頭戴裝置運算/感測再上一階 性能提升創造新價值

2023-12-22
Vision Pro以其極高規格引起業界關注,觀察市場上的裝置發展,可以看出XR裝置持續建立產品價值,並透過專用晶片滿足感測資料處理等運算需求,接下來等到顯示技術成本降低、供應鏈成熟,XR有機會進入更加多元的市場。
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蘋果(Apple)Vision Pro裝置初發表,其極高規格便引起關注(圖1)。蘋果不僅自研M2及R1雙晶片,透過分工處理來自12部相機、5個感測器和6個麥克風的龐大資料,更採用MicroOLED顯示技術,讓裝置中的兩個顯示裝置搭載2,300萬畫素,相當於眼睛前各放了一台超過4K解析度的螢幕。

圖1 Vision Pro示意圖

儘管Vision Pro預計將首先進入出貨量不高的高階市場、大多數XR使用者暫時無法取得上述高規格帶來的全新體驗,觀察包含Vision Pro在內的各式XR裝置,卻也可以發現值得關注的技術演進趨勢,包括針對應用需求設計晶片提供所需算力,以及邁向MR裝置而同步升級感測技術等,未來可望看到業者藉由多樣技術組合,將XR裝置推向更加廣大的市場。

裝置價值升級 專用晶片滿足所需

頭戴式裝置發展初期常作為附屬裝置,連接手機等其他電子產品提供投影功能,例如XREAL所推出的air系列。不過,佐臻董事長梁文隆(圖2)指出,對於使用者來說,XR裝置需要能夠提供其他電子產品(如智慧型手機、PC)無法實現的功能,才能帶來真正的全新價值,吸引採用。因此,該公司發展初期便設計讓AR眼鏡連接手機或外接控制盒,以取得運算和通訊資源,豐富AR眼鏡功能。

圖2 佐臻董事長梁文隆表示,對於使用者來說,XR裝置需要能夠提供其他電子產品無法實現的功能,才能帶來真正的全新價值,吸引採用。

以廠商產品規畫來看,先前提及的XREAL也推出BEAM外接裝置,讓AR眼鏡具備獨立運作能力。AR眼鏡考慮到長時間配戴需求,目前仍以外接其他裝置來滿足運算及大量資料傳輸需求;反觀旨在打造短期沉浸式體驗的VR裝置,則可以看見裝置越發獨立、整合更高階運算能力的趨勢,例如三星(Samsung)宣布於2024年推出XR裝置,即象徵該公司從與手機一同運作的Gear VR邁向獨立式XR裝置的重要布局。

為了滿足XR裝置持續提升且根據應用有所區別的運算需求,專用、客製化晶片方案陸續現身,例如高通(Qualcomm)除了持續延伸其XR平台產品家族,也在2023年9月首度針對智慧眼鏡推出Snapdragon AR1 Gen 1平台;近期,聯發科技(MediaTek)也在2023 MediaTek Executive Summit宣布與Meta合作,將攜手開發新一代AR裝置。

Arm應用工程總監徐達勇(圖3)表示,XR裝置不只對運算具有高要求,同時也需要實現低功耗,未來可能出現兩種走向:生態系完整的業者可能將考慮開發ASIC,打造最適合自身產品的客製化晶片平台;純粹的硬體裝置業者則更可能偏向採用標準品。

圖3 Arm應用工程總監徐達勇表示,未來生態系完整的業者可能將考慮開發ASIC,打造最適合自身產品的客製化晶片平台;純粹的硬體裝置業者則更可能偏向採用標準品。

無論是協助XR業者開發客製化晶片,或是針對AR、VR等各類裝置推出通用晶片,選用適合的處理器皆十分重要。徐達勇表示,Arm全面運算解決方案(Total Compute Solutions, TCS)便是建立在統整運算系統的概念之上,跨越不同IP的界線,以整個系統應用的需求規畫運算架構,協助加速晶片開發。

SWIR技術發威 環境感測/手勢偵測決定使用體驗

運算能力的提升讓XR裝置得以處理更多感測內容,在裝置逐步朝MR發展的趨勢下尤為關鍵。此外,「解放雙手」是頭戴式裝置的核心價值之一,如何直覺自然地完成介面操控也因此成為重要課題。資策會軟體院組長翁明昉(圖4)表示,操作方式將影響使用者體驗,尤其在商用場域,可能遇到環境雜音多,不易採用語音控制等情況,操作方式是否實際可行,將影響企業的採用意願。

圖4 資策會軟體院組長翁明昉表示,操作方式將影響使用者體驗,操作方式是否實際可行,將影響企業的採用意願。

Vision Pro身為MR裝置同時兼具VR及AR功能,融合真實環境打造新體驗,並且無須外接其他操作裝置,主要採用手勢偵測進行操控,如此設計將為感測功能帶來更進一步的性能需求。光程研創技術平台開發副總經理葉智偉(圖5)表示,裝置顯示透明化表示可能會遇到環境光的干擾,而短波紅外光(SWIR)有機會成為克服感測挑戰的主流技術。

圖5 光程研創技術平台開發副總經理葉智偉表示,裝置顯示透明化表示可能會遇到環境光的干擾,而短波紅外光(SWIR)有機會成為克服感測挑戰的主流技術。

葉智偉說明,SWIR是3D光學感測技術的重要波段,位於1,000nm以上,相較在1,000nm以內工作的近紅外光(NIR),SWIR可降低太陽光或環境光的干擾,在各種距離下實現室內與室外一致的感測效能,對同步定位與地圖構建(SLAM)技術與手勢辨識技術來說,可以提供用戶更佳的XR體驗。

目前市面上可實現SWIR波段的半導體技術主要是III-V族(InP/GaAs)技術,葉智偉表示,該類半導體能隙(Band Gap)較小,可偵測較長的波長,擁有頗佳的亮點偵測能力與靈敏度。然而,III-V族化合物半導體技術雖然在市場發展已久,卻因為無法導入標準CMOS製程,成本居高不下。為此,光程研創開發能落實SWIR的鍺矽(GeSi)光子技術,除了在效能上可比肩III-V族化合物,也可用12吋晶圓導入具規模經濟的CMOS量產,大幅降低生產成本。

輕量化擴大應用範疇 顯示/低功耗設計改良中

XR裝置所能提供的價值和功能逐代提升,但要推向更加廣大的市場,裝置輕量化和電池續航時長是必須列入考量的要點。Ambiq技術長Scott Hanson(圖6)表示,AR/VR裝置現階段仍處於開發和市場採用的早期階段,目前可以看到相關遊戲用例正在帶動初始銷量,但這些設備體積龐大,並且通常採用大型電池組。對於頭戴式裝置來說,配戴舒適度和使用體驗無法脫鉤,而裝置重量將影響裝置的配戴時長。因此,Hanson認為,未來如果希望看到AR/VR裝置被更廣泛的用戶群採用,裝置尺寸需要大幅縮小。

Ambiq技術長Scott Hanson表示,未來如果希望看到AR/VR裝置被更廣泛的用戶群採用,裝置尺寸需要大幅縮小。

梁文隆表示,電池技術在短期內難以出現顯著突破,AR眼鏡為了維持日常工作舒適配戴,通常選擇外接其他裝置來提供電源;Vision Pro為了壓低裝置重量,也採用行動電源為裝置供電。因此,短期內可以預期外接電源將成為XR裝置常態,並輔以功耗優化技術來延長電池使用時間,例如Ambiq的亞閾值功耗最佳化技術(SPOT)平台便可實現功耗優化,在端點裝置上實現更多板載運算。

除此之外,顯示技術發展將持續改良鏡片重量,同為未來值得期待的技術演進。Vision Pro採用MicroOLED,有機會帶起市場對該技術的關注程度,而MicroLED更是小尺寸裝置的救星,未來待成本降低、供應鏈成熟,將持續助攻XR裝置邁向輕量化。

如同前文所述,目前XR裝置在消費娛樂應用的採用率較高,配戴時間不長,然而,隨著Vision Pro帶起MR裝置浪潮,將有機會擴增頭戴式裝置應用,延長配戴時間,而AR眼鏡若希望能取代手機成為新的使用者介面,輕量化和電池續航力是關鍵要素,顯示和功耗優化技術的演進將推動具備不同性能的XR裝置進入市場。

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