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映维网Nweon
2024年11月18日

）对于面部表情追踪，电容通常是通过眼镜设备左右镜臂的电极来检测。但由于电容与距离有关，对于眼镜设备，如果传感器和皮肤之间有间隙，或者皮肤一直与传感器接触，则需要更高的灵敏度来识别细微的变化。

在一份专利申请中，
微软
提出了一种用于AR/VR设备的皮肤/面部检测方法。

作为示例，图1显示了用户100和头显设备110。头显设备110包括射频人脸检测系统115。射频人脸检测系统115配置为确定用户100是否佩戴头显设备110，如果佩戴头显设备110，则根据确定的电容变化追踪用户100的皮肤和面部运动。例如，射频面部检测系统115可以感知用户100太阳穴处已知对应于下颌运动的皮肤的局部运动。

在用户100没有佩戴头戴设备110，射频人脸检测系统115仅检测基线电容。当用户100戴上头显设备110时，射频人脸检测系统115可以感知电容的显著变化，表明现在正在佩戴头显设备110。因此，所检测的电容可以配置为用于检测与用户100面部运动相关的变化的基线电容。用户100开始说话，而用户100面部相对于头显设备110的这种移动可以通过射频面部检测系统115并基于电容的适度变化来识别。

因此，面的相对位置和运动调制或改变电容器处的电容。在发明描述的示例电路中，振荡器用于产生驱动信号。电路既可以是检测电路，又可以是驱动电路。对电容的调制反馈到振荡器中，直接影响振荡器频率。然后可以记录来自振荡器的信号信息，然后将其从频域转换为直流（DC）电压。电压可以测量，电容的变化可以至少根据振荡器的基准频率推断出来。所以，端面的位置会影响电容，从而影响振荡器的频率。

以前，有的解决方案涉及电感-电容-电阻（LCR）电路，并需要消耗大量的电池功率和电压。

微软提出了一种低压驱动互补金属氧化物半导体（CMOS）制造电路，并可用于可穿戴设备的电容测量，例如包括射频面部追踪子系统的头戴式显示器。这样的电路不需要包括高Q电感器或双极放大器。相反，单个开关可以与单极放大器一起使用。

振荡器可以驱动靠近用户皮肤的第一电极，使得皮肤相对于电极的运动影响用户皮肤和电极之间的电容，进而影响振荡器的频率。在振荡器和电极的下游，信号从频域转换到幅度域。包络检测器可以接收转换后的信号并确定振荡器频率，从而确定电极与用户皮肤之间的电容。

图3示出面部追踪示例。

射频面部追踪阵列304包括多个射频天线306，其由沿头显设备300的框架308、显示器310和312以及凹槽314和316设置的黑色圆圈表示。

在本例中，射频天线306被分组到8个示例射频信道（321、3222、323、324、325、326、327和328）中，用3个天线组周围的虚线表示。然而，在一个射频信道中可以包含更多或更少的天线，并且信道不需要由相同数量的天线组成。可以包括更多（例如，16）或更少（例如，4）射频通道。

可以处理接收的射频信号，以寻找脸颊、眉毛、前额和鼻子的存在和运动。射频通道组可以电耦合到一个公共继电器，允许多个通道一起激活或停用。随着越来越多的天线和/或通道激活，面部追踪机器在检测相对较小的运动以及检测距离增加的运动方面就会变得越敏感。

在一个实施例中，每个单独的射频天线306可使人体使用者体表的不同部分暴露于电磁场。例如，一个或多个射频天线可以在用户眼睛附近产生E-field，而一个或多个其他射频天线可以在鼻子附近产生E-field，依此类推，从而实现对用户面部的期望覆盖。这可能使头显设备300能够检测用户面部的运动，并将这种运动分类为预定义的运动。

面部追踪系统302可包括可用于实现和控制多个射频天线的电子元件。例如，每个射频天线306可以与专用集成电路（ASIC） 350通信耦合。

数字ASIC可以使用CMOS工艺，而模拟ASIC使用BCD工艺。可以通过采用CMOS工艺而不是BCD工艺来实现显著的节能。逻辑元件可以使用任何合适的硬件组合来驱动和扫描一个或多个射频天线。例如，射频天线306可与射频谐振器356和电感器358通信耦合。元件组合在一起可用于产生驱动信号，当提供给射频天线时，使射频天线产生E-field。

在一个实施例中，可以用一串子电路来降低振荡器和核心电路的电压幅值。这个子电路链可以包括一个电压从动器和一个将频率转换为电压的微分器，以及一个用于测量电压的包络检测器。然后，控制器可以根据电压的变化确定电容的变化。

图4示出了包括检测电路402的可穿戴设备400。检测电路402可由电压电源405供电。

检测电路402包括四个顺序级，包括振荡器级410、电压从动器412、微分器414和包络检测器416。在一个实施例中，电压从动器412和微分器414是频率-电压转换器418的组件，配置为产生振荡器频率的电压表示。

振荡器级410包括有源电感-电容（LC）振荡器420。振荡器420配置成输出具有依赖于电容的频率的振荡电压信号。所述振荡电压信号可用于驱动电极，如电极422。电极422可与佩戴可穿戴设备400的用户的皮肤426形成报告电容器424。所以，当用户佩戴可穿戴设备400时，皮肤426形成报告电容器424的第二侧。

报告电容器424的电容的微小变化可以产生LC振荡器420的振荡器频率的显著变化。报告电容器424可包括在RLC并联谐振电路428中。

以前的电路技术通常是通过BCD制造实现。通过BCD实现，流程节点可以施加高电压。在此阶段的低功率下，可以调谐RLC并联谐振电路上的电阻器。电感器的Q值可以降低，电压幅值同样可以降低。

在振荡器420是科尔皮茨振荡器的例子中，它可以调整为在非BCD的电路制造中工作。而不是使用高电压幅值的高Q电路和高Q振荡器，调整后的电路可以在降低的电压幅值上工作，从而避免高压BCD依赖过程，并利用低压幅值轨。这种低电压轨更有利于运行低功率电路。

电路的变化使其在低功耗应用中更加灵活，例如电压轨低功耗的CMOS应用。这种器件通常电压很低（例如，工作范围为1.2-3.3 V），可以避免更高的电压过程，并允许更规则的过程来实现基于谐振模型的电容检测。

例如，如果RLC并联谐振电路428中的电阻在100兆欧的量级上，或者完全移除，则电路将变得非常高Q。由振荡器420控制的Q与R成正比，所以振幅将变得非常高，在11-12V的量级上。故意选择一个相对较低的电阻值，可以使电压波形具有较小的幅度和较低的Q，同时保持可接受的电容检测。在实施检测电路402中使用低Q因子和相对低电阻值的好处是能够构建敏感电路，而电路基于电容的适度变化产生振荡频率的显著变化。

在本例中，振荡器420驱动电极422。皮肤426相对于电极422在Z方向的运动在报告电容器424处产生电容变化。电容变化将振荡器420的信号输出从第一频率调整到第二频率。然后可以评估谐振频率的变化，以确定报告电容器424处电容的变化，从而确定用户皮肤426的存在和/或移动。

无论包括基线频率还是电容调整频率，振荡器420输出的信号都进入电压从动器412。电压从动器412产生与振荡器420的电压追踪的电压，操作以有效地复制振荡器信号。

然而，电压从动器412输出的信号将始终与输入信号成比例地追踪。通过这种方式，相同的振荡器电压传递给微分器414，然后微分器对电压变化的速度做出响应，产生一个输出电压，并传递给包络检测器416。

在基于BCD的电路中，升压转换器通常用于为选定的ASIC解决方案提供电压。电压从动器412可以由运算放大器（Opamps）驱动。在一些例子中，微分器414的供电轨可以做得比较大，这样就可以覆盖振荡器420电压的剧烈波动。

在一个实施例中，控制器430可以直接对电压从动器412后的输出信号进行采样。模数转换器（ADC）可用于插入微分误差。另外，可以使用ADC对振荡频率进行采样。

然后，电压从动器412将条件信号传递给微分器414。微分器414对信号进行时间导数，得到一个正弦信号，其中正弦信号在中心和交叉点处振幅最大，在峰值和底部为零。然后将脉冲信号传递给包络探测器416。包络检测器416和微分器414协同工作以产生稳态电压水平的效果。

包络检测器416可以检测输出信号的幅度级，而不是频率。这允许较不复杂或较低频率的ADC前端，成本较低。ADC规格可能取决于正在测量的电容范围，以及它如何反映在输出电压的动态范围中。包络检测器416可将所述高频振荡信号作为输入，并提供所述信号的解调包络作为输出。

然后，控制器430可以对包络检测器416输出的信号进行采样，并通过查找表等通过振荡器频率反向计算来确定报告电容器424处的电容变化。另外或可选地，可以在输出节点的信号中评估紧随其后的包络线的上升和电压水平的上升。

尽管降低RLC并联谐振电路428中的R值和降低电压幅值可能会降低整体灵敏度，但只要最小可检测电容变化代表可接受的分辨率，就可以追踪用户皮肤的细微运动。

图5示出用于基于谐振振荡的电容测量的示例电路500。电路500是检测电路402的一个示例。电路500包括有源Colpitts LC振荡器502、电压从动器504、微分器506、包络检测器508和电压电源510。有源Colpitts LC振荡器502是LC振荡器420的一个例子，电压从动器504是电压从动器412的一个例子，微分器506是微分器414的一个例子，包络检测器508是包络检测器416的一个例子，电压电源510是电压电源405的一个例子。

振荡器502接收工作电压514 (Vdd)，产生振荡信号536 (OSC)， OSC用于驱动报告电容器538 （C4）的第一电极。振荡器502的输出进一步由第四个电阻542 （R4，显示值为22.3 kΩ）控制。

报告电容器538与电压从动器504相邻，形成节点544的一侧。节点544的另一侧连接第一电容器522与第二电容器524之间的结546。第一电容器522和第二电容器524可以是芯片封装的一部分。

第四电阻542的R值影响振荡器502的幅值和偏置电流。在本例中，第一电容器522和第二电容器524串联，而它们的影响可以使用并联方程来计算。第四个电阻542的R值与振荡器信号的电压幅值成正比，减小这个电阻会减小电压幅值。低功率应用的正常范围可以包括工作电压约为1.2V和正电压约为3.3V。所述值允许可接受的电容和检测水平。与高功率应用相比，总体灵敏度可能略有降低，但100 fF量级的变化依然可以区分。

因此，为第四个电阻542选择一个较低的值会降低振荡器502的振幅。频率变化依然以一种可以辨别的方式产生，但总体幅度和电压较低。进一步减小R4的R值可能会抑制振荡，因为R可能太小，在R4处可能会损失太多的能量。因此，可以为平衡增益和振荡的特定电路确定一个拐点。

图6示出用于基于谐振振荡的电容测量的另一个示例电路600。电路600是检测电路402的一个示例。在本例中，电路600包括如图5所示的电压从动器504、微分器506、包络检测器508。

电路600包括有源Colpitts LC振荡器602和电压电源604。有源Colpitts LC振荡器602是LC振荡器420的一个例子，电压电源510是电压电源405的一个例子。

振荡器602包括电感610 (L1)，如图所示，电感为3.3 m，以及包括第一电容器612 （C1）和第二电容器614 （C3）的分体式电容器。第一个电容器612的电容为30pf，第二个电容器614的电容为1.83 nF。第一个电阻616 （R1）和第二个电阻618 （R2）为电路提供稳定性，这里显示的值分别为1.5 kΩ和40 kΩ。

振荡器602接收工作电压608 (Vdd)，产生振荡信号628 (OSC)该信号用于驱动报告电容器630 （C2）的第一电极。振荡器602的输出可以进一步由第四电阻634控制。在本例中，报告电容器630未连接到第一电容器612和第二电容器614之间的节点636。相反，节点636连接到节点638，产生分压器电容640 （cdiv）。

电路500和600采用自电容测量，其中振荡器既被驱动，又充当感测电极。在其他示例中，可以使用其他调制方案，例如互电容。例如，在图6中，报告电容器630可以连接到第四电阻634以产生互电容。在互容电路中，既有驱动节点又有接收节点。

图7示出用于可穿戴设备的示例方法700。

在710中，以振荡波形驱动位于可穿戴设备外部的第一电极，第一电极形成报告电容器的第一侧。振荡波形可以由LC振荡器产生。

在720，基于振荡波形频率的变化监测报告电容器处的电容。

在730，将振荡波形的频率转换为电压表示。

在740，基于在包络检测器处识别电压表示中的阈值变化来识别用户皮肤的存在。

可选地，在750，响应于识别用户皮肤的存在，基于包络检测器处电压表示的变化识别用户皮肤相对于第一电极在Z方向的移动。电

图8示出报告电容器538处电容随时间的变化如何表现为包络检测器508处电压的变化。图800显示了在6V电源电压下信号振幅随时间的变化（以毫微秒为单位）。

在810，从振荡器502的振荡器信号的幅值显示，在2.4和4.2 V之间振荡。

在820，包络检测器508输出的电压表示在报告电容器538处的一组模拟电容值。电容值从0 fF扫过，大约0.5 ms后达到稳定状态。轨迹821接近1.0 fF，轨迹822接近2.0 fF，轨迹823接近3.0 fF，轨迹824接近4.0 fF，轨迹825接近5.0 fF。

如图830所示，将（C4 5xx）的电容从1.0 fF调整到2.0 fF会产生12 mV的幅度差。将（C4 5xx）的电容从2.0 fF调整到3.0 fF可产生10 mV的振幅差。将（C4 5xx）的电容从3.0 fF调整到4.0 fF可产生6 mV的幅度差。将（C4 5xx）的电容从4.0 fF调整到5.0 fF可产生4 mV的幅度差。

如图所示，电容变化确实可以通过谐振电路方法检测。

相关专利

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Microsoft Patent | Skin detection using voltage representations of frequencies

名为“Skin detection using voltage representations of frequencies”的
微软专利
申请最初在2023年4月提交，并在日前由美国专利商标局公布。