目前應用產品業者仍寄望銷售高價產品,因而虛擬實境眼鏡(virtual reality headset)、無人機(UAV, UAS, Drone)等成新矚目焦點,VR眼鏡知名的產品有Sony的PSVR、宏達電HTC 的Vive、臉書Facebook的Oculus Rift等;無人機領域也有大疆DJI的Phantom、Parrot的BEBOP、昊翔Yuneec的Breeze等。
VR、無人機的興起,也與近年來的開放硬體風氣相結合,例如2015年雷蛇(Razer)就提出開放專案OSVR。OSVR不僅打造採用開放硬體設計的VR眼鏡,也發展與VR眼鏡相關的開放軟體。至於在無人機領域,開放軟硬體的風氣更盛,同時有多個開放軟硬體專案在進行。本文將先詳介OSVR的硬體設計,而後延伸說明無人機相關開放專案的發展概況。
三大部件/七片電路板構成OSVR
OSVR的硬體部份就終端使用者面而言分成三部份,一是配戴的眼鏡(或稱耳機、頭盔),二是腰帶盒(Belt Box, BB),三是紅外線攝影機(圖1)。紅外線攝影機必須用USB介面連至個人電腦PC,眼鏡透過HDMI介面、USB介面等連至腰帶盒,腰帶盒再同樣以HDMI、USB介面連至PC。
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| 圖1 OSVR三大部件:眼鏡(左)、腰帶盒(左2)以及紅外線攝影機(右上)。 資料來源:RazerZone |
OSVR 1.0、1.1版沒有紅外線攝影機,對玩家的移動、觀看角度等捕捉,都是透過眼鏡內的慣性感測器(Inertial Measurement Unit, IMU)來感應。自1.2版開始,OSVR加入外部紅外線偵測,而眼鏡上也配置多個紅外線發光二極體(IR LED)以便更精確捕捉使用者動作。
OSVR在2016年6月推出2.0版(圖2),大體與1.x版相同,但顯示器的解析度、更新率提高,自1,080×1,200增至2,160×1,200,主要是抗衡PSVR、Oculus Rift DK2等產品,但1.x版仍並行發展與持續更新,至2017年1月為1.4版。
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| 圖2 OSVR HDK2眼鏡的構成,包含眼鏡身、透鏡、AMOLED顯示器、電路板、護蓋等。 資料來源:RazerZone |
OSVR的開放硬體也分成三種性質的設計,一是機械機構,二是光學透鏡,三是系統電路,無論眼鏡、腰帶盒、紅外線攝影機均牽涉到電路設計與機構設計,而眼鏡與紅外線攝影機還有光學透鏡設計,不過紅外線攝影機部份的透鏡已與影像感測器結合在一起,透鏡設計的相關尺寸規格等揭露主要在眼鏡內。
有關機械與光學部份在此省略,重點將在電子設計面。整套OSVR有7片電路板,眼鏡內5片(圖3),腰帶盒1片(圖4),攝影機1片。眼鏡內的5片為HMD Board、IR Board、USB Board、U Board以及Front Cover,腰帶盒內的電路板則稱BB Board,攝影機則是整個已由模組電路板代工廠完成,稱為IR Back Module。
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圖3 OSVR HDK2眼鏡內的5片電路板。 資料來源:iFixit |
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| 圖4 OSVR HDK2的腰帶盒、紅外線攝影機等內部電路板。 資料來源:iFixit |
IR LED驅動電路、USB介面擴充電路
眼鏡內雖有5片,但技術重心落在HMD Board,其餘4片多為了遷就機械構型而以轉角度方式或軟板方式與HMD Board連接。例如U Board以軟板(FPC)方式連接10個IR LED,Front Cover亦以軟板方式連接18個IR LED,共28個IR LED,波長均為850nm,供應商CT-Micro。
為驅動IR LED也使用STMicro專門的LED驅動晶片、STMicro的8位元MCU晶片,其他與紅外線收發相關的也包含OSRAM的光二極體(Photo Diode)、Vishay紅外線遙控的預放大器(Preamplifier)晶片,更次末的則是被動元件、連接器等。
USB Board亦相當簡易,僅在提供USB 3.0連接介面,連接器外僅有電容、電阻等,此一USB介面用於未來擴展延伸應用,尚未有明確用途。
就目前所知,Leap Motion公司推出的Orion影像感測器可以附掛在OSVR眼鏡前方,用來感測終端使用者的肢體動作,讓虛擬實境的畫面中顯現出玩家的手,而有更豐富真實的互動。Orion影像感測器即是透過USB介面與OSVR眼鏡連接。
HMD電路板的重心在4顆晶片
OSVR眼鏡的技術重心在HMD Board,且主要集中在4顆晶片上,一是博世(Bosch)的BNO070,此為9軸慣性感測器(IMU)晶片,晶片內有3軸加速度感測器、3軸磁阻感測器(數位指南針)以及3軸角加速度感測器(陀螺儀),並內建32位元MCU負責處理感測資訊。9軸慣性感測用於感應VR眼鏡的搖頭晃腦的角度、速度、方位。
二是東芝(Toshiba)的TC358870XBG,該晶片為橋接晶片,橋接HDMI介面與2組MIPI DSI介面,並具備HDCP視訊防拷機制的金鑰(Key),運用此晶片一端用DSI介面與眼鏡內AMOLED顯示器連接(左右眼各一組顯示器與一組DSI介面),另一端用HDMI介面與帶盒連接。
三是微芯(Microchip)的USB5534B-5000JZX晶片,此晶片為4埠的USB集線器(Hub)控制器晶片(iFixit拆解專文顯示此處為SMSC的USB5534晶片,但功用相同,此處以GitHub網站記載為主),用於前述的USB介面連接,未來在眼鏡上有相關附搭設計即可運用上。四是Atmel的ATXMEGA256A3BU-MH晶片,為8/16位元的MCU晶片,負責眼鏡上的總體控制統籌運作。
除4顆關鍵晶片外也有其他晶片的搭配,然多數與電源管理有關,如抗靜電(ESD)晶片、4組雙向的電壓準位轉換晶片、三重(triple)輸出的AMOLED顯示器供電晶片、過電壓(OV)保護晶片、電壓調整器(Regulator)晶片,以及致新GMT的微處理器監督重置(Supervisory Reset)晶片。
腰帶盒僅為影音、控制信號的中繼器
在HMD Board之後是腰帶盒BB Board,腰帶盒的功用在於匯整、強化眼鏡與PC間的訊號,包含影音訊號與控制訊號等,其中的關鍵在3顆晶片,一是譜瑞的PS8407ATQFN40GTR2-A1,該晶片為HMDI訊號強化晶片,包含清除訊號的抖動(Jitter),以及把訊號中繼強化(Repeater)等,以便讓OSVR眼鏡與PC間的HDMI纜線長度可以增加,降低終端使用者的移動限制。
二是Genesys Logic的GL3522-OTY22晶片,此亦為USB 3.0的集線器晶片,用來強化USB介面的控制訊號,使OSVR眼鏡與PC間的USB纜線長度可以增加,降低終端使用者的移動限制。
三是科勝訊(Conexant)的CX20705晶片,用來中繼強化音源訊號,晶片內有音訊專用的數位信號處理器(DSP),並有音訊的編解碼電路(CODEC),以及D類音訊放大器(Class-D AMP)等功用。同樣的,此可使OSVR眼鏡與PC間的音源線長度增加,減少終端使用者的移動限制。
除3顆重點晶片外,其他週邊晶片亦同為電源管理相關晶片,不過有一顆ROHM的256k-bit EEPROM晶片與一顆華邦Winbond 512k-bit Flash晶片,用於對應儲存前述HDMI介面晶片、USB介面晶片的相關組態配置(configuration)資料。
IR Back Module技術尚未完全揭露
嚴格而論,GitHub上的OSVR專案官網並未詳整揭露紅外線攝影機的模組電路,但透過拆解得知,模組上除配置紅外線影像感測器外,模組上的主控晶片為瑞昱的RTS5838,負責將感測到的紅外線影像進行前階段處理,之後再透過USB介面傳遞給PC,完成後段處理。
RTS5838外部也搭配一顆Elm Technology的GD25D05B Flash晶片,用來儲存攝影機的組態配置。攝影機部份是透過PC的USB介面取得運作電力,且不用跟隨玩家移動,因此不需太長的線路,接線也不用經過腰帶盒。
OSVR將對Oculus Rift產生較大衝擊
嚴格而論,OSVR HDK1/HDK2的技術與系統與Oculus Rift DK1/DK2接近,而與PSVR、Vive有較大差別,然Oculus Rift並非開放硬體設計。
且就價位而論,OSVR約299.99∼399.99美元(HDK1或HDK2,HDK1可增購220美元的新款AMOLED顯示器,一樣可升級成HDK2),Rift DK2約599美元,PSVR約399美元,Vive約799美元。
但以整體購置而言,PSVR只要搭配399美元的PS4遊戲主機,另三款需搭配高規PC,價位均超過399美元,甚達600美元。由於OSVR在技術與價位上與Oculus Rift相近,OSVR的推展必然對Oculus Rift產生影響。
無人機開放專案百家爭鳴
有關Drone的開放專案相當多,如Arducopter、Dronecode、OpenPilot、Paparazzi、Pixhawk等,至少有十數個開放軟硬體專案在進行。
最早是2003年的Paparazzi專案,而後2009年3DR(3D Robotics)公司用於四軸無人機上的ArduPilot飛控電腦(flight controller,有時也稱AutoPilot),此一飛控電子系統根基於知名開放硬體專案Arduino,而後2010年演進成AuduPilot Mega(簡稱APM),2011年則為APM 2,之後2012年有2.5、2.6等,2013年3DR與AutoPilot共同推出Pixhawk等(圖5)。
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| 圖5 ArduPilot、APM、Pixhawk等飛控電腦。 資料來源:bbs.loveuav.com |
ArduPilot/APM雖名為飛控電腦,但相同的控制系統也用於其他創客(Maker)專案,例如用於打造傳統飛機的APM:Plane、四輪遙控車的APM:Rover、潛水用的ArduSub(Remotely Operated underwater Vehicles, ROV)等。
而2014年由3DR與Yuneec共同提出的Dronecode則往高階飛控軟體領域發展,例如降落地點辨識演算、飛行路線中的避障(避開障礙物)演算等,但飛控硬體系統方面依然採行Pixhawk,Pixhawk之後有Pixhawk 2,用於3DR的Solo四軸飛行機上。
Pixhawk為開放的硬體飛控系統,但其韌體可有不同選擇,如PX4或APM,APM即是原有APM硬體系統上的韌體,轉移植到Pixhawk硬體上來執行,PX4則原生於Pixhawk,但之後PX4也延伸支援其他飛控系統,如高通Qualcomm的Snapdragon Flght,或PixRacer等。
前述ArduPilot根基於Arduino,然也有根基於另一知名開放專案Raspberry Pi(RPi)的飛控系統專案,如Emlid公司提出的NAVIO2,但飛控的韌體(也稱flight stack)仍是APM。另外飛控電腦Erle-Brain3也同樣根基於RPi,Erle-Brain發展路線與APM近似,不限定只用於四軸飛行器,也可用於其他應用。
另外有些專案已進行合併,如2010年AeroQuad的專案程式碼併入ArduCopter發展,或已經少有新動向的OpenPilot專案,或對岸提出的小型四軸飛行器專案「圓點博士」,顯見目前Drone相關的開放軟硬體專案,仍處於百花齊放的階段。
對抗ASP下滑趨勢 為必要條件差異化
在筆記型電腦、智慧型手機成長趨緩後,連帶也影響資通訊產業、半導體產業,對此英特爾(Intel)、台積電等大廠帶頭倡議穿戴式(Wearable)、物聯網(IoT),期望用更小型、更平價的資訊系統銷售來提振產業需求。雖然終端產品業者未必能接受產品平均單價(ASP)將進一步下滑的趨勢,紛紛以單價較高的虛擬實境(VR)、無人機做為主打產品,但隨著開放軟硬體風潮也開始吹向VR及無人機領域,終端產品製造商若想守住ASP,恐怕得拿出更多創新及差異化設計的本領。




