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深入对比MLOHoloLens和Lumus三款波导头显分辨率

归档日期:04-24       文本归类:分辨率      文章编辑:爱尚语录

  在今天的文章中,AR硬件/软件企业Rave的首席科学家Karl Guttag对比分析了Magic Leap One,HoloLens和Lumus这三款波导头显的分辨率。以下是映维网的具体整理:

  自今年1月份的CES大会以来我就一直想做这种对比分析。这是一次比较三种波导头显的机会:两款更为有名的衍射波导型头显HoloLens和Magic Leap One,以及基于非衍射波导的Lumus头显。与我在17年和18年CES大会体验的衍射波导相比,我更欣赏Lumus的图像质量。

  对于这篇文章,我主要是比较Magic Leap One(ML1),微软HoloLens,以及Lumus DK-Vision的分辨率。这三款设备都采用了“全内反射(TIR)”来支持一层薄“波导”。

  ML1和HoloLens采用了一系列的衍射光栅来支持光线进入和离开波导。HoloLens为红,绿,蓝准备了一层波导,而ML1则为三种颜色准备了两层(共六层)波导以支持他们的焦平面概念。我已经在之前的文章中对ML1和HoloLens的波导进行了一定的讨论。

  Lumus选择了所谓的“光导光学元件(Light-guide Optical Element;LOE)”,其可通过一层波导来处理所有的颜色。一层LOE的厚度类似于HoloLens多层波导堆叠。他们只是以一定角度切割波导的入口以使光线进入(而非使用特定颜色的衍射光栅),然后再使用一系列经过特别设计的局部反射镜来使光线. 拍照与测试图

  我使用了相同的奥林巴斯OM-D E-M10 Mark III相机和相同的14-42mm镜头。你可以单击图片并以更高分辨率进行查看。我为每个显示器拍摄了数百张照片,然后在测试图中选择了最佳区域,试图呈现每个设备的最佳状态。

  测试图是基于我在测试其他显示器时发现非常有用的测试图。有一系列320×240的子图案用于测试分辨率,其能够多次复制以填充显示分辨率。有一些大圆圈可以测试整个显示器的颜色纯度。我同时采用了包含人像的图片来替换一个或两个彩色场景,以此来检查颜色。对于想要验证或质疑我结果的任何人士,你都可以在这里找到我所使用的测试图。

  在High-Level,三款头显都采用了类似的光学架构,并且都采用了场序彩色(FSC)和硅基液晶(LCOS)微型显示器,但它们来自不同的LCOS制造商。 它们中的每一个都包含“投影仪光学”,其能够校准和操纵图像以注入各自的波导之中。三者最不同的地方在于波导结构。

  ML1使用衍射波导并阻挡约85%的真实光线。你可能会注意到,在上图中无法看到用户的眼睛。它搭载了一个由Omnivision制作的1280×960 LCOS微型显示器,但有效分辨率要低很多。它的对角线。在显示测试图时,我只能看到ML1显示了1280个水平像素中的大约1160个。我怀疑丢失的约120像素用于瞳距调整。iFixit的拆解说明ML1组件具有Omnivision的自定义分辨率,并且可能使用与Omnivision的1080p和720p组件相同的4.5微米像素间距。

  当在全帧观察时,我能够看到测试图中1280个水平像素中的约1270个。HoloLens在全亮度下支持约320cd/m2,或者说比ML1亮约1.5倍。HoloLens中的Himax FSC LCOS组件可能采用了约6微米像素间距。

  我想说明的是,尽管ML1和HoloLens只是小批量生产的开发套件,但Lumus的头显属于“仅供参考”。ML1和HoloLens具备许多Lumus演示设备所不支持的功能。Lumus头显尽管搭载了摄像头,惯性测量单元和Android处理器,但并不具备Magic Leap和Hololens中的功能(如SLAM)。

  Lumus头显中的LCOS组件是Raontech的早期1080p原型,因此不一定代表最终产品。坦白说,色彩平衡和灰度响应并不是很好,这种情况并不罕见,因为它只是原型而非实际产品。我确实对照片进行了一定的白平衡调整,因为:1.它是一个原型;2.目标是比较光学;3.由于Lumus采用来自不同厂商的LCOS组件,因此最终产品不一定来自于Raontech。

  由于这台Lumus头显是少数现有原型中的其中一台,它们可能是手工挑选和组装单元,因此它可能无法代表最终的产品。在大批量生产的同时,质量应该能有所提高。为提高他们的批量生产能力,Lumus最近与广达电脑达成了生产合作伙伴关系。

  影响结果的一个关键因素是,Raontech LCOS面板的黑色与白色响应非常不对称,它非常偏向于黑色。一像素宽的白线几乎不可见,而一像素宽的黑线几乎是应有样子的两倍宽。由于LC行为和驱动,任何液晶显示器的黑色与白色响应总是存在一定程度的差异,但相对于我见过的其他LCOS组件,Raontech的不对称非常严重。这种不对称性也会影响整体外观,甚至是灰度/颜色响应。 我希望Raontech能够在他们的LCOS组件中调整他们的液晶配方/加工方式。

  下面的图片显示了每个头显的整个视场。这些图片不按比例绘制。HoloLens的水平视场约为30度,ML1为约35度,Lumus也是35度左右。测试图中的每个子图案(带有编号的圆和可变大小的文本)是320×240像素。Lumus原型几乎是ML1和HoloLens水平像素的两倍。你可能还会注意到,尽管Lumus和Hololens的宽高比大致为16:9,但ML1更为方正,名义比率是4:3。

  完整的测试图可以帮助你全面了解图像质量,以及颜色在视场中的变化情况。这些图片水平上有大约2600到2900个相机像素,但不足以完全评估1140和1920像素宽之间的图像分辨率。基于基本采样理论和奈奎斯特(Nyquist)速率,你显然希望每个显示像素具有两个以上的相机像素(样本)。

  HoloLens和ML1在视场上都有明显的色移问题,在白色背景图像上更为明显。Lumus只是在远角处有一定的色移。在Lumus图片中,较小的文本看起来是更暗/褪色,这是LCOS组件行为的结果。

  我注意到Lumus DK-Vision存在一些ML1或HoloLens所没有的垂直枕形失真。我怀疑枕形化来源于他们的投影光学系统而非波导本身。最右侧的一些子图案(特别是子图案26和36)也存在一些重影。应该注意的是,这是原型而非生产产品,所以希望他们能够在生产制造之前能够改进部分或全部问题。

  接下来,我们在白色背景图像看到有黑色。与HoloLens和Magic Leap的衍射波导相比,Lumus LOE波导在整个场中具有显著更好的颜色和亮度均匀性。在第5行哪里(51-56)那里,Lumus显示器确实出现了微暗的黑带,我怀疑这是由LOE分区的匹配所造成。 另外,左下角有一定的色移和变暗。由于LCOS组件的不对称性,小文本不会像黑色背景上的白色文本那样淡化。

  对于下一组图片,相机为较大的图像进行了相应地放大,因此你可以看到每台设备视场中大致相等的部分,比例大致相同。在图片中,你可以看到只有3像素,2像素和1像素宽线的插图。Hololens的水平像素数量大致与ML1相同,但视场较小,因此在进行相似的缩放时,图像和插图像更小。应该注意的是,Lumus DK-Vision的插图已经放大了2倍,因此你可以看到细节。

  因此在用眼睛看时,DK-Vision上的2像素宽线像素宽线条的大小和宽度大致相同,并且比ML1上的2像素宽线条调制得更好。DK-Vision的水平和垂直角分辨率似乎是ML1的大约4倍。

  最后,下面是每个头显最合适的64×64像素子图案。子图案有一组3像素宽的线像素宽的线像素宽的线和空间。这个子图案的目的是测试光学组件的有效分辨率,并基于广泛使用的1951 USAF分辨率图表。

  这三个部分的LCOS组件在黑色到白色,以及白色到黑色的过渡方面是不同的和不对称的,如黑色背景图和白色背景图所示。白色背景图的黑色能说明光学系统中是否存在散射问题。

  如前所述,Lumus已经放大到HoloLens和ML1图像相对大小的两倍。这意味着实际上Lumus的2像素宽线像素线。

  HoloLens可以显示1像素宽的线条,但它们不是特别清晰。LCOS似乎略微偏向于白色而非黑色(1像素宽白线看起来比黑线宽)。你可能会注意到黑色背景的线条(左上角)比白色背景的线条(左下角)宽。由于HoloLens光学元件(波导和/或投影仪)会散射光,白色背景的对比度较低。

  ML1几乎没有显示对1像素线条的调制。与其他两台设备相比,即使2像素宽线也不是特别锐利。我从其他实验中注意到ML1的“开-关”对比度好于HoloLens,但正如白色背景图所示,ML1上的白光散射明显更差。你应该注意到,平整的3像素宽线条看起来都非常模糊和圆滑。

  与HoloLens类似,ML1的LCOS似乎略微偏向白色而不是黑色。根据现有信息,ML1的Omnivision微型显示像素在物理上尺寸更小(4.5微米:约6微米),而需要进行更多地放大可能会导致ML1的有效分辨率更低。根据我所看到的情况,ML1最多可能只在每个方向上实现所述分辨率的一半。

  ML1的默认图像大小分辨率非常糟糕,我做了一个测试,试图在其有效分辨率上获得更高的精度。当测试图锁定在空间中时,我逐渐向它移动并在我能够识别1像素宽线条时停止。然后我注意到视场中有多少像素可见,并拍了一张照片(下图)。结果是,在大约710像素宽的情况下,我可以开始看到离散的四条线。它们仍然没有很好地进行调制,但至少有四条线可见。

  Lumus光学可以解析1920×1080显示屏上的1像素宽线条。角分辨率在每个方向上比ML1的角度分辨率多三倍,更像是4倍。Lumus系统分辨率的限制是LCOS微型显示器。从黑色背景图 vs 白色图可以看出,LCOS高度不对称,更倾向于黑色。考虑到LCOS组件的物理像素尺寸是6.3微米,在三个头显中最大,而这是特别糟糕的情况。对于黑色背景图,1像素宽白色线条非常暗和细,而白色背景图上的黑色非常宽。

  仔细观察下面Lumus头显的放大图像,你甚至可以看到LCOS像素镜之间的间隙有一系列微淡淡的水平和垂直线,这些线远小于像素的宽度。在这种情况下,分辨率受到LCOS组件的限制。需要提醒的是,这已经是“最佳”子图案。

  与HoloLens和Lumus相比,ML1的分辨率不如前两者。我使用相同的设备,并且花费了很多时间来试图获得最好的图像。你在佩戴Magic Leap时显然不希望阅读文本。

  对于HoloLens,1像素宽线条与你期望的一样,它们有点模糊但不算台糟糕。Hololens的“开-关”对比度略低于100:1。

  DK-Vision在分辨率方面处于不同的阵营。但它受到LCOS组件的不对称性限制,希望他们能够解决这个问题。

  根据我的观察,ML1尝试在水平上显示大约1160个像素,水平视场为40度(对角线很模糊,实际上每个像素只能显示大约4弧分。HoloLens显示约1024像素,水平超过约30.5度,或者说约1.78弧分/像素,是ML1的两倍。DK-Vision显示1080p像素,大约35度视场(对角线),每像素约为1.08弧分,或约为ML1有效分辨率的四倍。

  Lumus头显也比ML1或HoloLens亮一个数量级。这对于帮助图像脱颖而出,并支持户外用例而言十分有必要。Lumus声称他们的技术相较于衍射波导具有明显的光效优势,尽管我无法验证这一说法,但我认为这是可信的。所有三款头显都使用LCOS,而它们应具有相似的反射率,但我怀疑ML1是由于双焦平面的存在而丢失了一定的效率。如果你只是在LED上提升功率,它们会变得更热,效率更低,这反过来导致需要更多的热量管理,从而增加了体积和重量,而且很快就会失控。

  我不知道为什么Magic Leap和微软都决定采用衍射波导,我欢迎他们回应这篇分析文。Magic Leap和微软都知道Lumus的波导,也许他们存在各自的业务或技术原因。ML1和Hololens的问题与我见过的其他十几种衍射波导都一致。在主要方面上,包括透明(并且不会造成伪影),分辨率,色彩均匀性和亮度(光学效率),Lumus似乎都优于另外两款设备。

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