當前位置: 主頁 > 專題報導 >
 

Smart Glass新市場--HMD頭戴顯示器的技術暨應用

本文作者:陳乃塘       點擊:6482 2013-06-21 11:07
前言:

2013/5Google I/O 2013」盛會浩浩蕩蕩地展開,谷歌股價頻創新高,好像打遍天下無敵手。Google Glass儼然是下一個世代的超酷產品,可以對應多種服務。HMD這玩意並不是新創,90年代中期就出現於消費性電子產品,然而,谷歌的軟體應用服務實在過於厲害,會誕生出怎樣突破性的新App,也難下定論。本文的重心就是擺放在HMD的新視界。會不會締造出『Smart Glass』的新市場,誰知呢?

 

 

直搗黃龍看Google Glass的技術規範:

 

Apple少了賈伯斯的明星魅力,似乎光芒淡了不少;而Google2013/4就領先一步販售開發用的「Google Glass Explorer Edition」。相信閣下也與筆者一樣趕緊想看清楚在技術方面的規格與UI指引,究竟是如何呢?

 

—. 顯示部分:約2.4前頭、相當於25吋。

—. 像機功能:500萬畫素靜態影像,720p影片。

—. 喇叭:骨傳導方式(Bone Conduction Transducer)

—. 無線通訊功能:IEEE 802.11 b/g,藍牙。

—. 內建記憶體:16GB,其中12GB供使用者利用。可以與谷歌提供的雲端儲存服務做同步。

—. 充電電池的驅動時間:通常為一天;若是頻繁觀賞影片會縮短時間。充電是透過了Micro USB介面。

—. 針對搭載Android 4.0.3以上的終端裝置,準備了與Google Glass連動的GPS位置定位與SMS訊息應用。

 

請留意,採用了骨傳導方式,不難揣測是為了移動時安全性上的考量。還有,谷歌於2013/3所舉辦的SXSW,也詳細地說明了Google GlassAPI規格。至於市場預估數字,當前的時間點來說:看看就好 !


目前見到的市場預估數字。取自IHS

 

HMD外史掃描:

谷歌的Google Glass炒得滿江紅,《時代》雜誌評給它一個錦上添花選為2012年最佳發明。網路媒體甚至信誓旦旦指出,Google Glass透過眨眼睛的動作,作為一種人機介面來控制。而AppleiGlass神鬼莫測。不過,主客觀來觀察HMD產品成熟度、小型化、性能面以及應用技術面;其實,都越過了一個高嶺,時間點也相當不錯,會不會繼手機、平板之後的另一個新平台呢,非常值得期待。


Google Glass面紗即將掀開。

 


AppleiGlass推測。

 

您也許不太會相信,若要話說HMD的使用,可能要回溯到90年代喔。當時還時電子一哥的Sony屢屢有創新之作。1996年之際就推出了 HMD的商用化消費性產品,當時也正是DVD播放機初進入市場的時候,所謂個人電影院在那個時候就已經可以實現。也可以進入PC市場上的應用。

 


SonyGlsstron被視為過度領先時代的產品。

 


GlasstronPC上的運用圖。取自Sony

 

不僅Sony而已,還有諸如奧林帕斯也有類似的產品問世。當時的日本當地電子大展,會場上很多廠商的產品介紹,還讓觀展者帶上HMD以影像聲效來吸引人潮與媒體的關照。依據我個人當時的使用經驗,產品重量上勉強可以接受,但是解析度上並沒有很高的驚艷;反而是隨著DVD帶來的Dolby Digital AC3或是DTS多聲道音效比較令人震撼。

 

事隔十多年之後,藍光(Blu-Ray0也出現了、3D流行了,Sony又推出了一個消費性HMD - HMZ-T1」,廣受消費者好評,不僅賣到產品缺貨,也有後續機種的出現。這個產品系的技術最大特徵,大致上有:

Ø. 採用了1280 × 720解析度的有機EL面板。

Ø. 對應3D

Ø. 光學鏡頭視野角45度的實現。


 

HMZ-T1。取自Sony

 


1280 × 720解析度的有機EL面板。取自ITMedia

 


視野角45度的光學鏡頭。取自ITMedia

 

電子資訊時代的潮流,風雲夕變;昔日認為影像視聽用途的HMD隨著雲端時代的蒞臨,開啟了新用途,包含了運動(Go Pro的運動相機不就打造出另一片藍海嘛!)、業務用途,甚至延伸到日常生活也不會是問題。因此,進入HMD產品的廠商實在很容易見到。只不過谷歌挾著在行動市場、雲端市場呼風喚雨的本事,會不會又成為這個平台的主導者或主宰者,就特別受到關注。

 

以站在2013年的時間線上來說,進化的HMD究竟與昔日產品的差異究竟有哪些,在此一一指出,如此一來對於產品的認知就會輪廓清晰了。

 

輕量小型方面,以前動輒超過100公克;而現在的產品約座落在30 ~ 70公克的光景。

 

從主要技術的關鍵元件,來看出性能面的進步程度為何。

 

Ø. 應用處理器:昔日採用約是600MHz單核心的製品;現在可以高達2GHz的四核心。

Ø. 顯示元件:先就液晶面板來說,0.37 640x480乃是以往的標準,今日約是1280x720的光景。反射鏡的供應商,昔日幾乎是單家供應而壟斷,而現在供應商增多了。

Ø. 各種感應器元件:隨著Smart Phone的爆膨,諸如加速度感應器、陀螺儀、地磁氣感應器或是GPS元件;外型吋法通通不是昔日可以比擬的。

 

應用方面:無論是視聽遊戲、運動、業務用途(比如說,工廠組裝作業,遠端的作業支援等等)還是日常生活(Google GlassApp),一切都可實現成真。

 

HMD深入分析:

數位相機風潮告一段落,智慧型手機持續大戰;而HMD的開發競爭也許是在2011年秋季,而投出震撼彈的當然就是2012/4Google Class了。當然和藹可親的小型外觀(看來是抄襲了星際爭霸戰),是一大要素;即使是女性朋友來使用,也不會有不協調的感覺。昔日讓人深感笨重的刻板印象,煥然一新。

 

谷歌在其官方網站上,將Google Glass的用途做了新見解的圖示。有興趣的朋友,無妨去溜一下網站吧。

 

傳統上,HMD的歸類方式,不是雙眼單眼就是透過型與非透過型裝置。率先在市場上推出的就是雙眼非透過型,以視聽市場為主。以SonyHMZ-T1來說,就是採用了兩枚的有機EL面板,可以顯現鮮明的3D影像而獲得好評。

 

美商Oculus VR針對遊戲玩家的HMD – Oculus Rift,這個商品受到注目的一大要因,就是從Kickstarter募集群眾資金,有約9500人出資達250萬美金(目標值的10)。這個東西有點虛擬實境VR,讓重度玩家有身臨其境的爽度。它的技術規格如下:

—. 頭部追踪(head tracking):6段階設定的超低遲延
視野 : 對角線 110 / 水平角 90
解析度 : 1280 × 800 (640 × 800 per eye)
介面:DVI/HDMI USB
平台:PC 與行動裝置
重量:~ 0.22 Kg

 


高爽度的遊戲用HMD

 

而最近比較受到關注的是透過型非透過型的「小型單眼」產品;在運動用途以及業務用途上,開始活用。就運動用途的產品來說,美商Oakley2012年秋季開始販賣的滑雪風鏡型HMD,您信嗎? 它賣到缺貨。

 

不僅可以掌握滑行的狀態,也可以表示出滑道資訊,也可以顯示出好友的位置。

 


高人氣的風鏡型HMD。取自Oakley

 

在業務用途方面,比如說在倉庫內收集貨物作業之際,在HMD的表示部分反應出做為嚮導,將目標產品可以俐落地完成作業。透過了HMD上所搭載的像機,可以將作業現場的樣子傳送給遠端的老鳥,透過HMD的畫面很快可以得到作業建議。

 

諸如以上所描述的HMD,它所訴求的重心乃是即時可以閱覽資訊,視線夠大可以持續雙手作業;這些特點都不是筆電或是智慧型手機可以辦的到的事情。這項優點若是滲透到日常用途時,就精采萬分了。不難猜測,所謂推入型(push)的資訊服務是消費者的實際需求,好比說,電子郵件、SNS訊息的接收,道路交通資訊,天氣情報等。

 

雖然,HMD的優點從90年代後期進入視聽開始,轉進業務用途;但是面臨著構成組件的性能大小、成本、設計性、操作性、視認性等等議題。譬如說,頭部搭載部份超過110公克,重量超過眼鏡,內建的充電電池的驅動時間,也只不過是兩個小時罷了。由於沒有對應到無線通訊,無法接續到網際網路。不過,當代的HMD在外觀、用途、設計、操作性、畫面顯示的研究開發上,已經有相當的進展,尤其是硬體上的性能表現改善最為明顯。好比說,電池驅動時間增長許多,具備了無線網路、藍牙、GPS等無線通訊機能。

 

不難想像,構成組件的性能改善與智慧型手機的普及,是關鍵契機所在。一旦性能足夠了,HMD的適用環境就會更為齊備。畢竟,智慧型手機的日常用途越來越廣泛,若是HMD與智慧型手機連動或是接續,活用手機上的App軟體可以展開各式各樣的機能;好比說以手機為中介來上網,就可以善用「雲端服務」了。

 

而且,納入了相機的功能更是引爆的開關。關於這一點可以用一個實際的成功案例來加以佐證。美商Woodman Labs所開發可穿戴式相機「GoPro」系列的運動像機,市場急遽性的擴大。此類像機的最大特徵是一般相機難以實現的,也就是宛如自身所見的「單人視點」的影像攝影。如此般的影片透過SNS與友人或是鄉民分享交流,的確帶來了滿足感的樂趣;以戶外運動愛好者為主力的愛用者,正在逐漸增加中。比如說,GoPro系列的銷售成績,已經賣出300萬台;讓日商像機業者傻了眼。而Google就是將這種功能完美地複製進來。若是從其官方網站的介紹影片來看,靜止畫像、動態影片的攝影功能介紹時,是採用騰出時間的方式;也就是說使用者將所喜愛的攝影靜止畫透過SNS與友人分享時,也可以將攝影中的影片即時發信。而且就美國當地來說,投稿10 ~ 15秒動畫影片的視聽最具有人氣;因此不難判斷Google該是具備如此短時間的動畫攝影機能吧。

 

HMD另一個朝向日常用途的普及徵兆,就是操作性暨視認性的UI使用者介面的進化。很多技術人員咸認為,誰掌握了適用於HMD的使用者介面,誰就掌握了主導權。比如,iPhone的觸控輸入就是暢銷產品的原因之一。因此,當前的HMD從事企業,都傾力於在該產品的UI開發上。

 

先來說說HMD操作性的問題,操作遙控裝置體積不小是個問題;同時若看不見指頭,操作上又困難。而視認性方面,若視野不足、資料量多難以閱讀;集中力就會有問題。實際上,這些問題也同樣出現於車輛用途的抬頭顯示器HUD(heads up display)上。此類裝置是駕駛者在汽車前方玻璃上即時閱覽車速、進行方向等資訊。若是視野夠遼闊,安全才夠駕駛。在歐洲與美國地區,車線速度的法規嚴謹,無論是高速公路的數量或是利用汽車作為通勤工具相當普及;HUD自然受到歡迎。

 

有些HMDUI開發團隊或是研究大學,開發出以拇指來上下左右的四個方向操作法。不過,HMD還是傾向於不使用遙控裝置本身,而是仰賴聲音辨識或是姿勢輸入,以人類最自然的方式來輸入而使得裝置來動作(Xbox 360就成功地導入了姿勢輸入的電玩遊戲)。就Google Glass來說,很有機會是利用手指滑動或是輕敲框邊以及語音辨識的方式來進行操作。若是利用聲音操作,運用方式乃是先說『OK, Glass』的開頭語,之後說出欲利用的功能。

 

例如說,想拍照的場合就可以如此來說:

OK Glasstake a picture


基本上透過語音辨識來操作,先說” OK Glass”然後開始操作。

 

依據在「MWC 2013」展覽上的觀察,也些日商開發出以手勢以及頭搖動的方式來進行操作。這種做法基本上乃是於HMD上方配置了搭載有距離感應器或相機模組。個人認為此種方式,不利於長時間操作,也不看好。

 


利用手的姿勢以及頭動的操作方式。取自MWC 2013

 

至於,HMD視認性的課題改進方式,可就沒那麼容易。有研究者提出活用人類週邊視野以及中心視野的提案;技術面來說可牽扯到使用者的視線,況且每個人注視點的移動次數會是相同嗎?大有疑問,總之,此點還需要更深入的研究與實驗驗證。

 

硬體開發的另一個焦點就是亮度提升的問題了。畢竟,在大白天屋外使用的機會與場合,是跑不掉的。通常,預估的亮度目標值約超過1000cd/m2。一般來說,顯示部分不使用半鏡(Half. Mirror)HMD場合,視認顯示畫面夠小的話,可以滿足這個數值。然而,若是採用半鏡(Half. Mirror)HMD場合,若是亮度低於1000cd/m2以下,屋內尚可,屋外的使用可就麻煩了。這也是各個企業要去挑戰的所在地。

 

如果改變了顯示元件的大小,也就意味了擴大了影像顯現的領域,必須拉廣對角。然而拉開對角而不讓影像失真,也沒有那麼容易。以現狀來說,對角約是30度,若維持相同的光學規模,下一個開發目標應該約是50度。那麼,這就扯到光學元件材料以及形狀的改善了。

 

HMD活用案例探討:

 

HMD越來越小型化輕量化之際,HMD帶在身上作業就會更活潑化。如前面所言,民生用途方面涵蓋有運動或是娛樂的運用,日常生活可供的運用提案也相繼出現。而業務用途方面,就看見了作業支援或是設計支援方面的運用。當各種用途的App越是充實的時候,即時性的價值就越高,所謂地『Smart Glass』說不定就化身為另一種平台。

 

底下就針對各種用途的活用案例,來逐一介紹。

 

之一:運動用途

 

熟悉滑雪的人或許會知道HMD。美商運動用品公司OakleyAirwave,於2012秋季於美國當地與日本銷售,即使價格不斐,開賣不久就呈現了缺貨的狀態。依據銷售公司的資料指出,消費者多是30歲後半與40歲世代的滑雪愛好者,他們對於自己的成績與紀錄,相當關心。

 

Airwave就可以滿足愛好者的這些需求。它可以在HMD的顯示部分上確認行走距離、標高、滑行速度、下降速度、跳躍時在空中的滯留時間或高度,配置於護目鏡的內側。如此的各種即時性紀錄,深深獲得使用者的好評。

 


Airwave的顯示畫面。取自Oakley

 

Airwave其實是Oakley的護目鏡再組合上加拿大商Recon Instrument的小型單眼非透過型HMD所組合而成的。顯示部分的解析度為428 x 240畫素,1.5m處相當於11吋,畫角的對角10度;並在HMD上搭載了3軸加速器/陀螺儀/地磁氣感應器,還利用了溫度感應器、氣壓感應器來取得各種紀錄。至於操作方面,是在手腕部分安裝了專用的小型遙控器。若是下載了智慧型手機專用的App,利用藍牙來與HMD接續,不僅可以確認電話或電子郵件的到來,還可以播放音樂。也有搭載GPS,可以確認同樣穿帶Airwave同伴的位置;有名氣滑雪場地地圖資料的發信也是可以的。目前使用者不僅給予好評,同時要求具有像機功能的呼聲也是不少。

 

之二:娛樂用途

 

首先聯想到的就是3D影像的視廳追求。前面所提到Sony的有機EL面板之HMD,在日本相當受到歡迎。這個HMD隸屬於雙眼大型非透過型(一般稱為身臨其境的沉浸式或是没入式)。影像的視野角45度,顯示的影像約在20米處的750吋。採用有機EL面板的好處就是影像對比度高;基於電子觀景窗EVF的有機EL面板,將畫素拉升到1280 x 720。高度個人享受的酷產品。

 

另一種運用,就比較炫了。基本上來說,就是利用HMD以及距離畫像感應器,將CG中的角色,呈現在眼前,宛如真的一般。這種東西的真實商品並不存在,僅能看見廠商的實驗試作品。

 

之三:日常生活用途

 

Google Glass或是另一美商VunixM100就是這方面的代表性範例之一;當然全球還有不少企業也開發這類型的產品。好比說,奧林帕斯於2012/7所開發的MEG4.0,雖然說還算是試作階段,可是30公克的重量、19.6公分的長度;可以安裝在眼鏡上來使用是其一大特徵。

 


MEG4.0。取自奧林帕斯。

 

除了小型輕量化、低消耗電力、長時間的連續使用之外,另一個值得去注意的地方就是其獨特的光學技術。HMD的影像顯示部分比起瞳孔直徑還要薄(稱之為瞳分割see through方式),外部的視界幾乎100%可以確保。同時,表示面板的

光利用効率提高、低消費電力來實現高亮度,即使在屋外的視認性也可以提高。

 

解析度為320 × 240、亮度10cd/m22,000cd/m2以日常生活的利用為考量、簡單地在眼鏡上配置,不會產生不協調感。為了節約電力,很多的資訊要藉由智慧型手機的協助,兩者的通訊就是仰賴著藍牙;本體的介面就是MicroUSB

 

之四:作業支援的用途

 

這裡所說的作業支援,通常是說作業的效率化或是技能的傳承等用途。當正在進行組裝作業或裝置的設置作業之際,若是能夠將組裝或是設置的程序步驟顯示於HMD上,自然能夠提高作業效率。若是安全性考量非常重要的場合,往往是實際空間與影像能夠同時觀看的透過型HMD

舉一個產品範例來說,Brother工業於2012/6開始販賣的AiRScouter;光源部份採用了高精細的液晶面板。從光源的畫像利用半鏡(half mirror)反射而投射到眼睛。相當於眼前116吋的顯示;隸屬於穿透型(see through)。解析度800 × 600、色彩範圍1,677萬色。焦點約30cm ~ 10m可以調整。外光透過率約50%

 



AiRScouter。取自Brother工業。

 


各種業務支援。從上而下分別是組裝作業、遠距作業以及配貨(picking)。取自Brother工業。

 

方案提供業者除了作業支援的用途之外,也意圖將視野延伸到更為寬廣的運用上,好比說,AR研究、博物館、遠距醫療支援、警備領域甚至避難的引導等等。

 

之五:設計支援的用途

 

這方面的運用通常是利用3D CAD的顯示來降低設計工程的時間與費用。比如Canon,在產品的設計階段,為了針對評估設計暨操作性上的複合現實感MR(mixed reality),而開發了MREAL系統;也於2013/2開始對外販售。

 


CanonMREAL系統。取自Canon

 


MREAL的使用情景。取自Canon

 

MREAL系統利用HMD上所搭載的像機將現實世界所取得的映像,有如3D CAD資料的三次元CG實際尺寸重疊來顯示。當使用者移動的時候,也會跟著改變視點,CG的看法當然隨之起變化。如此一來,設計的東西就如眼前所見的感覺;無須打造實體模型(mockup),也可以來驗證設計,削減了檢證作業的工程或是實體模型的製造費用。

 

MR系統主要是由能夠顯示3次元映像視訊的透過型HMD以及擔當各種演算處理的PC所組成。為了能夠顯示3D影像,HMD的左右映像各配置像機與顯示元件,重量為640公克。

 

如何來讓實際空間與CG重疊的不協調感,就必須在HMD的光學系統上下一番功夫。具體地來說,就是利用自由曲面棱鏡(prism),將相機的攝影影像與顯示面板所產生的CG影像,在光軸上一致。

 

總之,HMD進化中,樂見不久之後有一片天空。

 

[ 參考資料暨延伸閱讀:]

https://developers.google.com/events/io/

http://www.sony.jp/hmd/

http://www.google.com/glass/start/

http://www.oculusvr.com/

https://support.google.com/glass/answer/3064128?hl=en

http://press.ihs.com/press-release/design-supply-chain/spurred-google-glass-ihs-forecasts-nearly-10-million-smart-glasses

http://reconinstruments.com/products/snow-heads-up-display

http://www.asus.co.jp/Multimedia/Motion_Sensor/Xtion_PRO_LIVE/

http://www.olympus.co.jp/jp/news/2012b/nr120705meg40j.jsp

http://www.brother.co.jp/product/houjin/other/solution2/index.htm

http://www.canon-its.co.jp/mr/index.html

http://www.digitaltrends.com/computing/hands-on-with-canons-new-mreal-system-for-mixed-reality/