揭秘能让你隔空操作的谷歌黑科技

　　智能手机盛行的时代，触控成了主流的人机交互方式。不过对于智能手表以及VR设备，触控显然不是理想的交互方式。那么，谷歌提出的想要彻底改变人机互动方式的手势控制Soli到底是什么黑科技？

　　Google Project Soli亮相

　　在Google I/O 2015大会上，以一个敏捷团队为核心，向外与各大院校与各行各业的企业与研究所建立合作的方式运作，进行各种跨界研究的谷歌ATAP团队分享了其在人机交互方面的最新进展，包括Project Soli与Project Jacquard。

　　Project Soli是基于无线电波反射建立的交互体系。5mm波长的无线电波有能力捕捉到5m空间范围以内的精细动作。然而这其中的技术挑战在于，目前市面上的无线电波发射器都太大了。Project Soli的目标是将无线电波发射器+接收器做到手表上，在四分之一硬币尺寸的芯片里集成无线电波发射天线与接收天线。

　　Project Soli研发出一块只有手指甲一样大的芯片，可以装嵌在不同类型的电子产品。透过芯片发射出来的雷达，可以准确探测出使用者的手部动作，特定的手势可以调较不同设置，如声量大小、放大缩小、甚至开关机等等。

　　Project Jacquard是一个将人机交互界面植入到纺织品（即衣物）当中的项目。衣物的年产量（百亿级）大约是智能手机（亿级）的百倍以上，是个极大的市场，但是存在如下的技术挑战：1、生产过程可融入纺织品的工厂制作流程中；2、电子电路和芯片不怕熨烫的高温、不怕洗衣机的水泡、不怕用户在穿戴过程中拉扯的破坏。

　　虽然Jacquard触摸纤维项目和Soli仍然还留在ATAP，但Soli至少有了一个新的宏大目标：打造配备雷达技术的消费电子设备产业和设计语言。

　　Project Soli进展

　　继2015年首度亮相之后，Project Soli 手势遥控概念今年有更进一步的演示了。Google I/O 2016大会上完全通过手势控制的智能手表和无线扬声器产品原型首次亮，智能手表是一台改装的 LG Urbane，可以感应你的手的远近，以及动作。离最远的时候是普通的时间显示表面，随着手指的靠近会出现愈来愈多的功能，而再远离的话表面就又回来了。

　　除了LG外，Soli团队也将这个技术做进了一个JBL的音响里，但这里它能「看」到的范围就大得多，可以判断整只手的手势，像是比「赞」的话，可以代表跳下一首曲子。

　　Soli 拥有 18，000 FPS 的雷达侦测更新率，可以「看」到相当细微的动作，甚至连轻轻撮手指都能侦侧到。谷歌ATAP技术项目负责人Ivan Poupyrev表示：“通过让移动和固定终端实现第三种交互方式，手势感应带来了彻底改变人机互动的新机遇。这样将能填补现有的空白，在触摸和语音控制交互的基础上增添一种便捷的备选交互方案。”

　　英飞凌与谷歌ATAP希望凭借“Solli”雷达技术满足包括家庭娱乐、移动终端和物联网（IoT）等在内的众多市场的需求。

　　英飞凌电源管理及多元化市场事业部总裁Urschitz表示：“我们的目标是创建新的市场标准，带来卓越性能与全新用户体验，从而打造实现增强现实和物联网的核心技术。”尽管虚拟现实技术已能为我们带来身临其境的感觉，但到目前为止，用户并不能与其互动。谷歌与英飞凌开发的60 GHz雷达应用可填补空白，作为实现增强现实的关键技术。

　　ATAP的目的不仅仅是证明这类产品在理论上的可能性，它与LG、高通、JBL等公司进行了合作，并向这些公司证明它们可以在市场上推出产品。

　　如何用雷达实现手势识别

　　雷达，英文Radar（Radio Detection And Ranging），利用发射“无线电磁波”得到反射波来探测目标物体的距离，角度，和瞬时速度。随着天线尺寸和芯片的极度缩小，在可预见的未来，更多的雷达设备将会以微型器件面世，如图所展示的那样，它们不仅能嵌入可穿戴设备，成为物联网的一类重要传感器。

　　图 传统的探测侦查雷达（左）以及Project Soli中用于手势识别的迷你雷达（右）

　　相比于其它隔空操作技术，比如体感相机、超声波等，雷达有着一些天然优势：比如无论白天黑夜，暴晒寒风，皆可正常工作；在体积、成本，以及功耗上都比Kinect等体感相机来得要更低；高频雷达测量物体距离通常可以精确到毫米级别；而低频雷达则可以做到“穿墙而过”，完全无视遮挡物的存在。这些特性让雷达，尤其是微型雷达，在未来都有着广阔的应用前景。

　　雷达的组成

　　一般雷达由发射器、接收器、发射／接收天线、信号处理单元，以及终端设备组成。发射器通过发射天线将经过调频或调幅的电磁波发射出去；部分电磁波触碰物体后被反射回接收器，这就好比声音碰到墙壁被反射回来一样；信号处理单元分析接受到的信号并从中提取有用的信息诸如物体的距离、角度，以及行进速度；这些结果最终被实时地显示在终端设备上。传统的军事雷达还常配有机械控制的旋转装置用以调整天线的朝向，而新型雷达则更多通过电子方式做调整。

　　为节省材料和空间，通常发射器和接收器可以共享同一个天线，方法是交替开关发射或接收器避免冲突。终端设备通常是一个可以显示物体位置的屏幕，但在迷你雷达的应用中更多是将雷达提取的物理信息作为输入信号传送给诸如手表或其它电子设备。信号处理单元才是雷达真正的创意和灵魂所在，主要利用数学物理分析以及计算机算法对雷达信号作过滤、筛选，并计算出物体的方位。在这基础之上，还可以利用前沿的机器学习算法对捕捉的信号作体感手势识别等等。

　　雷达实现手势识别

　　雷达的测距或者测速都把物体想像成一个抽象的点。而真实的物体如手掌则可以认为是一堆三维点的集合体。所以在反射波中已然蕴藏了许多个点的距离与速度信号。同时呈现这些信息的一个好方法叫做距离－多普勒映射（Range-Dopler Map），简称RDM（如图）。RDM中的横轴是速度，纵轴是距离。它可以认为是一张反射波的能量分布图或概率图，每一个单元的数值都代表了反射波从某个特定距离和特定速度的物体得到的反射波能量。仔细看的话，从RDM中已然可以窥见探测物体的特征身形！基于RDM及其时间序列， 我们可以采用机器学习的方法识别特定的能量模式变化，进而识别手势及动作。在Soli推出之前，Nvidia也做过类似的研究。

　　图 距离-多普勒（速度）映射的等高线表示示例 每一个单元值代表了反射波中具有对应距离和速度的点的集合的反射能量。该映射可以作为特征向量用于机器学习识别手势动作。

　　Project Soli面临的挑战及解决方法

　　Google 第一版的Soli技术邀请了60名开发者参与，开发者们也想出了各种奇特的应用，像是辨识材料、3D建模等，甚至是做进方向盘里，让你手不用离开方向盘，就可以控制娱乐系统。

　　不过第一版的 Soli 耗电量极为惊人，其实无法用在穿戴设备上，Project Soli技术负责人波普列夫（Ivan Poupyrev）说，“如果某种技术能整合在智能手表中，它就能整合到其他任何产品中。”ATAP重新设计了Soli芯片，进一步减小了其尺寸，降低了能耗，并多次对它进行优化。据Soli首席和硬件产品工程师哈基姆·拉贾（Hakim Raja）称，经过一年的的努力，Google和Infineon一起最终实现了芯片的最小化。它非常薄，4根天线能提供全双工通信，收发雷达信号，Soli的电耗由1.2W 降低到了0.054W，足有22倍之多。同时 Google也将程序优化了256x，让Snapdragon 400、Intel Atom 处理器等都能顺畅跑动。

　　把芯片做得如此小也有弊端。雷达的设计目标是探测在数英里及更远距离之外飞行的金属物体，而非数英寸之外、手指作出的幅度仅为数毫米的手势。就在不久前，人们还不需要担心这种水平的能耗，没有人考虑如此小的雷达芯片对信号的影响。

　　Soli首席研究员意识到把雷达提供的空间信号转化为能在计算机上处理的时间信号的意义。没有什么比如此小的芯片遭遇的噪声问题更棘手了，她的算法必须在众多噪声中找出需要的信号。对信号进行聚束是不可能的，通过芯片的每个信号都必须被捕获。换句话说，这是一项很复杂的任务。

　　与电子工艺相比，决定识别出用户手势后电子设备作出何种反应的机器学习算法就相对简单了，但它也绝对不是小儿科。对于配置触摸屏的设备，屏幕上会显示按钮和滑动条；对于有实体开关的设备，用户在拨动开关时能感觉到刻度。但是，如果什么也没有，如何引导用户进行操作呢？

　　波普利夫表示，“万物都有自己的界面？每个开关、智能洒水器或杯子都有自己的界面？这会引发混乱。”Soli的目标之一是开发一种既容易掌握、又足够灵活能控制许多功能的通用设计语言。

　　Soli首席机械工程师尼克·吉利安（Nick Gillian）介绍了团队已经敲定的基本手势。手势分为远处和近处两大类，在远处，用户可以使用的手势不多（用户可以挥舞手臂，与微软Kinect体感控制器相似）；用户靠近设备后，Soli能识别更细微的动作。

　　波普列夫表示，Soli的“设计语言借鉴了实体控制”。这些控制是捻（拇指在食指上捻，就像捻牙签玩一样）、响指（拇指拍打食指）、搓（拇指沿着食指滑动）。

　　Soli控制手势的优势是能提供两个级别的反馈：除能看到屏幕对手势的反应外，还能感觉到手指的动作。这听起来有些荒谬，但手指能相互触摸到也是一种“有形”的操作。

　　Project Soli的未来计划

　　首款Soli原型是LG Watch Urbane和JBL音箱，这两款产品近期内都不会上市销售。扬声器是靠空气振动发声的，因此要在其中集成一款能探测毫米级别运动的芯片，会有一些难题需要解决；智能手表仍然存在电源和交互问题需要解决。

　　谷歌称，它将于 2017 年发布测试版 Project Soli 开发者工具包，其中包括尺寸更小和能耗更低的 Project Soli 硬件，功耗只有之前的 1/22（54 毫瓦特），体积也只有最初模型的三分之一。随后，这个解决方案可以整合进更多的移动智能设备中。

　　对于 Project Soli 项目的未来，开发团队认为能做的有很多。

　　左侧为原型，右下角为最终版这项 ATAP 的项目，又是手势识别，又是雷达芯片，虽然可以更好的解决智能手表显示屏过小的问题，但是肯定不会只满足于用到智能手表上。就像团队说到的那样，他们希望 Soli 芯片可以出现在更多的地方，成为未来人机交互的一种新方式。开发团队认为，现在更多都在关注语音控制，但是人类进化出来的双手同样重要。