安裝在AR/VR設備中的感測器的最新趨勢

VR設備感測器的新趨勢

隨著元宇宙市場的成長，AR、VR 和 MR 設備的需求預計將大幅成長。目前，遊戲和工業應用是主要關注點。根據國際數據公司 (IDC)於 2022 年 6 月發布的一項研究，VR 頭戴裝置市場預計將從 2021 年的約 1,000 萬台成長到 2026 年的三倍以上。

感測器技術是這一流行趨勢的重要組成部分。對於頭戴式顯示器觀看電影或瀏覽影片而言，感測器技術並非必不可少。然而，對於AR/VR設備而言，它對於玩遊戲或工作至關重要。本文涵蓋了AR、VR和MR設備中使用的感測器技術的最新趨勢，以及未來的潛在發展。

3DoF 和 6DoF 的區別

頭戴式顯示器 (HMD) 根據使用者的動作投射影像。這得歸功於 VR 設備中檢測使用者頭部方向和旋轉速度的系統。

根據感測器偵測到的移動和方向，偵測頭部方向的 VR 裝置系統分為「3DoF」或「6DoF」。 DoF（自由度）是指感測器能夠感知的範圍。這些感測器能夠偵測到的自由度（軸）越高，VR 體驗就越沉浸。

3DoF 意味著可以偵測三個軸：X、Y 和 Z 軸。系統能夠辨識使用者是向上/向下、向左/向右看，還是斜向下/向上看。支援 3DoF 的 HMD 主要用於觀看 360° 影像。

與 6DoF 相比，3DoF 的功能較少，但使用者能夠以更低的成本體驗 VR。此外，由於無需感知手腳運動，因此佔用空間較小。它還允許多人同時觀看 VR 內容。由於這些特性，相容 3DoF 的 HMD 已廣泛應用於遊樂園、博物館和企業培訓計畫。

相較之下，6DoF 感測器可以偵測六個自由度軸。如下圖所示，除了頭部運動外，系統還能偵測使用者在 X、Y 和 Z 軸方向上的運動。具體來說，它能夠識別前後、左右和上下運動。

由於感測器數量增加，6DoF VR 裝置比 3DoF VR 裝置成本更高。由於它能夠同時檢測身體和頭部運動，因此需要比 3DoF 更大的空間。然而，6DoF VR 設備可以為用戶提供更沉浸式的體驗。由於能夠提供更接近現實的環境，6DoF VR 設備非常適合涉及手部和身體運動的逼真模擬訓練。

如果主要目的是在 360° 視訊錄製和電腦圖形中進行觀看和操作，那麼 3DoF 就足夠了。但是，要享受能夠自由移動（例如行走、蹲伏和揮動雙手）的 VR 體驗，則需要配備 6DoF 的裝置。

外向內和內向外追蹤技術

利用頭顯上搭載的感應器捕捉頭部和頸部運動的功能稱為「頭部追蹤」。當使用者上下左右看時，感應器會辨識該動作，並顯示與其相符的影像。

這使得使用者可以在電腦圖形 VR 環境內獲得 360° 視圖。 3DoF 裝置使用安裝在 HMD 中的加速度、陀螺儀和磁力計感測器來偵測頭部的方向和旋轉方向。

另一方面，在6DoF設備中，需要感測器來偵測使用者的頭部位置和運動。系統有兩種類型：1：Outside-in：在電視上方或房間內某處安裝單獨的追蹤攝影機，以偵測頭部和身體的運動。 2：Inside-out：將感測器內建在HMD或護目鏡中。

對於外向式，攝影機和感測器位於外部，因此使用者必須在有限的區域內才能被偵測到。而內向式則利用安裝在VR設備中的攝影機和感測器來捕捉、測量和分析外部影像，以確定頭部朝向和移動方向。因此，不受空間限制，使用者可以在房間內自由移動。

位置追蹤

目前市面上大多數VR設備都允許使用者使用手持控制器控制VR角色。傳統的光學感測器的VR設備會向外發射紅外線，並由外部感測器接收紅外線來確定使用者的位置。這需要在房間內安裝外部感測器，並連接感測器和頭戴裝置的線纜。

另一方面，現在有一些裝置無需外部感測器或線纜，只需一個頭顯和控制器即可獲得 VR 體驗。透過讓頭戴裝置和控制器都相容於 6DoF，可以自動將使用者的真實世界動作與其 VR 角色結合。

此類設備使用飛行時間 （ToF） 方法，通過耳機或控制器發出的光、紅外線、超聲波等之間的時間差以及光從物體反射回來所需的時間來測量到物體的距離。近年來，該技術被用於自動駕駛汽車中障礙物檢測系統。

手勢追蹤徹底改變了VR設備的操作

目前，主流的VR設備使用手持控制器來控制虛擬角色。然而，手勢追蹤技術正在被開發，以實現更具沉浸感的體驗。

手勢追蹤是利用安裝在頭顯上的攝影機辨識使用者的手部，並將其位置反映到VR/MR虛擬形象手中的技術。這消除了使用控制器操作虛擬形象的不便。此外，由於能夠將揮手或玩石頭剪刀布等精細到指尖的動作表達出來，因此也能夠透過精細的手部動作進行交流。

此外，如果手勢追蹤功能能夠消除對控制器的需求，那麼充電和配對控制器的麻煩也將隨之消失，讓VR體驗更加便利。這還能消除握持控制器造成的手部疲勞，並降低製造成本。未來，用戶或許能夠直觀地控制VR空間，例如透過手勢暫停和快轉影片。

手部追蹤技術利用多個攝影機和人工智慧技術，精準地確定手指的位置和運動。此外，利用手套控制器重現觸覺的技術（觸覺技術）正在開發中。 VR領域蘊藏著各種與手部相關的技術發展的潛力。

眼動追蹤可在 VR 中反映人的視線

隨著VR操作中雙手的使用，利用人類眼球運動的眼動追蹤感測器也不斷發展。眼動追蹤感應器安裝在VR設備內部，用於捕捉使用者的眼球運動，從而反映使用者在VR中的視線。

VR體驗的缺點之一是“VR暈動症”，類似於暈動症。然而，眼動追蹤可以幫助緩解這個問題。透過在虛擬空間中反映眼球運動，使用者可以注視其他角色、進行眼神交流，或在射擊遊戲中僅使用視線瞄準目標。

目前的眼動追蹤感測器使用近紅外線攝影機捕捉角膜和眼球上的光反射點來估計注視的方向和位置。

眼動追蹤科技協助打造逼真的視覺世界

當人聚焦在某一事物時，周圍的環境會變得模糊。然而，普通的VR設備會將所有投射的影像清晰地對焦。這會導致觀看者感到與現實有差異，進而降低沉浸感。眼動追蹤功能可以有效消除這種不適感。

眼動追蹤技術的進一步發展也將實現一種名為「禁止渲染」的技術，該技術使用近紅外線攝影機檢測用戶的眼球運動，並僅在視野附近投射高解析度影像。

除了以較低解析度渲染使用者向外移動的區域外，僅以高解析度渲染使用者關注的區域，可顯著減輕裝置的運算負擔，並大幅提升整體圖形品質。眼動追蹤技術可望實現更貼近現實生活的視覺表達，從而帶來更優質、更高品質的VR體驗。

Dexerials 的眼動追蹤感應器產品

Dexerials 的 Anisotropic Conductive Film (ACF) 和防反射Film (ARF) 有助於眼動追蹤感測器的開發和品質提升。

眼動追蹤感應器通常放置在裝置眼部周圍。當感測器使用薄膜基板時，它們通常具有光學透明性。有時，FPC（柔性印刷電路板）會黏合在光學透明薄膜上，用於紅外線LED的訊號佈線，越來越多的客戶為此採用了迪睿合的ACF。使用ACF黏合的眼動追蹤感測器模組可以更薄、更小、更輕。

此外，Dexerials的防反射和蛾眼型防反射膜可用於抑制外殼內部的光反射。

配備超過 10 個相機和感測器的 VR 設備

未來，VR 和 MR 設備將使用多個感測器和相機模組，將外部影像與 VR 內部影像結合。這類設備可能配備 10 個或更多攝影機和感測器模組。迪睿合的 ACF 以及用於黏合鏡頭的 UV 和熱固性黏合劑將助力 VR 和 MR 設備的發展。

此外，透過改進各種追蹤技術，未來的VR和MR設備將能夠精確識別使用者的頭部、頸部、身體、視線、手部等細微動作，並產生影像、聲音和觸覺。迪睿合將繼續為元宇宙新設備的開發做出貢獻。