关于AR设备人机接口分析与研究

时代周刊和ABI研究机构称AR是技术的未来，为什么？因为它是数字化与物理世界相互‘碰撞’的纽带，而且会改变一些行业的规则，涉及制造业、能源行业以及医疗保健等。AR这个概念已经存在很多年了，它能够在真实世界的物体上叠加文字和图像，这吸引了无数业余爱好者以及技术发烧友。然而在2016年手机游戏“口袋妖怪（Pokémon Go）”将AR推向了主流，同时向全世界展示了AR设备如何将自己扩展为未来各行业工作人员的一种工具。

AR设备的设计面临诸多硬件挑战，本文展示了AR如何改变像建筑工地、工厂车间等场景的环境，并且探索在设计可行AR产品过程中克服挑战的方法。

21世纪的行业工作者

通过将数字信息叠加到物理实体上赋予行业从业者和工作场景更多的灵活性，这个想法非常的大胆，并且正在为许多行业带来革命性的变化。

举个例子，AR有可能会重振制造业，通过将工人与设备进行连接，使得他们能够与传感器数据进行交互，这会带来工作人员操作准则或标准的自动化，并且能够实时查看具体的操作内容（图1）。

图1：AR能够将数字信息叠加到实际物理对象上，它能够变革工业的工作场所。（来源：Intel）

举个例子，工厂内的工人按照说明一步一步的组装产品或者工业设计者采用AR来一点一点儿的展示比较新旧产品，这样就不需要在设计和生产仅供显示用的且昂贵的设备原型了。其他例子包括现场人员修复设备时在玻璃屏幕上提供标记、信息和图表等，从而可以从远程工程师那里获得帮助。技术员可以使用AR可穿戴设备来管理泵站操作而无需前往电脑控制台。AR技术甚至可以让新员工或者DIY爱好者使用AR叠加的说明信息来逐步的识别问题并且修复。现代汽车公司在2015年为车主推出了AR手册，这款APP可以在智能手机和平板电脑上使用，允许车主扫描他们汽车的任何部位，并借助3D覆盖图像和指导视频来进行修复。这只是少数的几种方式，为现场员工提供技术支持同时减轻了中心办公室专家们的工作压力。

设计人机接口

AR采用的人机接口（HMI）需要将原理图和音频叠加到实际物体上，这样才能完成一些任务，比如运动跟踪、模式识别和数据可视化等。AR硬件（包括摄像头、传感器、显示器和连接器）正在迅速的自我完善，它采用的人机接口能够服务于各种工业应用。

设计AR接口面临一些独特的挑战，首先APIs和App生态系统仍然在不断的发展，头戴内的有限视野、耳机以及显示器等在硬件选择方面也提出了独特的挑战。

• 显示器需要更薄、更轻，这样才能满足工业设计的要求（图2）
• 电源传输必须高效从而防止数据过载设备故障
• 摄像机、传感器和显示器等组件必须能够做到以近乎零延迟来适应超高速的图形和视频流

图2：AR设备比如DAQRI公司推出的智能眼镜需要更薄更轻的组件才能满足工业设计的要求（来源：DAQRI）

AR设备连接器的一些独特要求

连接器在AR硬件设计中尤其的重要，通常它们需要是紧凑、轻薄、反应快速的，AR设计需要连接器的小型化，从而可以取代受限于引脚数量笨重的互连解决方案。这些连接器应该足够的可靠，确保信号的完整性同时服务那些高速数据链接的AR应用。

此外AR设计中的连接器需要满足不断增长的数据传输需求以及增加的端口密度，它们应该能够提供多种协议支持从而实现多种技术应用。Molex公司推出的Nano-Pitch I/O互连系统拥有增强的数据速度和信号完整性，并且外形设计日益紧凑，此外它还提供了针对高速应用而优化的灵活管脚分配，同时在一定的线缆长度内最大化高速数据传输通道。这些连接器的尺寸为5mm x 23mm x 9mm，连接器与线缆连接处设计了12mm的高度，用于直角线缆的引出（图3），这使得它们足够适合AR设备比如头戴耳机和智能眼镜等。

图3：连接器的小型化对于日益复杂的电路封装和超小型AR设计至关重要（来源：Molex）

高度紧凑的AR设备还要求连接器提供高速连接信号线最优的布局布线，从而实现PCB尺寸的最小化，Molex公司推出的Nano-Pitch I/O连接器从PCB垂直和水平方向的配置上确保了设计的灵活性。

电源连机器也需要足够的强大，为视频子系统（比如立体摄像机）提供电源支持。小尺寸的电源连接器通常面临在暴露在外面的端子和完全隔离的端子之前的选择，前者因为暴露在外面容易损坏，后者则会占用太多的空间。

Molex公司推出的Nano-Fit电源连接器解决了这一设计难题，采用的是完全隔离的端子同时保持封装管脚间距保持在2.5mm，此外为了在集成有多个相同电路尺寸端子的PCB上实现简单化的组装，这些连接器提供多种选择从而保证正确的匹配以及TPA（端子位置保证）要求，这样也就消除了端子可能掉落的风险。

总结

研究机构ABI预计在2018年企业级的AR应用会迎来一个拐点，AR设计师们正在迅速的克服硬件上的挑战，整体技术的进展可能比很多业内观察家们认为的要快得多。AR设备的设计有很多硬件方面要考虑，尤其是连接器。“口袋妖怪（Pokémon Go）”向世界展示了AR如何吸引我们，现在需要我们为其他行业创造AR设备并将AR的潜力进一步发展壮大。