如何在開發引人入勝的元宇宙使用者介面時克服相關挑戰

結合擴增實境 (AR)、虛擬實境 (VR) 和延展實境 (XR) 的元宇宙正在各種消費性、醫療、工業 4.0 和其他應用中迅速崛起。這也讓設計界面臨挑戰，那就是該如何識別和應用技術，以便帶來盡可能順暢且沉浸的使用者體驗。舉例而言，就需要像是 3D 感測這樣的技術來瞭解周圍環境以及使用者在該環境中的位置和運動。其他技術則包括使用者簡便的人機介面 (HMI)，如手部追蹤、手勢識別和高傳真音訊。

讓我們花點時間回顧一下，在開發引人入勝的沉浸式使用者體驗時要克服的一些挑戰，包括對即時效能、緊湊外形和電源效率的需求。然後，我們將提供來自 Analog Devices 的一些範例解決方案，包括可支援使用者在元宇宙中與 AR、VR 和 XR 裝置互動的三維 (3D) 感測器，可提供高品質音訊的小巧高效 D 類音訊放大器，以及可加快開發過程的評估板。

房間內有什麼？

高解析度垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL) 成像儀可搭配飛行時間 (ToF) 軟體一起使用，以便偵測、測量和追蹤房間內的物體。您需要一台具有 VGA 解析度的成像儀、可在各種照明條件下運作的能力、可提升準確度的多種距離偵測模式，以及適當的 3D 軟體和分析演算法。這些成像儀需要每秒 30 fps 的幀率和比 2% 更優秀的距離測量準確度 (圖 1)。

圖 1：可使用 VGA 解析度的 VCSEL 型成像儀來追蹤人員和物體。(圖片來源：Analog Devices，透過 OnElectronTech.com 取得)

手勢辨識 HMI

透過軟體變更，或許可使用同樣的 VCSEL 成像儀來進行手勢辨識，但其必須具有類似的操作模式，可擷取介於 25 至 80 cm 之間的手部動作，並且具有快速的即時處理器。大多數人透過觸控螢幕就已經算是在使用某種手勢辨識。可以開發客製化的手勢辨識介面，以支援工業維護、醫療程序和電玩環境等應用。

運動測量

在某些情況下，必須測量相對運動，例如使用者觀看的方向、是否移動頭部，或是否朝特定方向行走。有鑑於此，可以搭配使用具有六自由度 (DoF) 的小型微機電系統 (MEMS) 慣性測量單元 (IMU)、陀螺儀和加速度計，以了解使用者的旋轉運動和加速度 (圖 2)。

圖 2：陀螺儀 (左) 和加速度計 (右) 一起使用可以提供有關運動和位置的資訊。(圖片來源：Analog Devices)

MEMS 加速度計可以針對沿著相同三個正交軸 (定義陀螺儀的旋轉軸) 的動態和靜態 (對重力的反應) 加速度進行測量，進而增強運動資訊。

高效且沉浸式的音訊

高品質的音訊對於達到引人入勝且身臨其境的 HMI 相當重要，因為可提供必要的情境資訊與回饋，且在大多數情況下，更要具備高能源效率。為此，您可以轉用最新的 D 類放大器技術，可提供高效率的 AB 類音訊品質，並符合 EN55022B 的電磁干擾 (EMI) 規定。

攝影機模組套件

AD-FXTOF1-EBZ 可提供 3D ToF深度感知用的硬體平臺，以便進行物體偵測和手勢辨識。此解決方案具有 VGA 解析度和 30 fps 的幀率。可以在強烈的環境光下工作，偵測距離介於 25 至 80 cm，且在 30 至 300 cm 下可達到比 2% 更優秀的準確度 (圖 3)。

圖 3：AD-FXTOF1-EBZ 攝影機模組具有 VGA 解析度和 30 fps 的幀率；可提供 3D ToF 深度感知硬體平台，以便進行物體偵測和手勢辨識。(圖片來源：Analog Devices)

若搭配處理器板使用，AD-FXTOF1-EBCZ 可用於 3D 軟體和演算法開發。有提供原生式的主機型軟體開發套件 (SDK)，其中含有 OpenCV、Python、MATLAB、Open3D 和 RoS 包裝函式，可簡化應用程式開發。

IMU 和開發板

當需要感測方向和運動，可轉用 ADIS16500AMLZ 精密型 MEMS IMU。其中含有一個 ±2000 dps 陀螺儀、一個 ±40 g 加速度計，以及發揮最佳效能所需的訊號調整。每個感測器在出廠時都使用動態補償公式進行完整校準，以確保在各種條件下運作。

您可以使用 ADIS16500/PCBZ 分接板來加快 IMU 應用的開發 (圖 4)。此板件含有 IMU 和一個 16 引腳排針座，可配接 2 mm 帶狀纜線。纜線最長可達 20 cm，以連接到系統開發板。

圖 4：ADIS16500/PCBZ 分接板可用於 ADIS16500AMLZ 精密型 MEMS IMU，有助於應用開發。(圖片來源：Analog Devices)

音效解決方案

MAX98304EWL+T 是一款單聲道 3.2 W、效率為 93% 的 D 類放大器，採用 1 x 1 mm 封裝，可有效提供 AB 類音訊效能。此放大器採用展頻調變和主動式輻射限制邊緣率控制電路，因此無需外部濾波器或屏蔽，就可符合 EN55022B 的 EMI 限制。

相關的 MAX98304EVKIT+ 評估套件可提供完全經過組裝和測試的電路板，可搭配差動或單端輸入使用，可為 4 Ω 負載提供 3.2 W 功率。

結論

目前已經有眾多元件、評估平台和開發套件，可加快開發適合元宇宙的緊湊、高效且引人入勝的 HMI。其中包括用於情境感知和手勢辨識的 VCSEL 型攝影機、運動感知的 IMU 模組，以及支援高效音訊的 D 類放大器。