借力MEMS感測元件　電視遙控器增添體感功能

智慧電視的興起，讓遙控器被賦予更多人機(jī)操作的任務(wù)。其中，以微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)感測器所實(shí)現(xiàn)的體感遙控器，可偵測使用者手勢(shì)的變化，實(shí)現(xiàn)比原本手指按鍵更簡單直覺的控制，因而成為近期制造商積極導(dǎo)入的新功能。

在傳統(tǒng)電視中遙控器是一個(gè)非常普通的配件，通常只須要開關(guān)機(jī)、選臺(tái)及聲音大小等簡易功能。但是由于近來電視功能越來越豐富，已演進(jìn)到具連網(wǎng)功能的智慧電視。因此電視功能不再是單純觀看電視而已，智慧電視還可上網(wǎng)觀看網(wǎng)路影片、照片、新聞氣象與社群網(wǎng)站等附加功能，相對(duì)地遙控器被賦予的角色就相對(duì)重要。

滿足體感設(shè)計(jì)需求　MEMS搶進(jìn)電視遙控器

近來由于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)快速成長，使得操控人機(jī)介面的方式有很多創(chuàng)新的變化，由電視游樂器的搖桿可看出，MEMS在體感遙控器上扮演舉足輕重的角色。早期的遙控器是很簡單的按鍵，直到Wii的出現(xiàn)，體感遙控器讓電視游樂器更有生命力。

所以MEMS體感遙控器讓聯(lián)網(wǎng)電視的遙控器更活潑，除體感遙控器取代傳統(tǒng)按鍵外，語音功能也漸漸讓控制電視的方式更多樣化。此外，電視增加連網(wǎng)功能后亦具有語音通話功能，讓電視機(jī)不只是娛樂功能，也增加通訊的功能，還可透過網(wǎng)路語音辨識(shí)的云端科技，讓控制電視的方法更加人性化。

體感的MEMS包括陀螺儀、加速度計(jì)與地磁感應(yīng)器，這三個(gè)元件分別有特殊功能與特性，彼此之間也有互補(bǔ)性，因此考慮到使用介面的狀況會(huì)用到不同的感應(yīng)器。聯(lián)網(wǎng)電視通常比較常用到的是陀螺儀與加速度計(jì)，至于地磁感應(yīng)器，就不一定需要，但如果要讓遙控器更準(zhǔn)確，就須要透過地磁感應(yīng)器來做補(bǔ)償。

陀螺儀是使用科士力(Coriolis Force)的原理去取得物體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。所謂科士力原理，系對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移(圖1)。由陀螺儀取得遙控器的角速度，就可算出相對(duì)應(yīng)的角位移，如公式1所示。


圖1    陀螺儀透過科士力原理取得物理轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度



.....公式1

角位移就可讓移動(dòng)游標(biāo)的位置，讓整個(gè)電視上面的操控，有如在電腦上面使用滑鼠一樣方便，使用起來更像是在智慧手機(jī)或平板上面使用觸控一樣。

但由于陀螺儀的輸出在為微小變化時(shí)還是有反應(yīng)。為減少因?yàn)槭侄秳?dòng)造成的微小的變化，須要透過一個(gè)低通濾波器來解決，此濾波器一般采用卡爾曼濾波器(Kalman Filter)；卡爾曼濾波器是最優(yōu)化自回歸資料處理演算法，也是線性濾波與預(yù)測問題的方法。

另一方面，加速度計(jì)可校正遙控器因手勢(shì)角度所導(dǎo)致的偏差。有時(shí)手持遙控器不可能完全百分百的平放，一定會(huì)有些許角度，這角度會(huì)導(dǎo)致陀螺儀輸出的數(shù)據(jù)會(huì)有偏差，可透過加速度計(jì)來修正因?yàn)榻嵌人斐傻钠睢?br>
加速計(jì)可感測到物體因地心引力的加速度(圖2)，且計(jì)算出傾斜角度后，可由此角度去修正陀螺儀所計(jì)算出來的角位移，物體的傾斜角度計(jì)算如公式2所示。


圖2    加速計(jì)可感測到物體因地心引力的加速度





.....公式2

地磁感應(yīng)器，主要是透過檢測地球本身南北極產(chǎn)生的磁場來檢測物體面向的方位。感應(yīng)器就類似一個(gè)簡單的指南針，可透過偵測到兩軸間磁力多寡來計(jì)算目前物體面向的方向，計(jì)算公式如公式3。





.....公式3

此外，由于物體的傾斜角度也會(huì)影響到水平兩軸的磁力，所以在計(jì)算時(shí)必須也將物體的傾斜角度也考慮進(jìn)去，此時(shí)就需要加速度計(jì)所計(jì)算得到的傾斜角度來協(xié)助運(yùn)算。

MEMS體感可偵測手勢(shì)的變化，取代原先的按鍵動(dòng)作，讓使用者在操控電視有如使用滑鼠控制電腦，或者類似使用手指控制平板一樣的簡單方便又直覺。

此外，體感也讓電視遙控器不再只有簡單的控制功能，可創(chuàng)造更多應(yīng)用，如當(dāng)成游樂器的體感式搖桿，讓智慧電視在娛樂應(yīng)用上可發(fā)揮更佳的操控性。
采用高效能音訊解碼器　遙控器語音識(shí)別能力提升
雖然在一般遙控器上語音功能很少見，但在目前智慧型手機(jī)卻是相當(dāng)方便的功能。iPhone的語音秘書、Android的語音辨識(shí)，以及Google瀏覽器在電腦也推出語音識(shí)別的應(yīng)用程式介面(API)，讓語音在簡化控制上面具舉足輕重的地位。此外，語音通訊也慢慢被整合到智慧電視內(nèi)。

要做到語音識(shí)別，需要的是較高解析度的語音訊號(hào)，透過音訊解碼器(Audio Codec)可將類比語音訊號(hào)轉(zhuǎn)換為高品質(zhì)的數(shù)位訊號(hào)。

然而，由于遙控器要做無線傳輸，在無線頻寬有限的情況下，因此盡量壓縮數(shù)位語音訊號(hào)是必要的。

未壓縮的語音訊號(hào)在8k、16位元(bit)取樣率下，每秒變相記憶體(PCM)資料量是128kbit/s，采用簡易的ADPCM壓縮可以減少資料量到四分之一，也就縮少資料量到32kbit/s，因而可保留語音訊號(hào)的品質(zhì)。

語音除在通訊上使用外，也可用在語音識(shí)別的語音命令或是輸入上，而語音辨識(shí)需要比語音通訊更好的語音品質(zhì)，才可提高辨識(shí)率。

由于電視增加連網(wǎng)功能，網(wǎng)路上的資訊太過多元，必須透過搜尋的方式減少資訊量，相對(duì)地輸入變得非常重要。透過云端的語音識(shí)別功能，可減少遙控器上與電視機(jī)上的語音識(shí)別運(yùn)算負(fù)擔(dān)，不僅能降低遙控器上所需要的硬體成本，也可增加語音辨識(shí)成功度。

Google已推出相對(duì)應(yīng)的語音識(shí)別引擎API(Web Speech API)，并提供多國語言版本，不管是中文、英文、日語和韓文都可輕松輸入所要搜尋的字串，不須再動(dòng)到密密麻麻的鍵盤，也讓眼睛不好的銀發(fā)族用起來更方便。

兼具3D/無線話機(jī)功能　無線RF遙控器使用更便利

以上網(wǎng)游戲與多媒體操控而言，簡單的紅外線遙控器因有指向性的問題，所以玩游戲非常地不順手，在操控多媒體上也不比在iPad、iPhone或智慧型手機(jī)上使用來得直覺；再加上選單一多，使用者操作紅外線遙控器相對(duì)是一種折磨。[!--empirenews.page--]

無線射頻(RF)遙控器可解決這些惱人的操控問題，此遙控器具有三維(3D)滑鼠與無線話機(jī)功能。3D滑鼠功能讓使用者可很簡易地去控制電視上面的介面，如同手指控制智慧型手機(jī)或平板電腦一樣簡單；而無線話機(jī)的功能，可讓使用者在沙發(fā)上舒服的使用智慧電視上面的網(wǎng)路電話功能。

無線RF遙控器方案使用省電的微控制器(MCU)來延長遙控器的電池壽命，并運(yùn)用安謀國際(ARM)Cortex-M0的快速運(yùn)算來達(dá)到即時(shí)處理的目的(圖3)。低耗電是遙控器最重要的一個(gè)特性，待機(jī)低耗電更是遙控器不可避免的。整機(jī)的待機(jī)耗電在2微安培(μA)，使用一般四號(hào)電池兩顆電容量1,250毫安培(mA)/h，待機(jī)時(shí)間可以長達(dá)434天。


圖3    無線RF遙控器系統(tǒng)簡易方塊圖
微控制器前端是透過2.4GHz無線頻段來傳遞3D滑鼠與語音等相關(guān)的資料，在3D滑鼠部分是使用三軸陀螺儀與三軸加速度計(jì)，配合快速的演算法來達(dá)到快速又順暢的滑鼠功能。為保有高品質(zhì)的語音訊號(hào)，透過單音的音訊解碼器將聲音轉(zhuǎn)換為數(shù)位訊號(hào)。采用16k取樣率與16位元資料，雖然經(jīng)過壓縮，但因?yàn)橛斜容^高的取樣率與位元解析度。所以使用在語音辨識(shí)上面也可得到很高的辨識(shí)度。

RF使用的是一般通用型的2.4GHz頻段，因?yàn)槭褂玫念l率與無線區(qū)域網(wǎng)路(Wi-Fi)、藍(lán)牙(Bluetooth)一樣，為避免干擾的問題，必須要控制RF在數(shù)個(gè)頻率之間快速的跳動(dòng)，可確保語音資料能順利地傳達(dá)，也因?yàn)檎Z音經(jīng)過壓縮讓資料量減少，讓RF所需要乘載的資料量減少很多，如此一來就可讓傳輸失敗時(shí)有更多的時(shí)間能重新傳遞。

為保有原有的紅外線控制，在此也將紅外線控制一并考慮進(jìn)去，使用簡單的紅外線發(fā)射器達(dá)到學(xué)習(xí)的功能；如此一來，家中的電視、機(jī)上盒(STB)及音響設(shè)備的控制器均可在學(xué)習(xí)后，由單支遙控器負(fù)責(zé)所有裝置的操作功能，不再需要個(gè)別的控制器。

智慧聯(lián)網(wǎng)電視發(fā)展迅速，功能愈發(fā)強(qiáng)大，與手機(jī)、平板之間的連系越來越緊密，遙控器功能日益重要，未來遙控器將是智慧電視中不可或缺的一部分。而遙控器功能因?yàn)橹腔垭娨暪δ艿脑鲞M(jìn)，也須更進(jìn)一步的提供更多、更舒適的使用方法。

在育、教、娛、樂這些領(lǐng)域上，智慧遙控器使用MEMS體感與語音傳輸，可讓智慧電視的所有功能發(fā)揮得更加透徹，也創(chuàng)造更舒適的居家生活環(huán)境，讓電視不再是單純的電視，讓游戲、通訊、互動(dòng)教育、網(wǎng)路和社群等智慧電視所擁有的功能更直覺地使用。

MEMS元件大量被使用在智慧型手機(jī)與平板電腦上，亦將帶動(dòng)MEMS元件的價(jià)格日漸降到合理價(jià)格，這也讓遙控器的整體價(jià)格降到可被接受的范圍內(nèi)。

目前Android機(jī)上盒、Android多媒體播放器與平板電腦使用高畫質(zhì)多媒體介面(HDMI)連接傳統(tǒng)電視，也需要一個(gè)多功能遙控器，來控制電視旁的機(jī)上盒或平板。因此，MEMS體感遙控器未來將處處可看到它的存在。

(本文作者為新唐微控制器產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)經(jīng)理)