目前应用产品业者仍寄望销售高价产品,因而虚拟现实眼镜(virtual reality headset)、无人机(UAV, UAS, Drone)等成新瞩目焦点,VR眼镜知名的产品有Sony的PSVR、宏达电HTC 的Vive、脸书Facebook的Oculus Rift等;无人机领域也有大疆DJI的Phantom、Parrot的BEBOP、 昊翔Yuneec的Breeze等。
VR、无人机的兴起,也与近年来的开放硬件风气相结合,例如2015年雷蛇(Razer)就提出开放项目OSVR。 OSVR不仅打造采用开放硬件设计的VR眼镜,也发展与VR眼镜相关的开放软件。 至于在无人机领域,开放软硬件的风气更盛,同时有多个开放软硬件项目在进行。 本文将先详介OSVR的硬件设计,而后延伸说明无人机相关开放项目的发展概况。
三大部件/七片电路板构成OSVR
OSVR的硬件部份就终端用户面而言分成三部份,一是配戴的眼镜(或称耳机、头盔),二是腰带盒(Belt Box, BB),三是红外线摄影机(图1)。 红外线摄影机必须用USB接口连至个人计算机PC,眼镜透过HDMI接口、USB接口等连至腰带盒,腰带盒再同样以HDMI、USB接口连至PC。
图1 OSVR三大部件:眼镜(左)、腰带盒(左2)以及红外线摄影机(右上)。
数据源:RazerZone
OSVR 1.0、1.1版没有红外线摄影机,对玩家的移动、观看角度等捕捉,都是透过眼镜内的惯性传感器(Inertial Measurement Unit, IMU)来感应。 自1.2版开始,OSVR加入外部红外线侦测,而眼镜上也配置多个红外线发光二极管(IR LED)以便更**捕捉用户动作。
OSVR在2016年6月推出2.0版(图2),大体与1.x版相同,但显示器的分辨率、更新率提高,自1,080x1,200增至2,160x1,200,主要是抗衡PSVR、Oculus Rift DK2等产品,但1.x版仍并行发展与持续更新,至2017年1月为1.4版。
图2 OSVR HDK2眼镜的构成,包含眼镜身、透镜、AMOLED显示器、电路板、护盖等。
数据源:RazerZone
OSVR的开放硬件也分成三种性质的设计,一是机械机构,二是光学透镜,三是系统电路,无论眼镜、腰带盒、红外线摄影机均牵涉到电路设计与机构设计,而眼镜与红外线摄影机还有光学透镜设计,不过红外线摄影机部份的透镜已与影像传感器结合在一起,透镜设计的相关尺寸规格等揭露主要在眼镜内。
有关机械与光学部份在此省略,重点将在电子设计面。 整套OSVR有7片电路板,眼镜内5片(图3),腰带盒1片(图4),摄影机1片。 眼镜内的5片为HMD Board、IR Board、USB Board、U Board以及Front Cover,腰带盒内的电路板则称BB Board,摄影机则是整个已由模块电路板代工厂完成,称为IR Back Module。
图3 OSVR HDK2眼镜内的5片电路板。 数据源:iFixit
图4 OSVR HDK2的腰带盒、红外线摄影机等内部电路板。
数据源:iFixit
IR LED驱动电路、USB接口扩充电路
眼镜内虽有5片,但技术重心落在HMD Board,其余4片多为了迁就机械构型而以转角度方式或软板方式与HMD Board连接。 例如U Board以软板(FPC)方式连接10个IR LED,Front Cover亦以软板方式连接18个IR LED,共28个IR LED,波长均为850nm,供货商CT-Micro。
为驱动IR LED也使用STMicro专门的LED驱动芯片、STMicro的8位MCU芯片,其他与红外线收发相关的也包含OSRAM的光二极管(Photo Diode)、Vishay红外线遥控的预放大器(Preamplifier)芯片,更次末的则是被动组件、连接器等。
USB Board亦相当简易,仅在提供USB 3.0连接接口,连接器外仅有电容、电阻等,此一USB接口用于未来扩展延伸应用,尚未有明确用途。
就目前所知,Leap Motion公司推出的Orion影像传感器可以附挂在OSVR眼镜前方,用来感测终端用户的肢体动作,让虚拟现实的画面中显现出玩家的手,而有更丰富真实的互动。 Orion影像传感器即是透过USB接口与OSVR眼镜连接。
HMD电路板的重心在4颗芯片
OSVR眼镜的技术重心在HMD Board,且主要集中在4颗芯片上,一是博世(Bosch)的BNO070,此为9轴惯性传感器(IMU)芯片,芯片内有3轴加速度传感器、3轴磁阻传感器(数字指南针)以及3轴角加速度传感器(陀螺仪),并内建32位MCU负责处理感测信息。 9轴惯性感测用于感应VR眼镜的摇头晃脑的角度、速度、方位。
二是东芝(Toshiba)的TC358870XBG,该芯片为桥接芯片,桥接HDMI接口与2组MIPI DSI接口,并具备HDCP视讯防拷机制的密钥(Key),运用此芯片一端用DSI接口与眼镜内AMOLED显示器连接(左右眼各一组显示器与一组DSI接口),另一端用HDMI接口与带盒连接。
三是微芯(Microchip)的USB5534B-5000JZX芯片,此芯片为4埠的USB集线器(Hub)控制器芯片(iFixit拆解专文显示此处为SMSC的USB5534芯片,但功用相同,此处以GitHub网站记载为主),用于前述的USB接口连接,未来在眼镜上有相关附搭设计即可运用上。 四是Atmel的ATXMEGA256A3BU-MH芯片,为8/16位的MCU芯片,负责眼镜上的总体控制统筹运作。
除4颗关键芯片外也有其他芯片的搭配,然多数与电源管理有关,如抗静电(ESD)芯片、4组双向的电压准位转换芯片、三重(triple)输出的AMOLED显示器供电芯片、过电压(OV)保护芯片、电压调整器(Regulator)芯片,以及致新GMT的微处理器监督重置(Supervisory Reset)芯片。
腰带盒仅为影音、控制信号的中继器
在HMD Board之后是腰带盒BB Board,腰带盒的功用在于汇整、强化眼镜与PC间的讯号,包含影音频号与控制讯号等,其中的关键在3颗芯片,一是谱瑞的PS8407ATQFN40GTR2-A1,该芯片为HMDI讯号强化芯片,包含**讯号的抖动(Jitter),以及把讯号中继强化(Repeater)等, 以便让OSVR眼镜与PC间的HDMI缆线长度可以增加,降低终端用户的移动限制。
二是Genesys Logic的GL3522-OTY22芯片,此亦为USB 3.0的集线器芯片,用来强化USB接口的控制讯号,使OSVR眼镜与PC间的USB缆线长度可以增加,降低终端用户的移动限制。
三是科胜讯(Conexant)的CX20705芯片,用来中继强化音源讯号,芯片内有音频专用的数字信号处理器(DSP),并有音频的编译码电路(CODEC),以及D类音频放大器(Class-D AMP)等功用。 同样的,此可使OSVR眼镜与PC间的音源线长度增加,减少终端用户的移动限制。
除3颗重点芯片外,其他外围芯片亦同为电源管理相关芯片,不过有一颗ROHM的256k-bit EEPROM芯片与一颗华邦Winbond 512k-bit Flash芯片,用于对应储存前述HDMI接口芯片、USB接口芯片的相关组态配置(configuration)数据。
IR Back Module技术尚未完全揭露
严格而论,GitHub上的OSVR项目官网并未详整揭露红外线摄影机的模块电路,但透过拆解得知,模块上除配置红外线影像传感器外,模块上的主控芯片为瑞昱的RTS5838,负责将感测到的红外线影像进行前阶段处理,之后再透过USB接口传递给PC,完成后段处理。
RTS5838外部也搭配一颗Elm Technology的GD25D05B Flash芯片,用来储存摄影机的组态配置。 摄影机部份是透过PC的USB接口取得运作电力,且不用跟随玩家移动,因此不需太长的线路,接线也不用经过腰带盒。
OSVR将对Oculus Rift产生较大冲击
严格而论,OSVR HDK1/HDK2的技术与系统与Oculus Rift DK1/DK2接近,而与PSVR、Vive有较大差别,然Oculus Rift并非开放硬件设计。
且就价位而论,OSVR约299.99∼399.99美元(HDK1或HDK2,HDK1可增购220美元的新款AMOLED显示器,一样可升级成HDK2),Rift DK2约599美元,PSVR约399美元,Vive约799美元。
但以整体购置而言,PSVR只要搭配399美元的PS4游戏主机,另三款需搭配高规PC,价位均超过399美元,甚达600美元。 由于OSVR在技术与价位上与Oculus Rift相近,OSVR的推展必然对Oculus Rift产生影响。
无人机开放项目百家争鸣
有关Drone的开放项目相当多,如Arducopter、Dronecode、OpenPilot、Paparazzi、Pixhawk等,至少有十数个开放软硬件项目在进行。
*早是2003年的Paparazzi项目,而后2009年3DR(3D Robotics)公司用于四轴无人机上的ArduPilot飞控计算机(flight controller,有时也称AutoPilot),此一飞控电子系统根基于知名开放硬件项目Arduino,而后2010年演进成AuduPilot Mega(简称APM), 2011年则为APM 2,之后2012年有2.5、2.6等,2013年3DR与AutoPilot共同推出Pixhawk等(图5)。
图5 ArduPilot、APM、Pixhawk等飞控计算机。
数据源:bbs.loveuav.com
ArduPilot/APM虽名为飞控计算机,但相同的控制系统也用于其他创客(Maker)项目,例如用于打造传统飞机的APM:Plane、四轮遥控车的APM:Rover、潜水用的ArduSub(Remotely Operated underwater Vehicles, ROV)等。
而2014年由3DR与Yuneec共同提出的Dronecode则往高阶飞控软件领域发展,例如降落地点辨识演算、飞行路线中的避障(避开障碍物)演算等,但飞控硬件系统方面依然实行Pixhawk,Pixhawk之后有Pixhawk 2,用于3DR的Solo四轴飞行机上。
Pixhawk为开放的硬件飞控系统,但其韧体可有不同选择,如PX4或APM,APM即是原有APM硬件系统上的韧体,转移植到Pixhawk硬件上来执行,PX4则原生于Pixhawk,但之后PX4也外延支持其他飞控系统,如高通Qualcomm的Snapdragon Flght,或PixRacer等。
前述ArduPilot根基于Arduino,然也有根基于另一知名开放项目Raspberry Pi(RPi)的飞控系统项目,如Emlid公司提出的NAVIO2,但飞控的韧体(也称flight stack)仍是APM。 另外飞控计算��Erle-Brain3也同样根基于RPi,Erle-Brain发展路线与APM近似,不限定只用于四轴飞行器,也可用于其他应用。
另外有些项目已进行合并,如2010年AeroQuad的项目程序代码并入ArduCopter发展,或已经少有新动向的OpenPilot项目,或对岸提出的小型四轴飞行器项目「圆点博士」,显见目前Drone相关的开放软硬件项目,仍处于百花齐放的阶段。
对抗ASP下滑趋势 为必要条件差异化
在笔记本电脑、智能型手机成长趋缓后,连带也影响资通讯产业、半导体产业,对此英特尔(Intel)、台积电等大厂带头倡议穿戴式(Wearable)、物联网(IoT),期望用更小型、更平价的信息系统销售来提振产业需求。 虽然终端产品业者未必能接受产品平均单价(ASP)将进一步下滑的趋势,纷纷以单价较高的虚拟现实(VR)、无人机做为主打产品,但随着开放软硬件风潮也开始吹向VR及无人机领域,终端产品制造商若想守住ASP,恐怕得拿出更多**及差异化设计的本领。