智能手機盛行的時代，觸控成了主流的人機交互方式。不過對于智能手表以及VR設備，觸控顯然不是理想的交互方式。那么，谷歌提出的想要徹底改變人機互動方式的手勢控制Soli到底是什么黑科技？

　　Google Project Soli亮相

　　在Google I/O 2015大會上，以一個敏捷團隊為核心，向外與各大院校與各行各業的企業與研究所建立合作的方式運作，進行各種跨界研究的谷歌ATAP團隊分享了其在人機交互方面的最新進展，包括Project Soli與Project Jacquard。

　　Project Soli是基于無線電波反射建立的交互體系。5mm波長的無線電波有能力捕捉到5m空間范圍以內的精細動作。然而這其中的技術挑戰在于，目前市面上的無線電波發射器都太大了。Project Soli的目標是將無線電波發射器+接收器做到手表上，在四分之一硬幣尺寸的芯片里集成無線電波發射天線與接收天線。

　　Project Soli研發出一塊只有手指甲一樣大的芯片，可以裝嵌在不同類型的電子產品。透過芯片發射出來的雷達，可以準確探測出使用者的手部動作，特定的手勢可以調較不同設置，如聲量大小、放大縮小、甚至開關機等等。

　　Project Jacquard是一個將人機交互界面植入到紡織品（即衣物）當中的項目。衣物的年產量（百億級）大約是智能手機（億級）的百倍以上，是個極大的市場，但是存在如下的技術挑戰：1、生產過程可融入紡織品的工廠制作流程中；2、電子電路和芯片不怕熨燙的高溫、不怕洗衣機的水泡、不怕用戶在穿戴過程中拉扯的破壞。

　　雖然Jacquard觸摸纖維項目和Soli仍然還留在ATAP，但Soli至少有了一個新的宏大目標：打造配備雷達技術的消費電子設備產業和設計語言。

　　Project Soli進展

　　繼2015年首度亮相之后，Project Soli 手勢遙控概念今年有更進一步的演示了。Google I/O 2016大會上完全通過手勢控制的智能手表和無線揚聲器產品原型首次亮，智能手表是一臺改裝的 LG Urbane，可以感應你的手的遠近，以及動作。離最遠的時候是普通的時間顯示表面，隨著手指的靠近會出現愈來愈多的功能，而再遠離的話表面就又回來了。

　　除了LG外，Soli團隊也將這個技術做進了一個JBL的音響里，但這里它能「看」到的范圍就大得多，可以判斷整只手的手勢，像是比「贊」的話，可以代表跳下一首曲子。

　　Soli 擁有 18，000 FPS 的雷達偵測更新率，可以「看」到相當細微的動作，甚至連輕輕撮手指都能偵側到。谷歌ATAP技術項目負責人Ivan Poupyrev表示：“通過讓移動和固定終端實現第三種交互方式，手勢感應帶來了徹底改變人機互動的新機遇。這樣將能填補現有的空白，在觸摸和語音控制交互的基礎上增添一種便捷的備選交互方案。”

　　英飛凌與谷歌ATAP希望憑借“Solli”雷達技術滿足包括家庭娛樂、移動終端和物聯網（IoT）等在內的眾多市場的需求。

　　英飛凌電源管理及多元化市場事業部總裁Urschitz表示：“我們的目標是創建新的市場標準，帶來卓越性能與全新用戶體驗，從而打造實現增強現實和物聯網的核心技術。”盡管虛擬現實技術已能為我們帶來身臨其境的感覺，但到目前為止，用戶并不能與其互動。谷歌與英飛凌開發的60 GHz雷達應用可填補空白，作為實現增強現實的關鍵技術。

　　ATAP的目的不僅僅是證明這類產品在理論上的可能性，它與LG、高通、JBL等公司進行了合作，并向這些公司證明它們可以在市場上推出產品。

　　如何用雷達實現手勢識別

　　雷達，英文Radar（Radio Detection And Ranging），利用發射“無線電磁波”得到反射波來探測目標物體的距離，角度，和瞬時速度。隨著天線尺寸和芯片的極度縮小，在可預見的未來，更多的雷達設備將會以微型器件面世，如圖所展示的那樣，它們不僅能嵌入可穿戴設備，成為物聯網的一類重要傳感器。

　　圖 傳統的探測偵查雷達（左）以及Project Soli中用于手勢識別的迷你雷達（右）

　　相比于其它隔空操作技術，比如體感相機、超聲波等，雷達有著一些天然優勢：比如無論白天黑夜，暴曬寒風，皆可正常工作；在體積、成本，以及功耗上都比Kinect等體感相機來得要更低；高頻雷達測量物體距離通常可以精確到毫米級別；而低頻雷達則可以做到“穿墻而過”，完全無視遮擋物的存在。這些特性讓雷達，尤其是微型雷達，在未來都有著廣闊的應用前景。

　　雷達的組成

　　一般雷達由發射器、接收器、發射／接收天線、信號處理單元，以及終端設備組成。發射器通過發射天線將經過調頻或調幅的電磁波發射出去；部分電磁波觸碰物體后被反射回接收器，這就好比聲音碰到墻壁被反射回來一樣；信號處理單元分析接受到的信號并從中提取有用的信息諸如物體的距離、角度，以及行進速度；這些結果最終被實時地顯示在終端設備上。傳統的軍事雷達還常配有機械控制的旋轉裝置用以調整天線的朝向，而新型雷達則更多通過電子方式做調整。

　　為節省材料和空間，通常發射器和接收器可以共享同一個天線，方法是交替開關發射或接收器避免沖突。終端設備通常是一個可以顯示物體位置的屏幕，但在迷你雷達的應用中更多是將雷達提取的物理信息作為輸入信號傳送給諸如手表或其它電子設備。信號處理單元才是雷達真正的創意和靈魂所在，主要利用數學物理分析以及計算機算法對雷達信號作過濾、篩選，并計算出物體的方位。在這基礎之上，還可以利用前沿的機器學習算法對捕捉的信號作體感手勢識別等等。

　　雷達實現手勢識別

　　雷達的測距或者測速都把物體想像成一個抽象的點。而真實的物體如手掌則可以認為是一堆三維點的集合體。所以在反射波中已然蘊藏了許多個點的距離與速度信號。同時呈現這些信息的一個好方法叫做距離－多普勒映射（Range-Dopler Map），簡稱RDM（如圖）。RDM中的橫軸是速度，縱軸是距離。它可以認為是一張反射波的能量分布圖或概率圖，每一個單元的數值都代表了反射波從某個特定距離和特定速度的物體得到的反射波能量。仔細看的話，從RDM中已然可以窺見探測物體的特征身形！基于RDM及其時間序列， 我們可以采用機器學習的方法識別特定的能量模式變化，進而識別手勢及動作。在Soli推出之前，Nvidia也做過類似的研究。

　　圖 距離-多普勒（速度）映射的等高線表示示例 每一個單元值代表了反射波中具有對應距離和速度的點的集合的反射能量。該映射可以作為特征向量用于機器學習識別手勢動作。

　　Project Soli面臨的挑戰及解決方法

　　Google 第一版的Soli技術邀請了60名開發者參與，開發者們也想出了各種奇特的應用，像是辨識材料、3D建模等，甚至是做進方向盤里，讓你手不用離開方向盤，就可以控制娛樂系統。

　　不過第一版的 Soli 耗電量極為驚人，其實無法用在穿戴設備上，Project Soli技術負責人波普列夫（Ivan Poupyrev）說，“如果某種技術能整合在智能手表中，它就能整合到其他任何產品中。”ATAP重新設計了Soli芯片，進一步減小了其尺寸，降低了能耗，并多次對它進行優化。據Soli首席和硬件產品工程師哈基姆·拉賈（Hakim Raja）稱，經過一年的的努力，Google和Infineon一起最終實現了芯片的最小化。它非常薄，4根天線能提供全雙工通信，收發雷達信號，Soli的電耗由1.2W 降低到了0.054W，足有22倍之多。同時 Google也將程序優化了256x，讓Snapdragon 400、Intel Atom 處理器等都能順暢跑動。

　　把芯片做得如此小也有弊端。雷達的設計目標是探測在數英里及更遠距離之外飛行的金屬物體，而非數英寸之外、手指作出的幅度僅為數毫米的手勢。就在不久前，人們還不需要擔心這種水平的能耗，沒有人考慮如此小的雷達芯片對信號的影響。

　　Soli首席研究員意識到把雷達提供的空間信號轉化為能在計算機上處理的時間信號的意義。沒有什么比如此小的芯片遭遇的噪聲問題更棘手了，她的算法必須在眾多噪聲中找出需要的信號。對信號進行聚束是不可能的，通過芯片的每個信號都必須被捕獲。換句話說，這是一項很復雜的任務。

　　與電子工藝相比，決定識別出用戶手勢后電子設備作出何種反應的機器學習算法就相對簡單了，但它也絕對不是小兒科。對于配置觸摸屏的設備，屏幕上會顯示按鈕和滑動條；對于有實體開關的設備，用戶在撥動開關時能感覺到刻度。但是，如果什么也沒有，如何引導用戶進行操作呢？

　　波普利夫表示，“萬物都有自己的界面？每個開關、智能灑水器或杯子都有自己的界面？這會引發混亂。”Soli的目標之一是開發一種既容易掌握、又足夠靈活能控制許多功能的通用設計語言。

　　Soli首席機械工程師尼克·吉利安（Nick Gillian）介紹了團隊已經敲定的基本手勢。手勢分為遠處和近處兩大類，在遠處，用戶可以使用的手勢不多（用戶可以揮舞手臂，與微軟Kinect體感控制器相似）；用戶靠近設備后，Soli能識別更細微的動作。

　　波普列夫表示，Soli的“設計語言借鑒了實體控制”。這些控制是捻（拇指在食指上捻，就像捻牙簽玩一樣）、響指（拇指拍打食指）、搓（拇指沿著食指滑動）。

　　Soli控制手勢的優勢是能提供兩個級別的反饋：除能看到屏幕對手勢的反應外，還能感覺到手指的動作。這聽起來有些荒謬，但手指能相互觸摸到也是一種“有形”的操作。

　　Project Soli的未來計劃

　　首款Soli原型是LG Watch Urbane和JBL音箱，這兩款產品近期內都不會上市銷售。揚聲器是靠空氣振動發聲的，因此要在其中集成一款能探測毫米級別運動的芯片，會有一些難題需要解決；智能手表仍然存在電源和交互問題需要解決。

　　谷歌稱，它將于 2017 年發布測試版 Project Soli 開發者工具包，其中包括尺寸更小和能耗更低的 Project Soli 硬件，功耗只有之前的 1/22（54 毫瓦特），體積也只有最初模型的三分之一。隨后，這個解決方案可以整合進更多的移動智能設備中。

　　對于 Project Soli 項目的未來，開發團隊認為能做的有很多。

　　左側為原型，右下角為最終版這項 ATAP 的項目，又是手勢識別，又是雷達芯片，雖然可以更好的解決智能手表顯示屏過小的問題，但是肯定不會只滿足于用到智能手表上。就像團隊說到的那樣，他們希望 Soli 芯片可以出現在更多的地方，成為未來人機交互的一種新方式。開發團隊認為，現在更多都在關注語音控制，但是人類進化出來的雙手同樣重要。