“听”懂你的手势 Chirp声纳手势控制技术解析

                         　　谈到手势控制，相信大家不会觉得陌生，目前也有越来越多的智能手机开始支持手势识别，但这种光线感应技术实现的手势控制实用性还是不够——只有当用户在感应器正前方做出相对精确的动作时，手机才能识别。要想解决这个问题，这些设备就必须在一个较大的空间范围内准确感知用户动作。目前，一家叫做Chirp的微系统公司已经开发出一种基于超声波信号的手势控制技术，或许这将是人机交互模式的又一次变革。


手机变潜艇？手控也玩超声波
     目前大多数的手势控制技术一般是基于二维及三维感测技术，利用摄像头及光电技术结合来实现体感辨识。不过这些技术都或多或少存在这样或那样的缺点，比如识别角度窄、容易受到光线环境的干扰。而Chirp技术的最大特点是通过发送超声波来实现3D手势识别功能。其实从技术原理上看，Chrip 所采用的超声波与之前 Leap Motion 所采用的“时差测距（TOF，ToF, Time of Flight）技术”有一定的相似之处。


利用时差测距传感技术实现的手势控制
    时差测距传感器系统是一种光雷达系统，可从发射极向对象发射光脉冲，接收器则可通过计算光脉冲从发射器到对象，再以像素格式返回到接收器的运行时间来确定被测量对象的距离，并通过相应运算来获得整个场景，确定3D范围影像来实现识别手势的功能。
    以之前大受关注的Leap3D手控设备为例，该产品内置CMOS传感器和红外线LED，利用CMOS传感器捕捉物体反射的红外线来实现动作检测。LED光扫描系统，就像是超市的扫描枪一样，形成一个光线网，一旦光网内的手指移动就会引起红外线反射，Leap3D探知手指所在位置和移动方向的同时，利用双摄像头进行立体拍摄，这就可以对红外区域探知的移动进行重点分析和检测出三维动作。TOF系统除了可利用光波扫描外，声波也是其中一个采样方式。而Chirp系统就是利用超声波代替光波来实现手势识别的。
　　从技术原理上说，Chirp手势识别系统和潜水艇的声纳系统有着异曲同工之妙，就是我们中学时已经很熟悉的多普勒效应。Chirp芯片内置的一组超声换能器（小型的声共振器）可发出超声波脉冲，脉冲遇到障碍物（如你的手掌）后会将回声传给换能器，然后由与之相连的芯片计算经过的时间，通过这些时间信息，芯片能计算出若干 3D 手势。目前 Chirp 团队正在构思一组基本的手势命令，打算内置到支持 Chirp 的设备上，比方说把手从智能手表屏幕拿开可以代表放大图片。不过如同其它新技术一样，目前Chrip手势识别技术只可以利用超声波进行 2D 定位，可以识别手的左右前后的移动，但无法识别手在三维空间里的运动方向。因此Chrip 的开发团队仍需加把劲。 


延伸阅读：微软的SoundWave手势控制技术
    Chirp并不是唯一的声波手控技术，在此前微软也推出了一项名为“SoundWave”的声波手势控制技术。只不过相对于Chirp，“SoundWave”系统更像一款应用软件。你只要在电脑上安装这款软件（免费）后，电脑的扬声器就可以发出恒定频率的超声波。如果周围没有任何物体移动，电脑的麦克风采集到的声波是不会发生变化的。但是如果有一个物体朝着电脑移动，这时候声音的频率就会变高，如果物体远去，声音的频率将会下降。经过软件对频率的分析，可以确定物体的大小，移动速度和运动方向，从而让SoundWave 推断出手势。目前SoundWave手势识别准确性已经达到90%左右，即使你的扬声器播放着音乐时，也可以照常操作。

 

声波手势，让你挥手间不再拖泥带水
    我们都知道，目前大多数手势控制都通过光电系统来实现，但这些设备暴露出一个共同的弊端，那就是对手势使用范围的限制。而Chirp技术则通过声波取代红外线，很好地解决了这一难题。这就意味着，用户在180度范围内都能够控制该设备，Chirp手势识别系统允许设备“看见”手抬高或放低的姿势以及手左右挥动的姿势等。
    值得一提的是，这项超声波手势控制技术还完全不受光线条件的限制，也就是说，用户在白天黑夜均可操控且精确度更高，可以允许用户在1米的范围内进行控制。


Chirp芯片面积比纽扣电池还小
    同时，由于声波传播的速度要比光波慢得多，对设备的性能要求不如后者那么高，Chirp系统仅仅使用很少的能量就能维持运行。当然，我们还可以想起 MYO 这个利用生物电来识别手势的方案，它对环境的依赖性更小。但很难确定利用 MYO 技术的设备，是否一定要设计成环状，这样的话，MYO 技术普遍性仍不够强。而 Chirp 最终设计目标是可以通过一块芯片来识别手势——Chirp芯片面积比纽扣电池还小，完全可植入到智能手表或 Google Glass 之类的头戴式计算机上。


手势识别是智能手表交互方式的突破
    一直以来，智能手表最大的问题是是交互性。如果继续采用传统的触控方式，就不得不采用大屏大表盘设计。这会带来什么问题呢？硕大的表盘就像个菜盘子，让人觉得笨重丑陋，还增加屏幕的耗电量，但屏幕、表盘不够大，电池容量难以提升，难以看清界面上的图标与字体，也难以触控操作。正因为如此，智能手表给人感觉仍然有些尴尬，可以承载的功能也不多。新的交互方式才能改变智能手表这种的囧境，而Chirp手势识别技术的出现无疑提供了一个颇为有效的交互方式。