当苹果脑洞大开时：iPhone当护照、光场VR眼镜、人肉游戏手柄……

编者按：本文来自微信公众号“智东西”（ID:zhidxcom），作者 信仪，36氪经授权发布。

智东西7月22日消息，据外媒报道，苹果公司最近又披露了一项新的有趣专利，苹果正在研究如何在现实世界中操纵虚拟控件，未来苹果AR眼镜的佩戴者能将任何表面都显示为触控屏，用来进行一些基础的操作。

▲苹果AR眼镜的佩戴者能将任何表面都显示为触控屏

不得不说，这一操作让我想起了科幻电影中大boss随时随处一挥手就出现的悬空电子屏。而实际上，苹果的这一专利早在2016年就提交了，不过是最近才曝光出来而已。想象一下，这一技术在未来如果实现，我们是不是就可以直接随身戴副眼镜，平板和手机都不需要时时挂在身上了？

▲电影《复仇者联盟》中的虚拟屏幕

苹果这个“专利大户”的专利产出可谓源源不断。上个月的苹果开发者大会（WWDC20）展示出的“iPhone开宝马”“空间音频环绕音效”的专利可谓让我们大开眼界，而苹果有趣的专利远不止于此。

苹果专利的脑洞总是让人意想不到，而这些专利也在不断充实着苹果公司的各大产品，在iPhone、Mac甚至即将到来的AR/VR头显上都有大量涉及。

针对我们日常生活中使用的产品，苹果近期又推出了哪些脑洞大开但实用性却不逊色的专利？这些专利一旦落地，又会为我们增加什么样奇妙的使用体验？

我们筛选出了苹果最近曝光的14个有趣的专利，这些专利有的已经应用在苹果的产品中，有的尚未落地但可能会改变苹果未来的产品形态。那么这些专利都有哪些不可思议之处？我们一个一个来看。

眼动追踪、光瞳扩展，苹果对VR/AR的投入不仅限眼镜

1、现实表面能变触控显示屏

文章开篇提到新曝光的苹果专利与苹果公司正在开发的“Apple Glass”有关，这一专利的提交名称为“用于检测第一物体和第二物体之间触摸的方法和装置（Method and device for detecting a touch between a first object and a second object）”，在实际落地上，看样子苹果是想把它作为一种叠加在现实对象上呈现的虚拟控件。

在这项专利中，苹果解决了一个有关“佩戴AR眼镜的人如何与他们看到的虚拟环境互动”的难题。

专利显示，人类与物体进行自然交互的方式是用手触摸，但是AR眼镜的显示器越来越小，镜片也越来越靠近用户的视网膜，这使得AR眼镜的玩家触摸屏幕的行为变得无比困难且不便。

如果这一专利的设想实现，用户就可以在任何平面上触摸自己需要的虚拟画面。例如，AR眼镜确认用户已经触摸了用户自身认为是按钮的现实表面，那么AR眼镜系统就可以自己做出反应，就好像用户实际点击了按钮控件一样。

▲专利中显示了如何将平坦的物体制成计算器

这一设想听起来很困难，苹果之前尝试过直接让用户与AR环境进行交互，但是这样的操作需要类似手套或手指传感器这样的硬件。同时，试图通过视觉监测手指与虚拟表面的接触也不够准确。

苹果的想法是，可以通过红外热感应来检测用户何时触摸现实世界的物体，这个方法可以让Apple Glass在视觉上将控件投射到现实世界的物体上，并在用户触摸这些物体时，通过感知触摸物体时的热传导来做出反应。

▲通过不同温度来区别显示图像

尽管我们还不能确认这一专利技术到底是否会融入苹果未来的AR眼镜产品中，但这一脑洞却足以让我们想象科幻世界里的现象或许有一天真能在现实世界中实现。

2、红外光源眼动追踪，让VR射击游戏瞄准更准

在今年6月30日美国商标局新发布的苹果专利授予列表中，有一项专利介绍了苹果准备在未来的头显中搭载的眼动追踪发明。这一发明配置了闪烁辅助的凝视追踪功能，以能够提供更高的视觉准确性和清晰度。

用户会在VR（虚拟现实）体验中感受到身临其境的场景交互，以往VR系统可以通过向用户展示立体的场景以产生身处其中的感觉，当用户通过VR系统观看图像时，可能会感觉到正在以第一人称的视角感受周围环境的移动和变化。

▲眼动追踪系统正视图示例

▲眼动追踪系统侧视图示例

类似地，MR（混合现实）或AR（增强现实）系统也是将计算机生成的虚拟内容与现实世界的视图结合起来，以在用户所处的真实世界中添加可视内容。

因此，此类头显设备必须在用户视图方面提供准确的数据，以确保用户看到的图像时正确的。如果用户在射击游戏中看到的图像不准确，那么就没办法准确进行瞄准和射击了，这个“锅”用户可实在没办法自己背。

苹果的这项专利提出了一种利用红外线光源的闪烁来追踪眼球的方案。具体来说，这个眼动追踪方案在头显使用者的左右眼位置各设置一个摄像头模组，以向眼球发射光源。眼动追踪摄像头可以依据具体情况放置在眼球的对面或同侧，最终将眼球反射的光线映射到摄像头中即可。

据了解，这一眼动追踪摄像头的刷新率在60~120fps之间，通过捕捉到的眼球数据生成眼动追踪信息后，控制单元会根据光学检测数据和校准数据，来预测眼球的注视点、角膜中心等的3D数据，进而重新对应眼球的视轴。

▲用于人眼、瞳孔中心、角膜中心位置估算的数学模型

3、微型全息光学投影改变AR视场和画质

在今年6月18日苹果发布的一项与未来的AR眼镜有关的专利申请中，提及了一种“光瞳扩展功能”，这一功能旨在扩大投射到光学镜头上图像的视场，从而为AR应用提供更高质量的图像。

▲光瞳扩展功能图示

这个被称为“ Pupil Expansion”的专利主要涉及了光学反应装置中的扩展光束。专利文件中显示，全息光学元件可以用于头显设备的波导器件中。

以往扩大AR图像视野的方式主要包括使用反射、折射或衍射光等常规光学器件，但是使用这些方式集成出的设计趋于笨重，而且有一定的固有局限性。例如，常规的反射镜可能需要必须与发现重合的反射轴，从而使反射镜取向欠佳，或导致反射镜处的反射输出受阻。

苹果的光瞳扩展技术涉及了一种或多种用于将光束从入射视野到出射视野的改进方法，这一方法可以在光学设备中采用光瞳扩展技术，以扩大投影图像的视场。

▲光学系统示意图

4、 可以感受虚拟图像触摸质感的贴纸

苹果对于AR眼镜的专利投入不止在眼镜本身，在配件方面的专利也不甘示弱。今年的6月4日，美国专利商标局发布了苹果申请的一项“手指传感器设备”专利，以用来配合未来的AR眼镜及其他头显设备。在此之前，苹果已经申请了5个手指设备专利以配合未来头显设备的使用。

这次申请的手指设备类似一个环状贴纸，搭载了能感受到力、图像等的传感器，因此当使用者在与现实世界对象交互时，可以通过一个甚至多个传感器感觉与现实世界对象的物理信息。

▲手指装置俯视图

通过这个传感器，可以在计算机上呈现视觉、音频、触觉等内容，并经过触觉输出。因此通过头显设备，使用者可以感受到现实物体的表面轮廓、纹理、物体颜色及其他视觉属性，还能感受到温度、声音、作用力、重量等其他物理属性。

除了配合头显设备或是AR眼镜，这一手指设备还可以搭配MacBook、iMac、iPad、iPhone、Apple Watch等使用。

▲手指装置截面侧视图

iPhone取代护照车钥匙，未来只带手机出门可行吗？

苹果公司一直有着一个“让iPhone成为人们出门唯一需要携带的设备”的野心，苹果已经用Apple Pay取代了现金，用AirDrop取代了U盘，下一步苹果的目光转向了用iPhone取代护照和车钥匙。

1、用iPhone取代护照，实体护照地位不保？

目前的手机已经让我们不必携带纸笔、计算器、相机、镜子甚至钱包出门，下一步，科技大佬们纷纷把目光转向了“电子身份”，这样的话人们就可以不必随时记得要携带证件了。

早在2017年3月，苹果就向美国专利商标局提交了一份名为“将文档纳入安全环境”的专利申请，其内容是苹果想让iPhone取代身份证。

这一专利描述了可以利用iPhone的诸如NFC（近场通信）或RFID（射频识别技术）的短距离无线电功能，来存储嵌入集成电路内的人员身份凭据。

通过这种方式，iPhone可以获取来自权威机构的凭证信息，比如身份证、驾驶证、护照等。而iPhone可以通过存储用户的个人姓名、出生日期等信息，用以核验该用户的真实身份。

▲将身份信息添加到iPhone上

当相关部门人员要求提供相应的证件信息时，iPhone用户就可以使用密码、指纹、Face ID等方式解锁设备后，将手机内储存的个人证件信息展示给工作人员。通过这种方式，iPhone便可以将用户的个人数据发送给所需信息的相关部门人员，完成身份核验。

而后，苹果也在2019年与日本、德国和英国政府合作开展了身份证项目。

▲iPhone取代身份证专利操作方式

今年7月，苹果在最新的题为“提供经过验证的用户身份证明”的专利申请中，详细说明了可以记录或传输用户ID并进行确认的方法。

尽管苹果公司并没有使用“iPhone”这个词，而是可以强调了这一技术可能用于任何设备，但是“苹果计划用iPhone取代护照、驾照、图书馆借阅证、滑雪场会员等实体身份证明”的消息广泛流传，甚至被网友炸上了热搜。

▲iPhone取代护照上热搜

这份新的专利文件中详细阐述了如何复制和使用用户身份证明。按照苹果的设想，iPhone等设备可以安全传输某些身份证明。如果用户的身份已经被验证过，那就直接可以使用Apple Watch等设备的生物识别传感器直接发送身份证明。

▲信息验证传递路径

然而无论是iPhone取代实体身份证还是护照，在实际落地方面都存在难点。除了需要得到政府的认证，还要尽力契合各国的身份验证标准，每个国家的身份证标准不同，并且目前大多数国家也并未允许“网证”代替实体证件，因此“iPhone替代实体证件”的愿景任重道远。

2、iPhone“汽车钥匙”可开宝马

今年的WWDC上，iPhone已经正式可以作为数码车钥匙“出道”了。iPhone可以通过NFC功能解锁汽车，还可以远程锁车，并且还能在任何地方通过APP将车钥匙“借”给别人。

▲iPhone开宝马

据称，这一技术应用了苹果自研的U1芯片，可以准确检测设备距离，确保安全性。

“iPhone当车钥匙”的专利可以追溯到2013年，在2013年4月，苹果发布了一篇题为“苹果揭示了先进的汽车门禁控制系统的报告”，而这一报告最初是在2011年提交给美国专利商标局的，该专利显示，未来的iPhone将能够打开车门，启动引擎，在特定的时间关闭引擎，并且能够对汽车进行个性化的编程设置。

▲专利相关车辆示例及通过设备操作车辆的流程图

此后，2016年的相关专利文件显示，苹果用户可以通过诸如iPhone或iPad这些便携设备控制汽车，其中包括车门解锁、启动引擎、调整温度、打开汽车的前灯和天窗等常用操作。

在2019年，苹果又申请了新的“车辆授权的系统和方法”专利，这个系统将提供车辆和iPhone持有者之间的通信，允许用户执行某些任务，例如打开车门等。

有消息称，这个系统将使用生物识别技术来确认用户的身份，并确定该用户是否被授权进入和操作车辆，此外，车主还可以授权他人进入和控制车辆。

据称，苹果公司还可能将这一技术应用于自动驾驶叫车服务，并提供与例如Apple Pay之类的移动支付方式相关的认证。

“车辆授权系统”可以理解为是一个系统层级的接口，未来只要是使用了苹果智能汽车硬件的设备，都可以和这个接口进行无缝衔接，那时候手机就真正可以成为车钥匙的本体，而不用车联网系统再做中介进行繁琐的操作了。

旋钮“鼠标”、玻璃键盘，Mac的亮点不止在自研芯片

1、 超越Surface Dial的旋钮控制装置

在美国专利商标局7月7日发布的63项新授予的专利中，含有一项可能将会搭配iPad、Mac、iPhone以及汽车等设备使用的未来附件。

这项专利描述的是一个旋钮控制装置系统，神秘的是，此前苹果从未将这个装置作为专利申请发布过，而在这项专利获得授权时，我们才能了解这个系统。

▲苹果的旋钮控制装置专利图示

这个旋钮控制装置可以从显示器或者其他形式的表面拆卸下来，而后继续放置在其他的设备上对该设备进行控制。

当把这个旋钮装置放置在显示器上的时候，显示器上会依据旋钮的放置位置而发出光亮，并且显示器还可以在旋钮的外围显示出刻度标记或是其他刻度信息。

这与微软的Surface Studio的桌面Surface Dial附件非常相似。Surface Dial放置在显示屏上，信息围绕旋钮周围显示，用户看信息一目了然。

▲微软的Surface Dial使用演示

苹果的旋钮控制装置可以用于调整媒体播放音量、调节恒温器的温度、控制音乐库中曲目的选择等。

而苹果专利对于目前已有的微软旋钮装置的提升，主要在于不将这一装置的使用限制在单个显示器或设备上。

这一专利描述显示，如果需要的话，这一旋钮甚至可以连接到例如外墙表面、车辆、计算机外壳、冰箱或火炉表面等其他合适的结构上。

▲苹果的旋钮控制装置专利细节图示

尽管目前这一旋钮控制装置是圆形的，但是苹果公司的专利显示，它还可以是别的形状，并且在将来还会添加其他功能，例如滑动控件、增加按钮，甚至在旋钮中间搭载显示器等。

2、 玻璃键帽减少磨损，降低厚度

继MacBook蝶式键盘的积灰问题被广泛吐槽后，苹果不得不将过去的剪刀式键盘重新利用。而除了剪刀式键盘外，苹果还开发设计了一款特别的“玻璃键帽”。

今年的7月2日，美国专利商标局发布了苹果的“透明键帽”专利申请，新专利的键帽采用了全透明的设计方案，将会采用玻璃、全透明陶瓷、蓝宝石玻璃等全透明或透明色材料制作。这类材料制作的键帽具有高弯曲刚度和抗压强度，即便将键帽做得再薄也不用担心会弯折变形。此外，“玻璃键帽”的表面将会经过抛光，因此还可以避免刮擦而产生瑕疵。

▲玻璃键帽专利图示

“玻璃键帽”的按键标识会印在按键低端，因此就算经过多次摩擦，键盘上的字母也不会担心被磨损。

除了耐用度外，专利还提及了这款键帽具备透光性，能够通过RGB、LED让按键呈现出不同的颜色和亮度。这样不管是在白天还是夜晚，“玻璃键帽”的光亮都可以适应使用者的眼睛，提供舒适的使用体验。

15年才拿到背触控专利，书写触感可通过Pencil传递

1、 背触控专利为单手操作平板电脑

在今年6月23日，苹果终于获得了平板电脑的背面触控专利，这项名为“具有多个触摸感应设备的手持电子设备“的触摸专利在2005年提交，至今已经过去了15年，要知道这个时候iPad还没有面世，由此看来这个专利当时并不一定是为iPad设计的。

这个想法的提出是为了能让用户在手握平板电脑的时候，依旧可以使用这只手在平板的背后进行例如“关闭或切换网页”等基本操作，而无需再腾出另一只手在平板的显示屏上进行任务操作。

▲背面触控专利图示

这一设计妥妥是“懒癌”福音，怪不得有人说“懒人推动科技进步”，这一“懒人神器”专利就是一个很好的证明。

随着Apple Acrade越来越受欢迎，拥有背面游戏控件的iPad可能也会在未来的平板市场占有一席之地。有趣的是，历经15年，这个项目仍然有效并且还在不断发展，而对于这一项目是否将会落地，我们尚且还不清楚。

2、 通过Apple Pencil感受绘画纹理

去年12月，苹果公司发布了一份专利申请报告，标题为“在iPad上书写就像在真正的纸上书写，使用画笔工具像在真实的画布上绘画”。这份专利申请在今年的6月23日获得批准。

这一专利涉及了Apple Pencil未来可能会使用的高级触觉技术，它将为用户提供在纹理上书写或绘图的感觉。这并不是Apple Pencil首次涉足提供纹理触觉反馈的专利，这一项目早在2015年就已有两个类似专利公开。

从图中我们可以看到，在2015年提供的专利中包含有一个叫做“rumble pack”的感应装置。触控笔可以通过对iPad上“搭线”形式的触觉反馈设备的接触，生成触觉反馈。

▲搭载“rumble pack”感应装置的初代触觉反馈装置

当触控笔在平板电脑的屏幕上滑过时，触控笔就会感应到图像，并且相应的纹理信息会通过平板电脑上软件传递给“rumble pack”，因此用户能在视觉上观察平板电脑上的图像，并且也能感受到图像的质感。

而在最新的专利中，“rumble pack”被集成到了Apple Pencil中，触控笔可以通过笔尖感受触觉反馈，以模拟使用手写笔在带有纹理的纸张上绘制。将触觉反馈装置集成到笔尖，可以更准确地模拟在纹理表面书写的感觉。

▲改进后的Apple Pencil搭载的触觉反馈装置专利图示

除了模拟在纸上写字的感觉，这一系统还可以基于不同的编程，配合用户选择的不同轮廓，模拟出在纸张、画布等不同表面书写绘画的感觉。

此外，这个装置还可以基于编程和用户自主选择的配置文件，来模拟铅笔、圆珠笔、钢笔、荧光笔、画笔等不同类型的书写绘画工具。

Apple Watch成“游戏手柄”，还能计算骑行抗风性

1、 静脉扫描技术专利使玩家“赤手空拳”玩游戏

此前在2019年4月，苹果就申请了一项名为“苹果发明了能够解锁VR游戏更多手势功能的新版Apple Watch”，这一专利在今年的6月30日获得批准。

这项专利显示，未来的Apple Watch可以在表带底部搭载传感器或微型相机，以此来捕捉用户的静脉图像，继而自动识别出用户在VR/MR游戏中做出的特定手势。

而后，Apple Watch会将通过静脉运动识别出的手势和手指位置的命令输入系统，并执行动作操作。通过这种方式，用户就不用再通过语音或触摸输入，而仅仅通过正常的静脉运动就可以为Apple Watch输入命令。

▲搭载多个传感器的Apple Watch表带专利透视图

苹果在静脉识别方面下的功夫不止于此，在昨天美国专利商标局新公布的授予苹果的50项专利中，涵盖了一项名为“用于困难的生物识别认证案例的静脉匹配”的专利。

▲苹果识别人脸静脉专利

这一专利提出，静脉可以作为一种识别器。虽然面部特征很容易被复制，但静脉模式在个体之间差别很大，甚至是双胞胎的差别也很大。因此，创造一个静脉结构一致的假脸是极其困难的。

这一面部识别系统，将使用次表皮图像技术创建用户静脉的3D图像，就像相机中的红外传感器一样，可以从照亮用户面部的红外照明器中捕捉到泛光和斑点图案。

这一人脸识别方式如果实现，可以大大减少面部识别的错误率。

2、 骑行爱好者福音：Apple Watch新专利能计算骑行抗风性

2017年3月，苹果发布了一项名为“Apple Watch发明旨在显示骑行者活动及监控数据的系统”的专利，这项专利在今年的6月30日获批，主要专注于计算骑行者在骑行活动中的风阻和心率等信息。

骑行者普遍对自己骑行运动的功率输出和燃烧的卡路里数值很感兴趣。当骑行者在骑行时，三个主要因素导致了能量的消耗，分别包括自行车胎与地面的摩擦阻力、重力、以及空气阻力。

苹果的新专利从分析骑行者在骑行运动中收到的阻力，从而确定骑行者的总消耗。

这一专利会在Apple Watch上搭载多种微处理器、显示器和传感器，对心率、位置、方向等具体情况进行分析和测量。

与此同时，设备中的加速度计还会跟踪骑行时的加速度变化，并且设备还能依据骑行者将Apple Watch佩戴的不同位置自动调整数据。

最终，这一新专利装置可以结合心率、速度、高度和骑行位置等测量值，估算出骑行者的总功率输出，以及每个部分输出功率的占比。

在一些不同的设备模型中，运动传感器还能搭载速度计、陀螺仪、气压计、磁力计或指南针等，并且还能通过运动协调处理器对消耗功率较低的部分进行优化，使设备达到能够连续处理运动感应的效果。

▲骑行者受力分析及苹果新专利确定风阻的估计方式

空间音频专利能独自享受立体环绕全景声

今年的WWDC20上展示了一项可以用于AirPods Pro以及Apple TV的“Spatial audio空间音频”专利，目的是为了可以通过环绕音响系统，让用户使用耳机就能感受到沉浸式的听觉体验。

▲“Spatial audio空间音频”专利

在此之前，环绕立体的3D音效通常出现在AR、VR、MR中，而苹果的新专利将环绕音效效果同样赋予给了耳机用户。

因为人的头部，以及连接耳机的手机等设备不可能时刻保持静止，因此苹果营造出了一个虚拟的球体来复制影院的3D音效体验。

通过在耳机中加入音频过滤器，以及对每只耳朵接收的频率进行微调，并且将音频对象的多个声道与各自分布的空间相关联，并进行混频操作，使用者就可以感受到从任何一个位置发出来的声音。

此外，这一系统还使用了AirPods Pro上的加速感应器和陀螺仪以追踪头部的动作，并重新映射声场，这样声音就可以与设备牢牢契合，以人耳为中心制造更逼真的“影院级体验”，该功能支持5.1声道和7.1声道的多媒体文件，还支持“会员专享”的杜比全景声。

▲空间音频专利图示

结语：苹果专利生态环环相扣

根据美国专利商标局（USPTO）和专利公司IFI统计的数据，作为“专利大户”的科技巨头苹果公司，近几年每年均获得2000多份专利，但这一数字在美国的专利数量排名也仅仅排在了第10名左右，源源不断的专利申请总也抵不过有限的获批专利数量来得实在。

而苹果的专利也可谓一环套一环：旋钮控制装置专利搭配各种显示器，Apple Pencil增加iPad书写触感，手指传感器为AR眼镜做准备……苹果生态的布局可谓面面俱到。

文中提到的十几个专利仅仅是苹果申请大量专利的冰山一角，类似“空间音频”等专利已经在产品上落地，为现有的产品带来改变和提升，而类似于“背面触控”这样的专利或许不会落地，但也可以看出苹果这个科技巨头在一定时期对消费产品的创新方向。

苹果专利爆料不断，我们也持续期待这些专利最终呈现在不同的产品中，会为我们提供什么样的奇妙体验。