تحليل تقنية عرض العين القريبة (NED).

شاشة العرض القريبة من العين (NED) عبارة عن جهاز عرض مصمم ليتم استخدامه على مقربة من العين - عادةً على بعد بضعة سنتيمترات فقط. على عكس الشاشات التقليدية التي يتم عرضها من مسافة بعيدة، يستخدم NED نظامًا بصريًا متطورًا لعرض الصور الناتجة عن شاشة عرض داخلية صغيرة إلى صورة افتراضية أكبر وأكثر بعدًا.

ما يراه المستخدم ليس لوحة العرض نفسها، بل صورة افتراضية يتم تقديمها بصريًا على مسافة مشاهدة مريحة. تعد هذه القدرة أساسية لإنشاء تجارب بصرية غامرة وطبيعية، خاصة في الأنظمة القابلة للارتداء حيث يكون الحجم والوزن واستهلاك الطاقة مقيدين بشكل صارم.

وبالتالي، يتم الاعتراف بشكل متزايد بأجهزة NED باعتبارها تقنية تمكينية أساسية لأنظمة الواقع المعزز والواقع الافتراضي الحديثة، حيث يعد تحقيق التوازن بين أداء العرض والكفاءة البصرية وراحة المستخدم أمرًا بالغ الأهمية. مع تحرك الصناعة نحو المزيد من الأجهزة العملية التي يمكن ارتداؤها يوميًا، تطور دور شاشات العرض القريبة من العين من مجرد مكون تجريبي إلى عامل حاسم في نجاح المنتج.

توجد NEDs بشكل شائع في شاشات العرض المثبتة على الرأس (HMDs) والنظارات الذكية، وهي بمثابة التكنولوجيا الأساسية وراء تجارب الواقع الافتراضي (VR)، والواقع المعزز (AR)، والواقع المختلط (MR).

المكونات البصرية الرئيسية لشاشات العرض القريبة من العين

في حين أن شاشات العرض القريبة من العين (NEDs) قد يكون لها مظهر مستقبلي، فإن أنظمتها البصرية تتكون في الواقع من ثلاثة مكونات رئيسية فقط. تعمل هذه المكونات معًا لتحويل الصورة من شاشة عرض صغيرة إلى صورة افتراضية واسعة ومريحة تبدو وكأنها تطفو أمام أعين المستخدم مباشرة.

العرض / مصدر الضوء

في أنظمة العرض القريبة من العين، تكون الشاشة (التي يشار إليها أحيانًا باسم مصدر الضوء أو محرك الضوء) هي المكون الأساسي المسؤول عن إنشاء الصورة أو تعديلها. ببساطة، هذا هو المكان الذي تنشأ فيه الصورة قبل أن يتم توجيهها وتشكيلها بواسطة العناصر البصرية.

يعد محرك العرض/الضوء محوريًا للأداء البصري العام، حيث يؤثر بشكل مباشر على وضوح الصورة وجودة الألوان والسطوع وكفاءة الطاقة وسيولة الحركة. يتم استخدام تقنيات مختلفة وفقًا للمتطلبات المحددة لأنظمة AR أو VR أو MR. تشمل تقنيات العرض والمحركات الخفيفة الشائعة الموجودة في الأنظمة البصرية القريبة من العين ما يلي:

LCoS (الكريستال السائل على السيليكون): تقنية العرض المصغر العاكسة شائعة الاستخدام في محركات الضوء AR. يشتهر LCoS بالدقة العالية والتماثل الممتاز للصورة، وغالبًا ما يستخدم مع مصادر الإضاءة الخارجية وبصريات العرض.

MicroLED: تقنية شاشة عرض صغيرة ذاتية الإضاءة ومشرقة للغاية وموفرة للطاقة. هذه الخصائص تجعلها مفيدة بشكل خاص في شاشات الواقع المعزز الشفافة، حيث يعد التغلب على التداخل الناتج عن الضوء المحيط أمرًا بالغ الأهمية.

LBS (المسح الضوئي بشعاع الليزر): تقنية عرض تولد الصور عن طريق مسح شعاع الليزر. يمكن لـ LBS تحقيق تصميم بصري مدمج ورفيع وتحقيق أداء عالي السطوع، مما يجعلها خيارًا مثاليًا لنظارات الواقع المعزز الرقيقة والخفيفة.

OLED (الصمام الثنائي العضوي الباعث للضوء): تقنية عرض ذاتية الإضاءة معروفة بوقت الاستجابة السريع والتباين العالي والألوان الغنية. تُستخدم تقنية OLED على نطاق واسع في شاشات الواقع الافتراضي والواقع المعزز (MR) القريبة من العين، ويعتبر السطوع وعمر الخدمة من الاعتبارات المهمة عند تطبيقها على الواقع المعزز.

LCD (شاشة الكريستال السائل): تقنية تعديل الضوء التي تتطلب إضاءة خلفية خارجية. على الرغم من أنها تتمتع بمكانة تاريخية مهمة، مقارنة بتقنيات العرض الصغيرة الجديدة، إلا أن نسبة تباينها أقل وسرعة استجابتها أبطأ، لذا فإن تطبيقها في شاشات العرض القريبة من العين المتطورة كان محدودًا نسبيًا.

نظام DLP/DMD: تقنية عرض تعمل على تعديل الضوء من خلال مجموعة من المرايا الدقيقة. يمكن أن توفر أنظمة DLP/DMD سطوعًا عاليًا وتحكمًا دقيقًا في الصورة، ولكن عند تطبيقها على الأجهزة القريبة من العين، يجب إدارة حجم النظام واستهلاك الطاقة والتعقيد البصري بعناية.

مجمع الشعاع البصري

يتحكم الموحد البصري في كيفية نقل الصور إلى عيون المستخدم وكيفية مزجها مع العالم الحقيقي. وتختلف وظيفتها اعتمادًا على أهداف تصميم النظام، سواء كان الهدف هو تجربة غامرة بالكامل أو تراكب المحتوى الرقمي على البيئة المادية.

في الأنظمة الغامرة مثل سماعات الواقع الافتراضي، يقوم الموحد البصري بتوزيع الصور على كلتا العينين مع حجب الضوء الخارجي، مما يسمح للمستخدم بالانغماس بالكامل في بيئة افتراضية.

في الأنظمة الشفافة مثل نظارات الواقع المعزز، يلعب الموحد البصري دورًا أكثر تعقيدًا. ويجب أن تمزج الصور الرقمية بسلاسة مع الضوء من العالم الحقيقي، مما يضمن دمج الرسومات أو النصوص أو الكائنات الافتراضية بشكل ثابت ومريح مع البيئة الفعلية المحيطة بالمستخدم. يتطلب تحقيق هذا التوازن تحكمًا دقيقًا في الكفاءة البصرية والسطوع والشفافية.

مع دخول أجهزة الواقع المعزز إلى الحياة اليومية بشكل متزايد، أصبح المجمع البصري واحدًا من أكثر المكونات المحورية تحديًا في تصميم شاشات العرض القريبة من العين. ويؤثر أدائها بشكل كبير على حجم النظام وجودة الرؤية وراحة المستخدم، مما يحدد في النهاية ما إذا كانت شاشة العرض القريبة من العين تعزل المستخدم عن الواقع أم تزيده.

تصوير البصريات

يعد نظام التصوير البصري مسؤولاً عن تكبير الصورة من شاشة العرض الدقيقة وتقديمها كصورة مرئية واسعة ومريحة. تعمل هذه العدسات أو العناصر البصرية على تشكيل الضوء وتكبيره وتركيزه، مما يسمح للصورة بالظهور على مسافة رؤية طبيعية بدلاً من الظهور أمام العينين مباشرة.

يوجد حاليًا طريقتان رئيسيتان للتصميم:

يعمل نظام تشكيل حدقة الخروج على توسيع نطاق حدقة الخروج عن طريق إنشاء صورة متوسطة، مما يسمح للمستخدم بالحفاظ على رؤية واضحة حتى أثناء تحرك أعينه، وبالتالي منع فقدان الصورة بسبب التحولات في خط الرؤية.

يقوم نظام تشكيل الحدقة بدون خروج بتوجيه الضوء المتوازي تقريبًا إلى العين، مما يعرض الصورة على مسافة بصرية أكبر، مما يساعد على تقليل إجهاد العين.

هدفها الأساسي هو ضمان الوضوح البصري مع استيعاب حركة العين الطبيعية والحفاظ على الراحة أثناء الاستخدام لفترة طويلة.

تشكل هذه المكونات الثلاثة نظامًا بصريًا كاملاً، حيث تعمل العين البشرية كحلقة وصل نهائية. يقوم منشئ الصور بإنشاء المحتوى المرئي؛ تعمل بصريات التصوير على تكبير الصورة وتشكيلها؛ ويحدد الموحد البصري كيفية إيصال الصورة إلى العين وما إذا كانت تمتزج مع العالم الحقيقي.

بدلاً من عرض الصور على سطح مادي، يقوم النظام مباشرة بإنشاء صورة افتراضية وحدقة خروج افتراضية. عندما يتم وضع العين داخل هذه المنطقة، تقوم العدسة بتركيز الضوء مباشرة على شبكية العين، مما يجعل صورة العرض الصغير تظهر كشاشة ضخمة معلقة في الفضاء.

فكر في شاشة العرض القريبة من العين كنافذة ذات تقنية عالية: يمثل مولد الصور المشهد المعروض داخل النافذة؛ تعمل بصريات التصوير كزجاج خاص يجعل المشهد يبدو أوسع وأبعد؛ ويحدد الموحد البصري ما إذا كانت النافذة شفافة أم معتمة. تخلق هذه العناصر معًا إحساسًا بالعمق والحجم والانغماس، مما يحدد التجربة البصرية الفريدة للشاشة القريبة من العين.

تحديات قياس NED

يختلف قياس وتقييم شاشات العرض القريبة من العين (NEDs) بشكل أساسي عن طرق الاختبار المستخدمة للشاشات التقليدية. ونظرًا لأن هذه الأجهزة مصممة خصيصًا للتواصل مع العين البشرية، فيجب على نظام القياس أن يفعل أكثر بكثير من مجرد التقاط الضوء. يجب أن يحاكي الشكل الهندسي والحركة والخصائص الإدراكية للعين البشرية، وإجراء القياسات داخل 'صندوق العين' الصغير عن طريق تحديد موضع بؤبؤ مدخل الكاميرا بدقة حيث ستكون العين الفعلية، مع مراعاة دوران العين وآليات التركيز في نفس الوقت.

هذه المجموعة الفريدة من المتطلبات تجعل قياس NED أحد الجوانب الأكثر تحديًا في قياس العرض؛ كما أنه يدعم بشكل مباشر العاملين الأساسيين اللذين يحددان نجاح أو فشل تجربة العرض على مقربة من العين: الراحة والانغماس.

راحة

تحدد الراحة ما إذا كانت شاشة العرض القريبة من العين (NED) تسمح بالاستخدام الطبيعي لفترات طويلة دون التسبب في التعب أو الانزعاج؛ تساعد تقنية القياس المهندسين على تحديد وحل المشكلات التي تؤثر على رؤية المستخدم وإحساسه بالتوازن والتجربة البدنية الشاملة.

أحد أهم التحديات هو الصراع بين التقارب والإقامة (VAC). في الرؤية الطبيعية، تتقارب العيون إلى الداخل لتثبيتها على جسم ما مع ضبط المسافة البؤرية في الوقت نفسه لتتناسب مع موقع ذلك الكائن. ومع ذلك، في العديد من أنظمة NED، قد تتقارب العيون على كائن افتراضي بينما تظل المسافة البؤرية ثابتة على مسافة بصرية مختلفة. هذا التناقض هو السبب الرئيسي لإجهاد العين، والتعب، والدوخة، والغثيان، مما يجعل VAC أولوية قصوى في كل من التصميم والقياس.

تصميم الأجهزة أمر بالغ الأهمية بنفس القدر؛ نظرًا لأن NEDs عبارة عن أجهزة مثبتة على الرأس، فإن الوزن والأبعاد وتوازن مركز الثقل يؤثر بشكل مباشر على راحة الارتداء. حتى مع جودة العرض الاستثنائية، فإن الجهاز الثقيل جدًا أو غير المتوازن يجعل الاستخدام المطول أمرًا صعبًا بالنسبة للمستخدم. تلعب تقنية القياس دورًا محوريًا هنا، مما يضمن أن التصميمات البصرية تحقق عامل شكل مدمج وخفيف الوزن دون المساس بالأداء.

جانب رئيسي آخر هو التكوين المكاني، والذي يتم وصفه عادةً من حيث تصفية العين وإراحة العين. يشير خلوص العين إلى المسافة بين السطح البصري النهائي وحدقة الخروج - عادة حوالي 20 إلى 25 ملم - في حين أن راحة العين هي المسافة من السطح البصري النهائي إلى موضع العين المثالي. يعد التحكم الدقيق في هذه المسافات أمرًا ضروريًا لضمان راحة مرتديها والتوافق مع النظارات والسلامة التشغيلية.

يرتبط بشكل وثيق بهذا 'مربع العين'، الذي يحدد النطاق المكاني الذي يمكن للعين أن تتحرك ضمنه أثناء عرض الصورة الكاملة. يسمح صندوق العين المصمم جيدًا بحركة العين الطبيعية دون اقتصاص الصورة أو تشويهها. يجب أن تقوم تقنيات القياس بتقييم كل من حجم وموضع صندوق العين لضمان تجربة مريحة باستمرار لمختلف المستخدمين.

علاوة على ذلك، يجب أن يأخذ النظام في الاعتبار النظام الدهليزي للمستخدم، وهو الجهاز الحسي المسؤول عن التوازن والتوجه المكاني. إذا كانت الإشارات البصرية من إحدى العينين أو كلتيهما غير متسقة، فقد يفسرها الدماغ على أنها معلومات حركة متضاربة، مما قد يؤدي إلى عدم الراحة أو دوار الحركة. يساعد القياس الدقيق على منع مثل هذه التناقضات الحسية.

غمر

يحدد الانغماس واقعية وسيولة التجربة الافتراضية. تضمن شاشة العرض القريبة من العين (NED) الغامرة للغاية أن المحتوى الرقمي مستقر وسريع الاستجابة ونابض بالحياة بصريًا.

مجال الرؤية (FOV) هو عامل حاسم يؤثر على الانغماس. يملأ مجال الرؤية الأوسع مساحة أكبر من المساحة المرئية للمستخدم ويعزز الإحساس بالحضور، ومع ذلك فإنه غالبًا ما يستلزم مقايضات، مثل انخفاض الدقة أو صغر حجم العين. إن العثور على التوازن الأمثل بين هذه المقايضات هو على وجه التحديد المكان الذي تلعب فيه تكنولوجيا القياس دورًا حيويًا.

تعد الدقة ووضوح الصورة أيضًا أمرًا أساسيًا للجودة المرئية. يمكن أن تؤدي كثافة وحدات البكسل غير الكافية إلى 'تأثير باب الشاشة'، حيث تصبح وحدات البكسل الفردية أو الفجوات بينها مرئية بوضوح. في شاشات العرض القريبة من العين، يتم قياس الدقة عادةً بالبكسل لكل درجة (PPD)، وهو ما يمثل عدد البكسلات المعروضة في كل درجة من مجال رؤية المستخدم.

يعد PPD أحد مقاييس الأداء الأكثر أهمية لأنظمة الواقع المعزز والواقع الافتراضي؛ تشير القيم الأعلى إلى صور أكثر وضوحًا وتجربة بصرية أكثر طبيعية.

تستخدم أنظمة القياس أدوات مثل تحليل وظيفة نقل التعديل (MTF) لتقييم الدقة ووضوح الصورة، وبالتالي تقييم قدرة النظام البصري على إعادة إنتاج التفاصيل الدقيقة. ومن خلال الجمع بين قياسات PPD وتحليل MTF، يمكن للمهندسين إجراء تقييم شامل لما إذا كانت الشاشة توفر وضوحًا كافيًا لتقديم تجربة مستخدم مريحة وغامرة.

يؤثر السطوع والتباين بشكل كبير على الواقعية وسهولة القراءة. تتطلب شاشات العرض الغامرة تباينًا عاليًا لعرض اللون الأسود العميق، في حين يجب أن تضمن أنظمة الواقع المعزز الشفافة بقاء المحتوى الرقمي مرئيًا بوضوح على خلفيات العالم الحقيقي الساطعة والمعقدة.

الكمون هو معلمة هامة أخرى تؤثر على الانغماس؛ أي تأخير ملحوظ بين حركة الرأس وتحديث العرض المرئي يحطم الإحساس بالوجود ويمكن أن يؤدي إلى دوار الحركة. يضمن القياس الدقيق بقاء استجابة النظام سريعة ومستقرة.

بالنسبة لشاشات العرض الشفافة، تعد إدارة عمق المجال أمرًا بالغ الأهمية بشكل خاص - يجب أن يكون المستخدمون قادرين على رؤية كل من المحتوى الرقمي والأشياء المادية بوضوح في وقت واحد دون إعادة التركيز بشكل متكرر؛ وإلا فإن الشعور بالانغماس ينهار على الفور.

المصدر: يو بي آر تيك