몰입감 높은 환경을 위해 생체 인식, 바이오 피드백 및 상황 인식을 빠르게 적용하는 방법

메타버스를 위한 몰입감 높은 가상 현실(VR), 혼합 현실(MR), 증강 현실(AR) 및 확장 현실(XR) 환경을 구축하는 것은 복잡한 작업입니다. 이러한 환경을 구축하도록 돕기 위해 설계자는 생체 인식을 활용하여 사용자의 반응과 신체 상태를 파악하고, 바이오 피드백을 사용하여 사용자와 연락하고, 상황 분석을 이용하여 활용하여 주위 환경을 이해할 수 있습니다. 고감도 산소 포화도 측정기와 심박수 센서를 사용하여 생체 인식을 구현할 수 있습니다. 오디오 콘텐츠 또는 촉각 기능(터치 기반 상호 작용의 경우)을 통해 바이오 피드백을 제공할 수 있습니다. 마지막으로 30fps로 기록 가능한 3차원(3D) 수직 캐비티 측방 광방출 레이저(VCSEL) 시간차(ToF) 센서를 사용하여 환경을 지속적으로 매핑하고 상황 인식을 지원할 수 있습니다.

메타버스는 빠르게 진화하고 있습니다. 설계자는 출시 시간 및 개발 비용 제약을 충족하면서 이산 소자 솔루션을 기반으로 필요한 저전력 감지 및 피드백 기술 어레이를 빠르게 개발하여 통합하는 것에 부담을 느낄 수 있습니다. 또한 대부분의 메타버스 장치는 배터리로 구동되므로 저전략 솔루션이 필수적입니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 설계자는 고감도 산소 포화도 측정기 및 심박수 감지를 지원하고, 고효율 클래스 D 오디오 및 촉각 피드백을 제공하고, 주변광이 강한 조건에서도 높은 수준의 세분성으로 물체의 위치와 크기를 감지할 수 있는 VCSEL 기반 3D ToF 감지를 활용하는 통합 솔루션을 사용할 수 있습니다.

이 기사에서는 산소 포화도 측정기와 심박수 센서의 작동을 검토하고, 클래스 D 증폭기에서 고품질 초저전력 오디오 피드백을 제공할 수 있는 방법을 살펴보고, 생체 인식, 바이오 피드백 및 상황 인식을 위한 Analog Devices의 전력 효율적인 IC 어레이와 연결된 평가 기판에 대해 설명합니다.

생체 인식 상태 감지

광용적맥파(PPG)는 미세혈관 수준에서 혈액량 변화를 측정하고 산소 포화도 측정기와 심박계를 구현하는 데 자주 사용됩니다. PPG에서는 레이저를 사용하여 피부를 비춘 다음 특정 파장에서 광 흡수(또는 반사) 변화를 측정합니다. 결과로 표시되는 PPG 신호에는 직류(DC) 및 교류(AC) 구성품이 포함됩니다. 피부, 근육, 뼈 및 정맥혈의 일정한 반사율은 DC 신호를 생성하고, 동맥혈의 심박수 맥박은 AC 신호의 주 전원입니다. 확장(이완) 단계보다 수축(펌프) 단계에서 더 많은 조명이 반사됩니다(그림 1).

그림 1: 산소 포화도 측정기의 PPG 신호에는 각각 조직 구조 및 동맥혈 흐름과 같은 요소와 관련된 DC 및 AC 구성품이 모두 포함됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

PPG 신호에서 맥동(AC 신호) 혈액과 비맥동(DC 신호) 혈액의 비율은 관류 지수(PI)입니다. 파장이 다른 PI를 사용하여 혈중 산소 포화도(S_pO₂) 수준을 측정할 수 있습니다. PI 비율을 최대화하도록 PPG 시스템을 설정하여 S_pO₂ 예측 정확성을 높일 수 있습니다. 향상된 기계 설계와 고정밀 센서 구현을 통해 PI 비율을 높일 수 있습니다.

투과 및 반사 아키텍처를 PPG 시스템에 사용할 수 있습니다(그림 2). 투과 시스템은 귓불 및 손가락처럼 빛이 쉽게 통과할 수 있는 신체 부분에 사용됩니다. 이러한 구성은 PI를 40dB ~ 60dB 높일 수 있습니다. 반사 PPG에서는 광검출기와 LED가 나란히 배치됩니다. 반사 PPG는 손목, 가슴 또는 기타 부위에 사용될 수 있습니다. 반사 설계를 사용하면 PI 비율이 감소되므로 센서에서 AFE(아날로그 프런트 엔드)를 사용해야 합니다. 또한 AFE 포화를 방지하려면 간격이 중요합니다. 기계 및 전기 설계 고려 사항 이외에 PI 신호를 적절히 해석하는 소프트웨어 개발은 중요한 과제가 될 수 있습니다.

그림 2: 간단한 산소 포화도 측정기 및 심박수 센서에서 단일 IR LED를 사용할 수 있지만 LED를 여러 개 사용하면 고품질 출력 신호를 생성할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

PPG 시스템을 설계할 때 추가 과제는 측정하는 동안 사용자의 동작을 고려해야 한다는 것입니다. 동작은 동맥과 정맥의 폭을 변경하여 빛과의 상호 작용에 영향을 주어 PI 신호를 변경하는 압력을 유발할 수 있습니다. PPG 신호와 일반 동작 아티팩트는 비슷한 주파수 범위 내에 있으므로 동작의 효과를 간단히 필터링할 수 없습니다. 대신 가속도계를 사용하여 동작을 측정하여 취소할 수 있습니다.

S_pO₂ 및 심박수 모니터링

S_PO₂ 및 심박수 모니터링을 구현해야 하는 설계자를 위해 Analog Devices는 다음을 포함하여 솔루션 프로토타입을 빠르게 만드는 데 필요한 많은 항목을 제공하는 MAXREFDES220# 참조 설계를 제공합니다.

• MAX30101 통합 산소 포화도 측정기 및 심박계 모듈. 이 모듈은 내부 LED, 광검출기, 광학 소자, 고성능 AFE 및 주변광 제거 기능을 갖춘 기타 저잡음 전자 부품을 포함합니다.
• MAX30101용으로 설계된 MAX32664 생체 인식 센서 허브. 이 모듈은 S_PO₂ 및 심박수 모니터링을 구현하는 알고리즘을 포함하며, 호스트 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)와 통신하기 위한 I²C 인터페이스가 있습니다. 또한 알고리즘은 동작 시정을 위해 가속도계 통합을 지원합니다.
• 100Hz 출력 심박수에서 2µA 미만을 소비하고 동작 구동 절전 해제 모드에서 270nA를 소비하는 ADXL362 3축 가속도계.

오디오 피드백을 위한 클래스 D

오디오 피드백은 사용자와 강력한 상호 작용을 위한 기회를 제공할 수 있습니다. 또는 사운드 품질이 나쁘면 경험의 질이 떨어질 수 있습니다. 일반 웨어러블 및 VR/MR/AR/XR 환경에서 사용되는 마이크로 스피커는 효과적이고 효율적으로 사용하기 어려울 수 있습니다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 낮은 출력 전력에서 높은 효율성을 얻기 위해 부스트 컨버터 및 전압 조정 기능이 내장된 고효율 부스트 클래스 D 스마트 증폭기를 사용하는 것입니다. 통합 스마트 증폭 기능은 풍부하고 더 사실적인 오디오를 위한 저음 응답과 사운드 압력 수준(SPL)을 높일 수 있습니다.

스마트 증폭 설계는 복잡한 공정이지만, 출력 전력을 제어하고 스피커 손상을 방지하는 전류-전압(IV) 감지를 비롯하여 스마트 증폭을 자동으로 구현하고 향상된 스피커 성능을 제공하는 통합 디지털 신호 처리(DSP)와 함께 증폭기를 사용할 수 있습니다. 스마트 증폭을 사용하면 마이크로 스피커에서 높은 SPL과 향상된 저음 응답을 안전하게 제공할 수 있습니다. SPL에 6dB ~ 8dB 부스트를 제공하고 저음 응답을 공진 주파수의 1/4까지 확장하는 통합 솔루션을 사용할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 클래스 DG 설계를 사용하는 스마트 증폭은 마이크로 스피커에서 높은 SPL 수준과 확장 저음 응답을 안전하고 효과적으로 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

오디오 피드백용 클래스 D 증폭기

MAX98390CEWX+T는 효율적인 고품질 오디오 피드백을 지원할 수 있는 우수한 사운드를 위한 Analog Devices의 DSM(Dynamic Speaker Management) 및 부스트 컨버터가 내장된 고효율 클래스 D 스마트 증폭기입니다. 이 증폭기는 낮은 출력 전력에서 높은 효율을 지원하기 위한 전압 조정 기능을 포함합니다. 또한 부스트 컨버터는 2.65V의 배터리 전압으로 작동하며 6.5V ~ 10V 사이에서 0.125V 증분으로 출력을 프로그래밍할 수 있습니다. 부스트 컨버터에는 최대 효율을 위해 출력 전압을 조정하는 엔벨로프 추적 기능과 낮은 정동작 전류 작동을 위한 바이패스 모드가 포함되어 있습니다.

이 부스트 증폭기는 총 고조파 왜곡 + 잡음(THD+N)이 10%에 불과한 4Ω 스피커로 최대 6.2W를 제공할 수 있습니다. 이 증폭기는 스피커를 손상으로부터 보호하고 높은 SPL과 낮은 저음 응답을 지원하는 통합 IV 감지 기능을 포함합니다.

MAX98390C를 통한 개발을 가속화하기 위해 Analog Devices는 MAX98390CEVSYS# 평가 키트를 제공합니다. 이 키트에는 MAX98390C 개발 기판, 오디오 인터페이스 기판, 5V 전원 공급 장치, 마이크로 스피커, USB 케이블, DSM Sound Studio 소프트웨어 및 MAX98390 평가 소프트웨어가 포함되어 있습니다(그림 4). DSM Sound Studio 소프트웨어에는 간단한 3단계 공정으로 DSM을 구현하는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 있습니다. 또한 마이크로 스피커를 사용하여 DSM 소프트웨어의 영향을 보여주는 7분 데모가 포함되어 있습니다.

그림 4: MAX98390CEVSYS# 키트에는 클래스 D 오디오 피드백 시스템을 개발하는 데 필요한 모든 하드웨어 및 소프트웨어가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

촉각 피드백을 위한 촉각 기능

사용자의 주목을 끌기 위해 촉각 피드백을 사용하는 시스템 설계자는 압전 액추에이터용 MAX77501EWV+ 고효율 컨트롤러 구동기로 전환할 수 있습니다. 이 모듈은 최대 2µF 압전 소자를 구동하도록 최적화되어 2.8V ~ 5.5V 공급 전압에서 최대 110V 피크 간(Vpk-pk) 단일 종단 촉각 파장을 생성합니다. 또한 사전 기록된 파장을 사용하는 메모리 재생 모드에서 작동하거나 MCU에서 스트리밍되는 실시간 파장을 사용할 수 있습니다. 실시간 스트리밍을 위한 FIFO(First-in, First-out) 버퍼 역할을 할 수 있는 온보드 메모리에 여러 파장을 동적으로 할당할 수 있습니다. 통합 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI)에서는 장애 보고 및 모니터링을 포함한 전체 시스템 액세스 및 제어를 지원합니다. 또한 종료 후 600µs 시작 시간 후 재생할 수 있습니다. 높은 효율과 최대 배터리 수명을 보장하기 위해 이 컨트롤러 구동기에는 대기 전류가 75μA이고 전원 차단 전류가 1μA인 초저전력 부스트 아키텍처가 있습니다.

MAX77501 압전 구동기 기능을 탐색하기 위해 설계자는 완벽히 조립되어 테스트되는 MAX77501EVKIT# 평가 키트를 사용할 수 있습니다. 이 키트를 사용하면 MAX77501을 쉽게 평가하고 세라믹 압전 액추에이터를 통해 큰 촉각 신호를 구동할 수 있습니다. 이 키트에는 MAX77501의 모든 기능을 탐색할 수 있는 Windows 기반 GUI 소프트웨어가 포함되어 있습니다.

상황 인식을 위한 ToF

상황 인식은 VR/MR/AR/XR 환경의 중요한 측면일 수 있습니다. AD-96TOF1-EBZ 평가 플랫폼은 ToF 깊이 감지 기능을 개발하기 위한 VCSEL 레이저 송신기 기판과 AFE 수신기 기판을 포함하여 이 측면을 지원합니다(그림 5). 이 평가 플랫폼을 96Boards 에코시스템 또는 Raspberry Pi 제품군의 프로세서 기판과 결합하면 설계자가 높은 수준의 3D 세분성으로 앱별 ToF 구현을 위한 소프트웨어 및 알고리즘을 개발하는 데 사용할 수 있는 기준선 설계가 제공됩니다. 이 시스템은 주변광이 강한 조건에서 물체를 감지하여 범위를 지정할 수 있으며 최적화된 성능을 위한 여러 범위 감지 모드가 있습니다. 포함된 소프트웨어 개발 키트(SDK)는 유연성 향상을 위한 OpenCV, Python, MATLAB, Open3D 및 RoS 래퍼를 제공합니다.

그림 5: AD-96TOF1-EBZ 평가 플랫폼을 사용하여 고성능 ToF 상황 인식 시스템을 개발할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

메타버스를 위한 몰입감 높은 대화형 환경을 구축하는 것은 복잡하고 시간이 많이 소요되는 작업입니다. 공정을 가속화하기 위해 설계자는 생체 인식 감지, 바이오 피드백, 상황 인식 시스템을 위한 개발 및 평가 플랫폼을 포함하여 Analog Devices의 에너지 효율적인 전범위 콤팩트 솔루션으로 전환할 수 있습니다.

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