借力MEMS感测元件　电视遥控器增添体感功能

智慧电视的兴起，让遥控器被赋予更多人机操作的任务。其中，以微机电系统(MEMS)感测器所实现的体感遥控器，可侦测使用者手势的变化，实现比原本手指按键更简单直觉的控制，因而成为近期制造商积极导入的新功能。

在传统电视中遥控器是一个非常普通的配件，通常只须要开关机、选台及声音大小等简易功能。但是由于近来电视功能越来越丰富，已演进到具连网功能的智慧电视。因此电视功能不再是单纯观看电视而已，智慧电视还可上网观看网路影片、照片、新闻气象与社群网站等附加功能，相对地遥控器被赋予的角色就相对重要。

满足体感设计需求　MEMS抢进电视遥控器

近来由于微机电系统(MEMS)技术快速成长，使得操控人机介面的方式有很多创新的变化，由电视游乐器的摇杆可看出，MEMS在体感遥控器上扮演举足轻重的角色。早期的遥控器是很简单的按键，直到Wii的出现，体感遥控器让电视游乐器更有生命力。

所以MEMS体感遥控器让联网电视的遥控器更活泼，除体感遥控器取代传统按键外，语音功能也渐渐让控制电视的方式更多样化。此外，电视增加连网功能后亦具有语音通话功能，让电视机不只是娱乐功能，也增加通讯的功能，还可透过网路语音辨识的云端科技，让控制电视的方法更加人性化。

体感的MEMS包括陀螺仪、加速度计与地磁感应器，这三个元件分别有特殊功能与特性，彼此之间也有互补性，因此考虑到使用介面的状况会用到不同的感应器。联网电视通常比较常用到的是陀螺仪与加速度计，至于地磁感应器，就不一定需要，但如果要让遥控器更准确，就须要透过地磁感应器来做补偿。

陀螺仪是使用科士力(Coriolis Force)的原理去取得物体转动的角速度。所谓科士力原理，系对旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移(图1)。由陀螺仪取得遥控器的角速度，就可算出相对应的角位移，如公式1所示。


图1    陀螺仪透过科士力原理取得物理转动的角速度



.....公式1

角位移就可让移动游标的位置，让整个电视上面的操控，有如在电脑上面使用滑鼠一样方便，使用起来更像是在智慧手机或平板上面使用触控一样。

但由于陀螺仪的输出在为微小变化时还是有反应。为减少因为手抖动造成的微小的变化，须要透过一个低通滤波器来解决，此滤波器一般采用卡尔曼滤波器(Kalman Filter)；卡尔曼滤波器是最优化自回归资料处理演算法，也是线性滤波与预测问题的方法。

另一方面，加速度计可校正遥控器因手势角度所导致的偏差。有时手持遥控器不可能完全百分百的平放，一定会有些许角度，这角度会导致陀螺仪输出的数据会有偏差，可透过加速度计来修正因为角度所造成的偏差。

加速计可感测到物体因地心引力的加速度(图2)，且计算出倾斜角度后，可由此角度去修正陀螺仪所计算出来的角位移，物体的倾斜角度计算如公式2所示。


图2    加速计可感测到物体因地心引力的加速度





.....公式2

地磁感应器，主要是透过检测地球本身南北极产生的磁场来检测物体面向的方位。感应器就类似一个简单的指南针，可透过侦测到两轴间磁力多寡来计算目前物体面向的方向，计算公式如公式3。





.....公式3

此外，由于物体的倾斜角度也会影响到水平两轴的磁力，所以在计算时必须也将物体的倾斜角度也考虑进去，此时就需要加速度计所计算得到的倾斜角度来协助运算。

MEMS体感可侦测手势的变化，取代原先的按键动作，让使用者在操控电视有如使用滑鼠控制电脑，或者类似使用手指控制平板一样的简单方便又直觉。

此外，体感也让电视遥控器不再只有简单的控制功能，可创造更多应用，如当成游乐器的体感式摇杆，让智慧电视在娱乐应用上可发挥更佳的操控性。
采用高效能音讯解码器　遥控器语音识别能力提升
虽然在一般遥控器上语音功能很少见，但在目前智慧型手机却是相当方便的功能。iPhone的语音秘书、Android的语音辨识，以及Google浏览器在电脑也推出语音识别的应用程式介面(API)，让语音在简化控制上面具举足轻重的地位。此外，语音通讯也慢慢被整合到智慧电视内。

要做到语音识别，需要的是较高解析度的语音讯号，透过音讯解码器(Audio Codec)可将类比语音讯号转换为高品质的数位讯号。

然而，由于遥控器要做无线传输，在无线频宽有限的情况下，因此尽量压缩数位语音讯号是必要的。

未压缩的语音讯号在8k、16位元(bit)取样率下，每秒变相记忆体(PCM)资料量是128kbit/s，采用简易的ADPCM压缩可以减少资料量到四分之一，也就缩少资料量到32kbit/s，因而可保留语音讯号的品质。

语音除在通讯上使用外，也可用在语音识别的语音命令或是输入上，而语音辨识需要比语音通讯更好的语音品质，才可提高辨识率。

由于电视增加连网功能，网路上的资讯太过多元，必须透过搜寻的方式减少资讯量，相对地输入变得非常重要。透过云端的语音识别功能，可减少遥控器上与电视机上的语音识别运算负担，不仅能降低遥控器上所需要的硬体成本，也可增加语音辨识成功度。

Google已推出相对应的语音识别引擎API(Web Speech API)，并提供多国语言版本，不管是中文、英文、日语和韩文都可轻松输入所要搜寻的字串，不须再动到密密麻麻的键盘，也让眼睛不好的银发族用起来更方便。

兼具3D/无线话机功能　无线RF遥控器使用更便利

以上网游戏与多媒体操控而言，简单的红外线遥控器因有指向性的问题，所以玩游戏非常地不顺手，在操控多媒体上也不比在iPad、iPhone或智慧型手机上使用来得直觉；再加上选单一多，使用者操作红外线遥控器相对是一种折磨。[!--empirenews.page--]

无线射频(RF)遥控器可解决这些恼人的操控问题，此遥控器具有三维(3D)滑鼠与无线话机功能。3D滑鼠功能让使用者可很简易地去控制电视上面的介面，如同手指控制智慧型手机或平板电脑一样简单；而无线话机的功能，可让使用者在沙发上舒服的使用智慧电视上面的网路电话功能。

无线RF遥控器方案使用省电的微控制器(MCU)来延长遥控器的电池寿命，并运用安谋国际(ARM)Cortex-M0的快速运算来达到即时处理的目的(图3)。低耗电是遥控器最重要的一个特性，待机低耗电更是遥控器不可避免的。整机的待机耗电在2微安培(μA)，使用一般四号电池两颗电容量1,250毫安培(mA)/h，待机时间可以长达434天。


图3    无线RF遥控器系统简易方块图
微控制器前端是透过2.4GHz无线频段来传递3D滑鼠与语音等相关的资料，在3D滑鼠部分是使用三轴陀螺仪与三轴加速度计，配合快速的演算法来达到快速又顺畅的滑鼠功能。为保有高品质的语音讯号，透过单音的音讯解码器将声音转换为数位讯号。采用16k取样率与16位元资料，虽然经过压缩，但因为有比较高的取样率与位元解析度。所以使用在语音辨识上面也可得到很高的辨识度。

RF使用的是一般通用型的2.4GHz频段，因为使用的频率与无线区域网路(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)一样，为避免干扰的问题，必须要控制RF在数个频率之间快速的跳动，可确保语音资料能顺利地传达，也因为语音经过压缩让资料量减少，让RF所需要乘载的资料量减少很多，如此一来就可让传输失败时有更多的时间能重新传递。

为保有原有的红外线控制，在此也将红外线控制一并考虑进去，使用简单的红外线发射器达到学习的功能；如此一来，家中的电视、机上盒(STB)及音响设备的控制器均可在学习后，由单支遥控器负责所有装置的操作功能，不再需要个别的控制器。

智慧联网电视发展迅速，功能愈发强大，与手机、平板之间的连系越来越紧密，遥控器功能日益重要，未来遥控器将是智慧电视中不可或缺的一部分。而遥控器功能因为智慧电视功能的增进，也须更进一步的提供更多、更舒适的使用方法。

在育、教、娱、乐这些领域上，智慧遥控器使用MEMS体感与语音传输，可让智慧电视的所有功能发挥得更加透彻，也创造更舒适的居家生活环境，让电视不再是单纯的电视，让游戏、通讯、互动教育、网路和社群等智慧电视所拥有的功能更直觉地使用。

MEMS元件大量被使用在智慧型手机与平板电脑上，亦将带动MEMS元件的价格日渐降到合理价格，这也让遥控器的整体价格降到可被接受的范围内。

目前Android机上盒、Android多媒体播放器与平板电脑使用高画质多媒体介面(HDMI)连接传统电视，也需要一个多功能遥控器，来控制电视旁的机上盒或平板。因此，MEMS体感遥控器未来将处处可看到它的存在。

(本文作者为新唐微控制器产品应用技术经理)