封裝，集成有一個29°照射場（FoI）850nm VCSEL發(fā)射器，以及相應的驅動電路、微控制器單元（MCU）和板載存儲器，并包含一個55°視場（FoV）光傳感器和必備的光學器件。捕獲到的手勢數據可通過其I2C I/O傳輸到相鄰系統(tǒng)。Seeed Studio的DepthEye 3D ToF相機模塊采用德州儀器（Texas Instruments）的1/6英寸格式，80×60像素分辨率OPT8320傳感器，幀速為1000fps。這款流線型相機模塊大小為60mm×17mm×12mm，可通過USB接口連接到筆記本電腦/平板電腦來提供手勢識別功能。它的操作系統(tǒng)支持Windows 7及以上版本。

圖2：Seeed Studio DepthEye ToF相機。

意法半導體（STMicroelectronics）的VL6180基于自身的專利FlightSense?技術，專門為了在智能手機、平板電腦和家用電器中實現手勢識別而設計。這款三合一型光學模塊（尺寸體積為4.8mm×2.8mm×1.0mm）具有850nm VCSEL發(fā)射器和接近傳感器，以及16位輸出環(huán)境光傳感器（用以減輕背景照明的干擾）。Melexis的320×240像素分辨率MLX75x23圖像傳感器和MLX75123配套IC主要用于在汽車設計中實現HMI功能（同樣也適用于工業(yè)自動化），能夠為工程師提供完整的符合AEC-Q100標準的ToF HMI系統(tǒng)解決方案，可確保駕駛員不需要把目光從道路上移開即可完成控制，這意味著駕駛員可以進行電話呼叫或訪問信息娛樂系統(tǒng)，而不會使車輛乘客或其他道路上的行人有任何危險?？紤]到汽車等應用的嚴苛環(huán)境，這些組件支持-40℃～105℃的工作溫度范圍。此外，光學模塊具有高度的光學彈性，可以應對環(huán)境光條件的極端變化（該系統(tǒng)能夠處理高達120lux的入射背景光）。通過配套IC，可以選擇感興趣的區(qū)域或設置響應激活觸發(fā)器。

HMI中mmWave的發(fā)展?jié)摿?/p>

德州儀器的IWR1642 mmWave運動傳感器也適用于非接觸式手勢識別，但它不依賴于光電子技術，能夠捕獲對象的距離、速度和角度等相關數據。通過這種方式，可以記錄手劃動（垂直或水平方向）和手指旋轉。該傳感器工作在76GHz至81GHz頻率范圍，具有40MHz發(fā)射器和低噪聲（-14dB）接收器。ARM Cortex-R4F處理器內核負責前端配置和系統(tǒng)校準，而高性能C674x DSP則用于所有信號處理。該單芯片解決方案還集成有鎖相環(huán)（PLL）和模數轉換器（ADC），此外還有1.75MB的可用內存資源。使用mmWave技術的主要優(yōu)勢在于它通過材料（materials）工作，因此沒有“視線范圍”限制，這意味著傳感器不必暴露在外部環(huán)境中（避免可能的損壞），而是可以位于保護外殼之內。通過該方法實現的感測只需很低功耗，這也是其一大優(yōu)勢。

基于電場的HMI

Microchip的 MGC3140控制器IC建立在公司專有的GestIC技術基礎之上，采用準靜態(tài)電近場接近感測技術進行檢測。這種技術目前仍處于起步階段，但顯示出巨大的應用前景，該控制器可以檢測到距離實際HMI表面最遠10cm處的手勢。電場由HMI表面發(fā)出，DC電壓可提供恒定的場強，而AC電壓則作為補充電壓提供正弦變化的電場。通過這種設置，現場存在的導電物體（如人體的某些部分）將導致失真。其所使用控制機制意味著這種形式的HMI不受任何環(huán)境光或聲音的影響，因此適用于游戲機、醫(yī)療設備、汽車控制柱（automoTIve control pillars）和各種家用電器。MGC3140可支持150dpi的空間分辨率，并能夠以高達200Hz的速率記錄位置。

圖3：用于電場感測的Microchip MGC3140控制器。

其他技術前景

目前有許多潛在的HMI技術正在進行試驗，而一些也在產業(yè)中應用。目前已經有一些利用超聲投影的解決方案正在開發(fā)。EllipTIc Labs的INNER MAGIC能夠通過該公司專利的180°FoV無觸控傳感器技術檢測手勢（控制智能音箱等）。位于Bristol的初創(chuàng)公司UltrahapTIcs提供的空中觸覺（midair hapTIcs）使用256單元超聲換能器網格（以及運動跟蹤圖像傳感器）來構建虛擬HMI，盡管它們沒有物理存在，但仍然具有觸覺反饋功能。這樣的結果是可以模擬傳統(tǒng)的手動控制（如按鈕、滑塊等），而無需任何清潔或維護工作。外科醫(yī)生和工業(yè)操作人員首先可以從中受益，這種技術也能夠應用于零售、家庭自動化、數字標牌和汽車等行業(yè)。

毫無疑問，觸控仍然很重要，它在構建下一代HMI中所具備的價值也不容忽視。就在最近，韓國領先的研究機構KAIST的工程師向全世界通報了應用聲波定位傳感技術的進展，他們通過標準智能手機生成了虛擬鍵盤，這將能夠通過墻壁、桌子、鏡子和其他日常用品充當用戶操縱的觸控表面，并且與先前的這種HMI技術相比具有更短的滯后。

很明顯，大量的可能技術目前已經出現，使HMI能夠克服某些應用的限制，并提供更好的用戶體驗。通過紅外（IR）、超聲波，mmWave和電場等技術，所能夠實現的HMI范圍注定要大大擴展，這些與現有的基于觸控的技術相結合，將能夠帶來新的更加令人興奮的發(fā)展前景。

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