查看引用/信息源請點擊：映維網(wǎng)Nweon

最小化面部追蹤所需功耗

（映維網(wǎng)Nweon?2023年07月31日）對于XR設(shè)備，為了更長的續(xù)航和便攜性，需要實現(xiàn)低功率和更小的形狀參數(shù)設(shè)計。但隨著面部追蹤的普及，這項功能可能會消耗大量電力。

在名為“Resonant drive system for rf face tracking”的專利申請中，微軟介紹了一種最小化面部追蹤功耗的方法。這家公司指出，電感和電容（LC）諧振驅(qū)動是最小化面部追蹤功耗的好方法。由于驅(qū)動器電感和感測電容的LC諧振頻率，由此產(chǎn)生的驅(qū)動信號可以在目標(biāo)頻率增強，從而提高設(shè)備的可靠性和安全性。

面部追蹤系統(tǒng)的傳感電容取決于傳感天線與被追蹤面部皮膚之間的距離。由于面部肌肉的運動，距離會隨著面部表情的變化而變化。用于面部追蹤驅(qū)動器的傳統(tǒng)LC諧振驅(qū)動電路需要高功耗，因為要通過可能集成到微處理器或ASIC中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC處理的感測信號應(yīng)該盡可能大，從而實現(xiàn)更高的分辨率。

傳統(tǒng)的驅(qū)動電路使用快速和低失真運算放大器，而這非常耗電。然而，使用LC諧振驅(qū)動電路與直流（DC）到交流（AC）轉(zhuǎn)換器可能是最好的方法，因為它可以實現(xiàn)大幅度的傳感信號，而不需要高功耗。半橋電路可以集成到ASIC中，以幫助減少傳感器解決方案的面積。

使用半橋驅(qū)動器的傳統(tǒng)DC-AC轉(zhuǎn)換器需要一個線性穩(wěn)壓器或數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC作為輸入源，因為輸入信號應(yīng)該根據(jù)目標(biāo)輸出信號的幅度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。然而，由于大量的靜態(tài)電流，所述電路存在線性功率損耗。

微軟認(rèn)為，用于射頻RF面部追蹤的數(shù)字控制諧振驅(qū)動方案可以成為MR可穿戴設(shè)備的一個優(yōu)秀解決方案。

圖1是數(shù)字控制諧振驅(qū)動系統(tǒng)100的框圖，其中包括用于將直流電源110轉(zhuǎn)換為交流電源的DC-AC轉(zhuǎn)換器105。轉(zhuǎn)換器105包括控制柵極驅(qū)動器112的邏輯電路111。柵極驅(qū)動器112在行113上向高晶體管M1 114的柵極提供VGH信號，并在行115上向低晶體管M2 116的柵極提供VGL信號。

VGI交替地打開和關(guān)閉晶體管，從而在導(dǎo)體117上產(chǎn)生交變輸入信號LX。晶體管M1 114和M2 116作為半橋電路工作。

DC-AC轉(zhuǎn)換器105可以產(chǎn)生具有峰值電壓的交流電源。其中，峰值電壓處于介于電池的直流電壓和驅(qū)動系統(tǒng)100產(chǎn)生的峰值交流電壓之間的中間水平。驅(qū)動系統(tǒng)100同時可以包括q控制濾波器，其使用串聯(lián)電感120耦合以接收導(dǎo)體115上的交流信號。

所述電感120可以是常規(guī)電感120或多個電感耦合電感。與由面部追蹤傳感器天線130和面部皮膚135形成的電容125結(jié)合。

輸出導(dǎo)體145攜帶包含放大的交流信號的輸出，標(biāo)記為SENSE_OUT 146的輸出信號具有峰對峰幅度，由控制器150通過占空比控制對轉(zhuǎn)換器105中的邏輯電路111進(jìn)行調(diào)整，而不是DC- ac轉(zhuǎn)換器105中的典型直流電壓調(diào)整?？刂破?50包括在一個示例中可以從中計算峰值到峰值信號幅度的模擬到數(shù)字AC-DC轉(zhuǎn)換。

在一個示例中，控制器150產(chǎn)生兩個邏輯信號。一個占空比信號155，占空比RFFT是一個被修改以調(diào)整SENSE_OUT 146信號幅度的信號。

第二個邏輯信號是驅(qū)動頻率信號RFFT_FREQ 156，它設(shè)置導(dǎo)體115上驅(qū)動信號的總頻率。

天線130可以是在面部追蹤系統(tǒng)140中使用的電容追蹤。所述系統(tǒng)140可以包括圖1所示集成到框架中的電路，所述框架還可以包括諸如電池的電源110。

顯然，廠商希望將這種電路的重量和尺寸最小化以優(yōu)化佩戴者的舒適度。同時，電池應(yīng)該有足夠的電量來運行系統(tǒng)140適。

系統(tǒng)140可包括多路復(fù)用器165，以交替驅(qū)動表示在170和175處的進(jìn)一步傳感器。由于傳感器中的每一個交替地與它們鄰近的表面形成感測電容器，當(dāng)每個傳感器通過多路復(fù)用器165耦合到剩余電路時，占空比將被修改。

圖2是邏輯電路111的邏輯框圖。放大器210簡單地提供來自與門205的邏輯信號，而放大器215則反轉(zhuǎn)來自與門205的邏輯信號。放大器210提供VGH 113，而反相放大器215提供VGL 115。

圖3是時序圖，說明占空比信號。半橋電路可以與處理電路集成在ASIC中，而不需要高電源。由于邏輯電路相當(dāng)簡單，可以減少布局面積和提高功率效率。

通過占空比控制，可以調(diào)節(jié)直流-交流變換器的輸入幅值，以滿足系統(tǒng)的目標(biāo)交流信號幅值。諧振頻率隨傳感器電容125的變化而變化。驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)換器105在固定輸入頻率下的輸出的增益和相位將隨著改變輸出信號146的感測電容變化而相應(yīng)改變。

由于諧振頻率處的峰值增益，可以在很小的輸入信號下實現(xiàn)非常大的輸出信號幅度。

圖4是示出基于輸出信號幅度與目標(biāo)幅度的比較來控制占空比的方法400的流程圖。方法400可以通過控制器150中的軟件或通過硬件或兩者的組合來實現(xiàn)。在一個實例中，目標(biāo)幅度可以固定在提供用于傳感的最佳幅度，同時使電池110的能量消耗最小化的幅度。

在操作410時，將輸出信號幅度與目標(biāo)幅度進(jìn)行比較，例如20伏的峰值與峰值之間的比較，以確定輸出信號幅度是否大于目標(biāo)幅度。

其它峰對峰目標(biāo)幅值可用于進(jìn)一步的示例中。

如果操作410為是，則在操作415降低占空比頻率，并且處理返回操作410以定期執(zhí)行進(jìn)一步檢查。如果不是，則將輸出信號幅度與目標(biāo)幅度進(jìn)行比較，以確定輸出信號幅度是否小于目標(biāo)幅度。

如果是，則在操作425時增加占空比，并返回操作410以定期進(jìn)行進(jìn)一步檢查。如果不是，則在操作430時不改變占空比，并返回操作410進(jìn)行周期性的進(jìn)一步檢查。

在一個示例中，可以改變占空比以提供所需的目標(biāo)電壓。占空比最終成為所需有效電壓的函數(shù)。例如，給定3.3伏的電源110，如果期望的信號幅度為1伏，則占空比將是該1伏除以3.3伏的函數(shù)。

變化可以用同樣的方式計算。如果低于目標(biāo)幅度0.1伏，則占空比可增加0.01除以3.3伏。在一些示例中，如果每個傳感器有足夠的周期以允許較慢的收斂，則可以使用小于該增量的增量以更慢地收斂于目標(biāo)幅度。

圖5是示出通常在500點處的控制信號的時序圖。軌跡510說明了驅(qū)動頻率信號電壓V(RFFT_FREQ 156)。

軌跡520說明占空比信號電壓V(DutyCycle_RFFT 155)。VGH信號113電壓顯示在跡線530,VGL信號115電壓顯示在跡線540。

當(dāng)驅(qū)動頻率信號較低時，VGH較低;當(dāng)驅(qū)動頻率信號較高時，VGH隨占空比信號追蹤。VGL是從VGH反轉(zhuǎn)過來的。如圖1所示，VGH和VGL分別通斷和關(guān)斷晶體管M1 114和M2 116。

圖6A和6B時序圖表示諧振頻率下的瞬態(tài)響應(yīng)和相應(yīng)的控制信號。軌跡620是從晶體管M1 113和M2 116輸出的電壓。軌跡是電感120和感測電容125組成的LC諧振電路產(chǎn)生的輸出信號電壓V。占空比信號電壓顯示在軌跡630，驅(qū)動頻率信號電壓顯示在軌跡640。

諧振驅(qū)動系統(tǒng)100可以消除由于DC- ac驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換引起的線性功率損耗或為DC- ac轉(zhuǎn)換器電路提供直流電壓的線性穩(wěn)壓器中的功率損耗，因為諧振驅(qū)動系統(tǒng)的輸出信號幅度是通過固定直流輸入源160的占空比控制來調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)100能以低功耗實現(xiàn)被測信號的放大，而固定直流電壓源可作為直流-交流轉(zhuǎn)換電路的輸入。所述輸入信號117可通過占空比控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時所述諧振驅(qū)動電路包括所述半橋電路以及所述柵極驅(qū)動器112的電感和邏輯111。

這避免了輸入電源的線性功率損耗，并延長了電池續(xù)航。換句話說，MR可穿戴設(shè)備的低功耗面部追蹤解決方案可以通過數(shù)字控制諧振驅(qū)動系統(tǒng)100來實現(xiàn)。

圖7是用于一個或多個面部追蹤傳感器的控制輸出信號幅度的流程圖。

710，通過用由數(shù)字控制諧振驅(qū)動電路產(chǎn)生的交流輸入信號驅(qū)動面部追蹤傳感器。

720，從面部追蹤傳感器接收輸出信號。

730，將輸出信號的幅度與目標(biāo)幅度進(jìn)行比較。

740，修改諧振驅(qū)動電路的占空比以控制輸出信號。

修改占空比包括響應(yīng)于大于目標(biāo)幅度的輸出信號的幅度而減小占空比。當(dāng)輸出信號的幅值小于目標(biāo)幅值時，增加占空比以增加對傳感器的驅(qū)動信號。

通過執(zhí)行占空比數(shù)字信號和驅(qū)動頻率數(shù)字信號的邏輯與來產(chǎn)生第一數(shù)字輸入信號，從而用交流輸入信號驅(qū)動面部追蹤傳感器。然后，驅(qū)動耦合到LC諧振電路的半橋式晶體管對來產(chǎn)生交流輸入信號。

在一個示例中，驅(qū)動頻率數(shù)字信號保持恒定，并且占空比具有約為驅(qū)動頻率數(shù)字信號頻率的十倍的標(biāo)稱頻率。

圖8是用于眼動追蹤的系統(tǒng)800的框圖。系統(tǒng)800可以包括以一副眼鏡810的形式的頭顯設(shè)備。眼鏡810具有一個框架815，而框架815包括多個面部追蹤傳感器。

框架815同時可以包括如圖1所示的數(shù)字控制諧振驅(qū)動電路830，其用于向面部追蹤傳感器820提供交流輸入信號。

電路830同時包括耦合到接收來自面部追蹤傳感器820的輸出信號的控制器。如前所述，控制器將輸出信號的幅度與目標(biāo)幅度進(jìn)行比較，并修改諧振驅(qū)動電路的占空比以控制輸出信號。

相關(guān)專利：Microsoft Patent | Resonant drive system for rf face tracking

https://patent.nweon.com/28924

名為“Resonant drive system for rf face tracking”的微軟專利申請最初在2021年12月提交，并在日前由美國專利商標(biāo)局公布。

---
原文鏈接：https://news.nweon.com/110983