如何克服为虚拟实境开发吸引人的用户界面所面临的挑战

由增强现实 (AR)、虚拟现实 (VR) 和扩展现实 (XR) 组成的虚拟实境在各种消费、医疗、工业 4.0 和其他应用中迅速兴起。设计界面临的挑战是，如何识别和应用能让用户体验尽可能无缝和身临其境的技术。例如，需要 3D 传感等技术来了解周围环境以及用户在该环境中的位置和移动情况。其他技术包括手部跟踪、手势识别和高保真音频等用户友好型人机界面 (HMI)。

让我们花一点时间回顾一下在开发引人入胜、身临其境的用户体验时，需要克服的一些挑战，包括对实时性能、紧凑外形和能效的需求。然后，我们将列出来自 Analog Devices 的一些示例解决方案，包括可支持用户与虚拟实境中的 AR、VR 和 XR 设备进行交互的三维 (3D) 传感器、用于高品质音频的紧凑型高能效 D 类音频放大器，以及可加快开发过程的评估板。

房间里有什么？

高分辨率垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 成像仪可配合使用飞行时间（ToF）软件，用于探测、测量和跟踪房间内的物体。您需要一台具有 VGA 分辨率的成像仪，在各种照明条件下运行能力，用于提高精确度的具有多范围检测模式，以及适当的 3D 软件和分析算法。这些成像仪需要每秒 30 fps 的帧频和优于 2% 的距离测量精度（图 1）。

图 1：使用具有 VGA 分辨率、基于 VCSEL 的成像仪可以跟踪人和物体。（图片来源：Analog Devices，通过 OnElectronTech.com）

手势识别 HMI

通过更改软件，如果 VCSEL 相机具有可捕捉 25 cm 至 80 cm 之间手部动作的近距离操作模式和快速实时处理器，您就可以使用相同的 VCSEL 相机进行手势识别。大多数人已经在使用某种形式的触摸屏手势识别。可以开发定制手势识别界面，以支持工业维护、医疗程序和游戏环境等应用。

测量动作

在某些情况下，必须测量相对运动，如用户的观察方向、是否存在头部移动或向特定方向行走。为此，可结合使用具有六个自由度 (DoF) 的微型微机电系统 (MEMS) 惯性测量装置 (IMU)、陀螺仪和加速计，以了解用户的旋转运动和加速度（图 2）。

图 2：陀螺仪（左）和加速计（右）配合使用可提供有关运动和位置的信息。（图片来源：Analog Devices）

MEMS 加速计可以沿着定义陀螺仪旋转轴的三个正交轴测量动态和静态加速度（对重力的响应），从而进一步增强运动信息。

身临其境的高效音频

要提供引人入胜、身临其境的人机界面所需的上下文和反馈，必不可少的是高质量音频，而且在大多数情况下，音频必须具有很高的能效。为此，您可以采用最新的 D 类放大器技术，它能以高能效提供 AB 类音频质量，并符合 EN55022B 电磁干扰 (EMI) 标准。

摄像头模块套件

AD-FXTOF1-EBZ 可为用于物体检测和手势识别的 3D ToF 深度感知提供硬件平台。该解决方案具有 VGA 分辨率和 30 fps 的帧速率。它可以在强环境光下工作，检测范围为 25 cm 至 80 cm 和 30 cm 至 300 cm，且精度优于 2%（图 3）。

图 3：AD-FXTOF1-EBZ 摄像头模块具有 VGA 分辨率和 30 fps 帧速率；可为用于物体检测和手势识别的 3D ToF 深度感知提供硬件平台。（图片来源：Analog Devices）

将 AD-FXTOF1-EBCZ 与处理器板配合使用，可用于 3D 软件和算法开发。提供本地和主机软件开发工具包 (SDK)，具体包括 OpenCV、Python、MATLAB、Open3D 和 RoS 软件包，可简化应用开发。

IMU 和开发板

当您需要感知方向和运动时，可以使用 ADIS16500AMLZ 精密 MEMS IMU。它包括一个 ±2000 dps 陀螺仪、一个 ±40 g 加速计以及实现最佳性能所需的信号调节。每个传感器在出厂时均使用动态补偿公式进行了全面校准，以确保能在各种条件下工作。

您可以使用 ADIS16500/PCBZ 分线板加速 IMU 应用开发（图 4）。该电路板包括 IMU 和一个 16 引脚接头，可连接 2 mm 带状电缆。电缆最长可达 20 cm，可连接系统开发板。

图 4：用于 ADIS16500AMLZ 精密 MEMS IMU 的 ADIS16500/PCBZ 分线板有助于应用开发。（图片来源：Analog Devices）

声音解决方案

MAX98304EWL+T 是一款单声道、3.2 W、93% 能效的 D 类放大器，采用 1 x 1 mm 封装，可有效提供 AB 类音频性能。该放大器采用扩频调制和有源发射来抑制边缘变化率控制电路，无需外部滤波器或屏蔽，即可满足 EN55022B 的 EMI 抑制要求。

相关的 MAX98304EVKIT+ 评估套件提供了一块经过全面组装和测试的电路板，可与差分或单端输入配合使用，并能在 4 Ω 负载下输出 3.2 W 功率。

结束语

各种组件、评估平台和开发套件可加快开发紧凑、高能效和吸引人的虚拟实境人机界面。这些组件包括用于情景感知和手势识别的基于 VCSEL 的摄像头、用于运动感知的 IMU 模块以及支持高能效音频的 D 类放大器。