資策會MIC資深產(chǎn)業(yè)分析師陳賜賢

3D空間物體量測技術(shù)可以用來偵測及分析待測物體形狀、外觀及距離，量測過程中搜集到的影像數(shù)據(jù)資料可以在電腦虛擬環(huán)境中建立物體3D空間數(shù)位模型，這些數(shù)位模型具有相當(dāng)廣泛的商業(yè)用途，像是微軟(Microsoft)推出的Kinect人機(jī)互動電玩游戲裝置就是3D空間物體量測技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例。

一般而言，3D空間物體量測是將光線投射到待測物體，并藉由光線的反射計算出物體在3D空間的距離，由于量測到的數(shù)據(jù)資料包含深度訊息，因此，常以深度影像(Depth Image)稱之。

透過深度影像與二維影像(2D Image)的結(jié)合，便能夠獲得二維影像中每一畫素(Pixel)的深度訊息，并將二維影像轉(zhuǎn)為3D影像，若持續(xù)對某特定場景進(jìn)行物體量測，就能夠辨識出物體在3D空間中的縱深運(yùn)動軌跡。

捕捉物體深度影像的方法有許多種，若依據(jù)物體材質(zhì)、辨識環(huán)境、辨識精密度等不同條件，基本上可區(qū)分為接觸式(Contact)與非接觸式(Non-contact)兩種方法。

接觸式方法指的是透過實(shí)際接觸而量測出物體深度影像，非接觸式方法則是透過音波(Sound Wave)、微波(Microwave)或光學(xué)(Optics)進(jìn)行物體深度影像量測，產(chǎn)業(yè)界近期研發(fā)重點(diǎn)以非接觸式方法為主。

3D手勢感應(yīng)控制(3D Gesture Sensing Control)屬于非接觸式物體深度影像量測方法，若依據(jù)量測技術(shù)之不同，3D手勢感應(yīng)控制又可區(qū)分為三大技術(shù)類型，包括結(jié)構(gòu)光掃描(Structured Light Scanning)、時差測距(Time-of-Flight, ToF)與三角測距(Triangulation)(圖1)，以下將就各技術(shù)優(yōu)劣進(jìn)行分析比較。

資料來源：資策會MIC

圖1　3D手勢感應(yīng)控制技術(shù)類型

精細(xì)度高/成本低　結(jié)構(gòu)光適用智慧電視

結(jié)構(gòu)光指的是具有特定形狀模式的光線，像是線條狀、平面狀、網(wǎng)格狀等，結(jié)構(gòu)光掃描的基本原理是將結(jié)構(gòu)光投射到待測物體表面，并用攝影機(jī)擷取受物體表面影響的變形結(jié)構(gòu)光圖像訊息，包括物體的距離、物體表面形狀變化、物體間隙等。

微軟推出的第一代Kinect人機(jī)互動電玩游戲裝置就是采用結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，使用紅外線、結(jié)構(gòu)光圖案繞射元件及紅外線互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)影像感測器等構(gòu)件進(jìn)行深度影像捕捉，并透過影像處理器將深度影像運(yùn)算成3D深度圖像，并進(jìn)行3D手勢感應(yīng)控制圖像辨識及動作指令轉(zhuǎn)換。

值得一提的是，結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)是可以處理大量掃描活動、掃描速度快、精細(xì)度相對較高、成本相對較低。另一方面，結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)主要缺點(diǎn)是較易受環(huán)境光源干擾，因此，結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)相對較適合在室內(nèi)運(yùn)用。

結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)較佳的偵測距離為1.8～3.5公尺，因此，目前結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)較合適的應(yīng)用產(chǎn)品為智慧電視，而或許這也是蘋果(Apple)會以3.6億美元并購PrimeSense的主要策略意圖，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)打造具備3D手勢感應(yīng)控制性能的Apple TV，其后續(xù)發(fā)展值得關(guān)注。

量測速度快　時差測距稱霸游戲應(yīng)用

使用時差測距技術(shù)進(jìn)行3D空間物體量測，首先，對待測物體發(fā)射光線，其次，計算該光線到達(dá)待測物體表面后反射回來的時間差，由于光速為已知條件，因此透過時間差的偵測數(shù)據(jù)可以計算出待測物體的距離。

以色列廠商3DV Systems開發(fā)的ZCam就是采用時差測距技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，使用紅外線及加速度計(Accelerometer)對待測物體進(jìn)行3D空間相對位置變化感測，進(jìn)而建構(gòu)待測物體深度影像數(shù)據(jù)資料。另外，值得一提的是，2013年11月微軟發(fā)表的第二代Kinect人機(jī)互動電玩游戲裝置則轉(zhuǎn)而改采布局已久的時差測距技術(shù)。

時差測距技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)系量測速度非?？?、物體量測演算法相對簡單、較不易受環(huán)境光源干擾，但缺點(diǎn)為辨識度易受待測物體表面特性影響、成本相對高、精細(xì)度相對低。

時差測距技術(shù)的偵測距離為超過0.3公尺即可運(yùn)作，因此，就目前時差測距技術(shù)應(yīng)用在消費(fèi)性資通訊產(chǎn)品上，判斷其應(yīng)用范圍較廣，可含括平板電腦、筆記型電腦、智慧電視機(jī)甚至智慧型手機(jī)。

值得一提的是，相較于結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)，時差測距技術(shù)具有量測速度非?？斓膬?yōu)勢，因?yàn)橹挥袎蚩斓牧繙y速度才能夠符合電玩游戲裝置與智慧行動裝置人機(jī)介面訴求的直覺且流暢的人機(jī)互動操控體驗(yàn)感受，而這或許也是微軟透過并購Canesta與3DV Systems這兩家擁有時差測距關(guān)鍵技術(shù)與專利權(quán)廠商最主要的目的。

不受環(huán)境光干擾　三角測距實(shí)現(xiàn)AR應(yīng)用

使用三角測距技術(shù)進(jìn)行3D空間物體量測，首先須對待測物體發(fā)射雷射光線，接著攝影機(jī)搜尋座落于待測物體上的雷射光點(diǎn)，隨著待測物體與量測裝置之間的距離差異，雷射光點(diǎn)座落在攝影機(jī)影像感測元件上的位置也會不同。

由于雷射光線發(fā)射機(jī)與攝影機(jī)間的距離及雷射光線發(fā)射角度皆為已知，因此，可以透過雷射光點(diǎn)座落于攝影機(jī)影像感測元件上的位置計算出待測物體與量測裝置之間的距離。

索尼(Sony)推出的PlayStation 4電玩游戲裝置配備的雙眼相機(jī)(PlayStation 4 Eye Camera)就是采用三角測距技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例，使用者可藉由PlayStation 4的雙眼相機(jī)及游戲控制手把(DualShock 4)上的發(fā)光二極體(LED)燈追蹤控制手把位置及辨識使用者手勢或是身體動作變化，進(jìn)行像是擴(kuò)增實(shí)境(Augmented Reality, AR)電玩游戲裝置互動體驗(yàn)感受。

值得一提的是，三角測距技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn)為較不易受環(huán)境光源干擾、成本相對較低。三角測距主要缺點(diǎn)為量測速度較慢、精細(xì)度相對較低、量測距離較短，因此，三角測距技術(shù)并不適用遠(yuǎn)距離測量。[!--empirenews.page--]

另一方面，由于三角測距量測速度較慢，且感應(yīng)裝置微型化后明顯減低影像感測精細(xì)度。因此，三角測距技術(shù)相較于結(jié)構(gòu)光掃描技術(shù)與時差測距技術(shù)在消費(fèi)性產(chǎn)品市場發(fā)展?jié)摿ο鄬^弱。

看好3D感測發(fā)展后勢　大廠展開并購布局

2013年11月蘋果以3.6億美元并購3D手勢感應(yīng)控制技術(shù)重要廠商PrimeSense，此項并購消息的競爭策略意涵是，蘋果相關(guān)產(chǎn)品在人機(jī)介面(User Interface)設(shè)計上，將從多點(diǎn)觸控(Multi-Touch Control)進(jìn)展到3D手勢感應(yīng)控制(3D Gesture Sensing Control)。

從手指碰觸控制到手勢感應(yīng)控制的人機(jī)介面設(shè)計趨勢不容小覷，因?yàn)楫?dāng)蘋果積極采用3D手勢感應(yīng)控制技術(shù)重新打造Apple TV、iPad、iPhone，帶動作業(yè)系統(tǒng)、硬體與人機(jī)介面最佳化設(shè)計風(fēng)潮，并促使App Store軟體開發(fā)商開發(fā)出更合適、更有趣的3D手勢感應(yīng)控制性能相關(guān)軟體與應(yīng)用程式(App)，此發(fā)展趨勢很有可能進(jìn)一步對電視、平板電腦、手機(jī)市場帶來新一波競爭沖擊。

由于3D手勢感應(yīng)控制可以帶給使用者更直覺、更流暢的人機(jī)互動操控體驗(yàn)感受，因此，近年來已成為資通訊領(lǐng)域大廠積極布局的新興科技。

除蘋果并購PrimeSense外，其他資通訊領(lǐng)域大廠也不遑多讓，近年來也透過并購方式積極布局3D手勢感應(yīng)控制相關(guān)技術(shù)，包括微軟并購Canesta、3DV Systems，英特爾(Intel)并購Omek，Google并購Flutter。另外，晶片大廠安謀國際(ARM)與EyeSight計劃合作將3D手勢感應(yīng)控制功能導(dǎo)入智慧型手機(jī)，三星(Samsung)則開始在智慧電視中導(dǎo)入手勢感應(yīng)操控功能訴求更直覺、更流暢的人機(jī)互動操控體驗(yàn)感受。

科技業(yè)者后續(xù)應(yīng)密切觀察指標(biāo)性大廠，像是蘋果、Google、英特爾、微軟、索尼、三星等，近期在3D手勢感應(yīng)控制技術(shù)實(shí)際商品化推展態(tài)度及市場銷售實(shí)績，做為投入產(chǎn)品開發(fā)、市場產(chǎn)銷或加入供應(yīng)鏈體系的重要觀測指標(biāo)。