谷歌新技术：令人“脑洞大开”的隔空操作
袁一雪
2015年06月26日 来源：中国科学报
通过空气操作调整手表。 本版图片来源：百度图片
完全不需要接触，只需在空气中比划几个动作，你的智能终端就能完成你的操作指令。这并非一场魔术秀，而是科技现实。
完成这一创举的是美国谷歌公司。虽然只靠两个手指对空气的揉搓就能调整时间，或者一个拇指的下压就能按下确定键，听起来确实有些不可思议。但是，谷歌做到了。
这个“奇迹”归功于两个微小的芯片。
其实是雷达
在这项名为Project Soli的项目中，研究团队开发了两种Soli芯片用来完成“隔空操作”。在日前举行的谷歌2015网络开发者大会上，研究团队讲解了两种Soli芯片分别为脉冲雷达芯片和连续波雷达芯片，前者大小为9平方毫米，后者则为11平方毫米。
在大部分人的认知中，雷达似乎只用于侦察探测工作，多为军用，它是如何实现手势操作的呢？“所谓脉冲雷达和连续波雷达指的是从波形上区分的两种雷达体制。” 电子工程学院电子工程系副教授陈章鑫告诉《中国科学报》记者。
在生活中，常见的脉冲波形有心电图上高高低低的波形，“这些波形就可以理解为是一个一个的脉冲，只不过雷达发射的脉冲波形持续时间等有所不同。”陈章鑫解释道，“脉冲雷达通过主动发射这样的脉冲波形，主要用来测量目标相对于雷达天线的距离和方位，脉冲持续时间越短在距离上的分辨能力越精细，类似于尺子的刻度，刻度越精密，测量的精度越高。”
而连续波形则像湖中泛起的涟漪，波纹不断地连续向外扩散。“雷达发射连续波波形的目的主要是用来测量目标相对于雷达的运动速度的大小和方向，利用的是‘多普勒效应’。”陈章鑫说。
“多普勒效应”在日常生活中很常见同时也容易被忽视。比如，声音近大远小的现象，这并不是声音本身有变化，而是声源发出的声波像雷达发射连续波一样，在按下的时候它的频率近似于是恒定的。当声源靠近时，一定数量的波形被“挤压”在越来越短的距离里，使得声波的波长变得越来越短，从而导致其频率升高；当二者渐行渐远时，同样数量的波形被“拉伸”在越来越长的距离里，使得声波的波长变得越来越长，从而导致其频率下降。“‘多普勒效应’在表现上，大小与发射源和观察者或者目标之间的相对运动速度的大小成正比，与波长的大小成反比；增大或者减小则与运动方向有关。”陈章鑫说。
具体到Soli芯片运作上，“同时利用脉冲波形和连续波波形，可以测量目标的位置和相对运动速度的大小和方向。”陈章鑫解释说。例如，人们想做一个“单击”的动作，一般就用一个手指头向下做“点击”的动作，识别系统在识别出一个手指后，并且该手指向下运动，就可以判别为“点击”动作。也正是因为这一特性，目前的Soli只能识别四类特定的手势：搓动、捏合、点按和滑动。
神奇的60GHz
雷达的类型确定后，谷歌团队选择让其发射60GHz的毫米波。这个将来要被应用在5G上的无线电波，早已是世界多国竞相研究的目标。“事实上，从30GHz~100GHz之间信号被称为毫米波。其早期应用还是在于雷达、通信、航天和射电天文等领域。因为它需要的天线尺寸小，且可以提供更大的数据带宽。因此60GHz可以得到高的角度分辨率和距离分辨率，有利于实现精细测量；另外，该段波长的信号的方向性好，因此朝不同方向发射的信号之间的干扰很小。”陈章鑫说，“它的缺点也很明显，就是在大气中传播时衰减特别快，不适于长距离传输。”
然而正是这项缺点被谷歌“抓住”并成为毫米波的优势。“因为在个人电子产品应用中，最不希望的就是不同电子产品之间互相干扰，一个手势会被多个设备收到，造成误操作。而毫米波的这种快速衰减特性完全避免了设备之间的干扰，同时由于其操作距离其实很短，又满足了应用的需求。”陈章鑫告诉记者。
挣脱羁绊
如今可穿戴设备越来越小巧，然而在过小的屏幕上操作确实并不容易。Soli的出现显然为解决这一问题提供了良好的方案。
首先，“空气操作”将操作界面从屏幕中解放出来，提升到3D空间，且在随意位置即可操作；其次，从技术角度讲，毫米波有能力捕捉到5m空间范围以内的全部精细动作，误差精确到毫米。
“很显然，如果这样的功能能够成熟应用，应用领域将会异常广泛。因为在当前的电子设备中，显示屏的体积和功耗仍然极大地限制了设备的使用。”陈章鑫说，“如果‘空气操作’配合其他技术如谷歌眼镜的投影技术、无线充电技术等，人们在应用电子设备时所受的体积、重量等的羁绊将会‘归零’。”
从谷歌官方的演示视频来看，Google未来将把“空气操作”部署到手机、平板等平台，乃至蓝牙音箱等附件上，大大提升用户的操作范围。不过，此次在Google I/O 2015展示的Project Soli，目前仍处于初期发展阶段，未来仍有可能变动。
