发布日期: 2023年3月3日

揭秘元宇宙：近观 VR 设备及其超紧凑传感器

元宇宙^*1是一个虚拟的在线空间，可以让用户通过虚拟化身（Avatars）畅享各种体验。虚拟世界不仅有游戏和有社交网络，还有娱乐和购物等服务。3D 计算机图形之所以能创造虚拟空间体验离不开显示器、控制器等 VR 设备的迅猛发展。本文将深度解析支撑着VR 设备小型化和高性能发展的 TDK 传感器技术。

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元宇宙正在引起人们极大的兴趣

元宇宙是一个由计算机生成的跨网三维空间。用户可以用虚拟化身享受游戏、音乐等其他娱乐项目，与世界各地的用户交流，尽情地购物，并在不断膨胀的空间里畅享各种服务。

人们普遍认为，元宇宙拥有的潜力之大，已经堪比最初的互联网革命。预计元宇宙将蔓延到各行各业，包括社交网络、娱乐、零售、教育等。据估计，到 2030 年，全球元宇宙市场将增长到 6788 亿美元（78.8705 万亿日元）。

元宇宙趋势 — *资料来源：由日本总务省*发布的《2022 年信息通信现状报告概览》

探索元宇宙离不开 VR 设备

现如今，具备 3D 图形功能的高性能PC和智能手机迅猛发展，用于元宇宙交易的加密货币和 NFT（非同质化代币）^*2的数量大幅激增，以及头戴式显示器 (HMD) 和控制器等 VR 设备日益精进，这一切都加速了元宇宙的爆炸式扩张。用户只要带上头戴式显示器，就能沉浸在由高分辨率 3D 图形渲染的虚拟空间中。

头戴式显示器通常配有可为每只眼睛独立成像的多个显示器，图像之间有视差，因此用户可以通过三维感知计算机生成的空间。除此之外，设备会根据头部的角度、方向和运动轨迹来调整图像，让用户完全沉浸于虚拟空间。由此可见，能够检测出头部最细微运动的传感器组件性能就是提供超现实体验的关键。

VR 眼镜的工作原理示意图 — 显示器会根据头部的运动和倾斜角度来调整图像的显示。用户通过手持控制器做出的任何动作也都会反映到图形当中，让用户获得身临其境般的虚拟体验。

VR 设备传感器的性能要求

VR 设备依靠大量传感器来检测用户动作，并将信息传递给 VR 处理器。在所有传感器中，运动传感器尤为重要，其通过加速度传感器和陀螺仪检测用户头部和手部在 3DoF（自由度）范围内的运动和旋转情况。

三轴陀螺仪可测量旋转角速率，并进一步转换为旋转角度，而三轴加速度传感器则可测量 x、y 和 z 轴上的线性运动加速度和重力的组合，然后结合角速度数据，估算地球坐标系中的 3D 方位。

6 轴 IMU（惯性测量设备）在单个芯片中集成了一个 3 轴加速度传感器和一个 3 轴陀螺仪，它可通过头戴式显示器测量头部方向和姿势，还可以通过手持控制器测量手部运动。VR 设备的性能和用户体验与其内部运动传感器的准确性和响应能力密切相关。

TDK 运动传感器的出色性能

TDK 的 ICM-456xy 是一款拥有超高性能的 6 轴 MEMS 传感器系列，它由一个 3 轴陀螺仪和一个 3 轴加速度传感器组成。其封装（Package）尺寸只有 2.5 x 3 x 0.81 mm，小到可以放在指尖上，可以安装在各种设备中，包括 VR 及其他可穿戴设备。

开发该产品的 TDK 集团公司 InvenSense 的产品营销总监 Song Li 给出了对 VR 设备中所用传感器的要求。“硬件限制是拓宽元宇宙接受度的一大挑战。要享受元宇宙，AR/VR 头戴式显示器和控制器必不可少，但目前的设备都太过笨重，而且电池续航时间也不够长。因此我们需要体积更小、性能更高、工作时间更长的传感器。”

作为 TDK SmartMotion® 系列MEMS 运动传感器的最新产品，ICM-456xy 是全球首个采用 BalancedGyro™ 技术的 IMU。该技术使陀螺仪实现了出色的减震性和温度稳定性，可保障高精度的稳定运行。这款运动传感器具有革命性意义，实现了业界最低的功耗，并支持机器学习/传感器芯片融合。

Song Li 还补充道：“作为 MEMS（微机电系统）运动传感器领域的领导者，InvenSense 在 MEMS 和 ASIC 设计方面拥有丰富经验，我们也因此能够利用最新的节能技术制造高精度、低噪声的传感器。我们相信 ICM-456xy 可以为下一代 VR 设备的开发做出重大贡献。”

VR 设备在连接现实与虚拟空间方面发挥着关键作用，其中安装的微型运动传感器能够进一步提高设备性能并实现小型化。TDK 技术正在使元宇宙体验更贴近我们的生活，也更真实。