W okularach jednoocznych i lornetkowych: więcej niż tylko dodatkowy ekran

Wstęp

W dziedzinie inteligentnych okularów wyświetlacze jednooczne i lornetkowe reprezentują dwa podejścia techniczne, które wydają się podobne, ale zasadniczo się różnią.

Na pierwszy rzut oka różnica wydaje się polegać jedynie na dodaniu drugiego silnika optycznego – co przypomina zmianę aparatu z jednym obiektywem na aparat z dwoma obiektywami w smartfonie. Kiedy jednak ten silnik optyczny ustawimy tuż przed okiem, pojawia się zasadnicze pytanie:

Jeśli wyświetlacz jednooczny może już dostarczyć niezbędnych informacji, po co dodawać wyświetlacz dla drugiego oka?

Systemy lornetkowe i jednooczne nie są po prostu konfiguracjami „high-end” i „low-end”; są to raczej dwa różne podejścia do interakcji wizualnej.

Jednooczny : przekazuje informacje tuż przed oczami

Lornetka : umieszcza informacje w środowisku przestrzennym

W tym artykule zbadano – z perspektywy ludzkich czynników wizualnych i komfortu noszenia – dlaczego inteligentne okulary rozdzieliły się na jednooczne i obuoczne oraz co dokładnie je różni.

Dlaczego ludzie potrzebują dwojga oczu?

Ludzki wzrok od dawna funkcjonuje zgodnie z zasadami fizjologicznymi obejmującymi zsynchronizowane ogniskowanie, obrazowanie stereoskopowe i zrównoważone pola widzenia. Jednak jedno oko jest w stanie wykonywać szeroką gamę zadań wzrokowych; wykorzystując jednooczne wskaźniki głębi — takie jak okluzja, perspektywa, względny rozmiar, cieniowanie, gradienty tekstur i paralaksa ruchu — mózg może wywnioskować odległość i położenie przestrzenne obiektów. Krótko mówiąc, posiadanie tylko jednego oka nie utrudnia prowadzenia normalnego życia.

Dlaczego ludzie potrzebują dwojga oczu?

Ludzkie oko w naturalny sposób działa zgodnie z zasadami fizjologicznymi obejmującymi zsynchronizowane ogniskowanie obuoczne, obrazowanie stereoskopowe i zrównoważone pola widzenia. Jednak jedno oko jest w stanie wykonywać szeroką gamę zadań wzrokowych; wykorzystując jednooczne wskaźniki głębi — takie jak okluzja, perspektywa, względny rozmiar, cieniowanie, gradienty tekstur i paralaksa ruchu — mózg może wywnioskować odległość i położenie przestrzenne obiektów. Krótko mówiąc, nawet osoba posiadająca tylko jedno sprawne oko może prowadzić normalne życie.

Co dokładnie zapewniają te dwoje oczu?

Odpowiedź brzmi: rozbieżność obuoczna i zbieżność obuoczna.

Widzenie jednooczne : Na podstawie płaskich obrazów 2D mózg opiera się na sygnałach głębi, aby wyciągnąć wtórne wnioski. Pomaga określić: „Który obiekt jest bliżej?”, „W jakim kierunku rozciąga się droga?” oraz „Który obiekt przesłania inny?”

Widzenie obuoczne : Rozbieżność obuoczna umożliwia mózgowi dokonywanie ocen poprzez porównywanie różnic między obrazami z lewego i prawego oka, podczas gdy mechanizm wergencji pomaga w naturalnym zakotwiczeniu wirtualnych obiektów na określonych głębokościach w rzeczywistej przestrzeni. Mówi ci bezpośrednio: „Jaka jest dokładna odległość tego obiektu od tamtego?”

Głębia bezwzględna = Wskazówki jednooczne (bezwzględna odległość/orientacja) × Wskazówki obuoczne (różnica głębokości)

Uwaga: tutaj „×” oznacza „integrację” — co oznacza, że ​​przestrzenna percepcja głębi jest wynikiem ważonej integracji wielu jednoocznych i obuocznych wskazówek dotyczących głębi.

Schemat porównujący widzenie jednooczne i obuoczne

Różnica w doświadczeniu użytkownika pomiędzy okularami jednoocznymi i lornetkowymi wynika z tej zasadniczej różnicy w logice obrazowania.

Wizualne czynniki ludzkie i doświadczenia bliskiego oka: jednooczne a obuoczne

Systemy wyświetlania bliskiego oka są odpowiedzialne za dostarczanie światła do oka, ale ostatecznie o percepcji i doświadczeniach użytkownika decyduje sposób, w jaki mózg postrzega i przetwarza informacje wizualne.

Okulary jednookularowe : posiadają moduł wyświetlacza — na przykład silnik optyczny — zamontowany na jednej soczewce; Mówiąc najprościej, jednym okiem patrzymy na świat rzeczywisty, a drugim na informacje cyfrowe.

Okulary lornetkowe : posiadają symetrycznie zamontowane moduły wyświetlające, które wyświetlają wirtualne obrazy jednocześnie po obu stronach, umożliwiając wyświetlanie przezierne 2D i stereoskopowe obrazowanie 3D z percepcją głębi.

1. Dane wejściowe dotyczące postrzegania informacji wizualnych: kontradyktoryjne a oparte na współpracy

Monokularowe okulary wystawowe : Wyświetlacz po jednej stronie zmusza korę wzrokową mózgu do jednoczesnego przetwarzania „wirtualnego obrazu jednoocznego” i „sceny binokularnego świata rzeczywistego”. Ponieważ mózg nie jest w stanie połączyć tych bardzo różnych obrazów w jednolity obraz stereoskopowy, kora wzrokowa musi angażować się w aktywne hamowanie i częste przełączanie między dwiema ścieżkami wzrokowymi – zjawisko znane jako rywalizacja wizualna. Ten leżący u podstaw mechanizm hamowania neuronowego pochłania znaczne zasoby uwagi, prowadząc do podziału uwagi i zmęczenia neuronowego użytkownika.

Niezrównoważone wrażenia obuoczne : niespójne ogniskowanie obuoczne, nierówna jasność w całym polu widzenia i rywalizacja obuoczna;

Ograniczone i przesunięte pole widzenia : obrazy są w dużej mierze skoncentrowane na krawędzi pola widzenia po jednej stronie, ograniczając widoczny obszar i prowadząc do problemów, takich jak rozmyte krawędzie i nieprawidłowe ustawienie ostrości po tej stronie;

Nadmierne obciążenie poznawcze : częste przełączanie ścieżek wzrokowych prowadzi do braku skupionej uwagi.

Okulary lornetkowe : oba oczy otrzymują identyczne, zsynchronizowane obrazy, zgodne z naturalnymi mechanizmami współpracy ludzkiego oka i nawykowym sposobem patrzenia na świat. Chociaż widzenie obuoczne eliminuje rywalizację wizualną, wprowadza konflikt wergencji i akomodacji (VAC); powoduje to, że ośrodki kontrolne mózgu otrzymują sprzeczne sygnały neuronowego sprzężenia zwrotnego, co prowadzi do napięcia mięśni oczu i zawrotów głowy.

Synergistyczne mechanizmy naturalnego widzenia :

Podczas oglądania pobliskich obiektów: oczy zbiegają się do wewnątrz + soczewki skupiają się na widzeniu z bliży;

Podczas oglądania odległych obiektów: oczy ustawiają się równolegle + soczewka skupia się na widzeniu w dali;

Konflikt fizjologiczny wywołany pokazami blisko oka :

Kąt zbieżności sygnalizuje mózgowi, że docelowy obiekt znajduje się w odległości 1 metra.

Odległość obrazowania optycznego zmusza obiektyw do ustawiania ostrości na 2 metry.

Schematyczny diagram zasady konfliktu wergencji-akomodacji

2. Przetwarzanie informacji wzrokowych: Widzenie jednooczne obejmuje „oglądanie informacji”, podczas gdy widzenie obuoczne obejmuje „oglądanie przestrzeni”.

Po otrzymaniu sygnałów wizualnych mózg musi przeprowadzić ekstrakcję cech, modelowanie przestrzenne i dopasowanie zamiarów w korze wzrokowej. Na tym etapie podejścia jednooczne i obuoczne rozchodzą się na zupełnie różne ścieżki przetwarzania:

Fuzja obrazu i przetwarzanie informacji

Jednooczny : Mózg opiera się na jednoocznych sygnałach głębi, aby wyciągnąć „wtórne wnioskowanie” na podstawie informacji płaskich 2D; logika przetwarzania informacji opiera się na superpozycji informacji.

Obuoczny : Mózg wykonuje obliczenia dopasowujące, wykorzystując rozbieżność obuoczną, aby bezpośrednio skonstruować trójwymiarowy model przestrzenny; logika przetwarzania informacji opiera się na fuzji przestrzennej.

Progi tolerancji obuocznej i przeciążenie przetwarzania

System wyświetlania lornetkowego nie jest bynajmniej po prostu „połączonymi dwoma jednoocznymi silnikami optycznymi”. Gdy obrazy prezentowane lewym i prawym oczom wykraczają poza fizjologiczne granice tolerancji ludzkiego oka, obciążenie przetwarzania wzrokowego mózgu gwałtownie wzrasta; reakcje fizjologiczne i subiektywne doświadczenia związane z różnymi typami anomalii są następujące:

Chociaż wyświetlacze lornetkowe oferują bogate wskazówki dotyczące głębi przestrzennej i doskonałe wrażenia przestrzenne, nakładają również dodatkowe obciążenie poznawcze na koordynację i stwarzają wyższe bariery techniczne i wyzwania w zakresie dostrajania czynnika ludzkiego.

Widzenie obuoczne nie jest „z natury wygodniejsze”; zapewnia raczej wyższy pułap wrażeń wizualnych, jednocześnie niosąc ze sobą większe ryzyko w zakresie wrażeń użytkownika.

Wygodne noszenie: środek ciężkości a waga

O ile ergonomia wizualna decyduje o tym, czy wyświetlacz jest wyraźny i czy oglądanie powoduje zmęczenie, o tyle wrażenia z noszenia decydują o tym, czy urządzenie jest wystarczająco wygodne do codziennego użytku.

Inteligentne okulary to nie tylko wyświetlacze; są to produkty elektroniki użytkowej przeznaczone do noszenia na twarzy przez dłuższy czas.

Okulary monokularowe charakteryzują się usprawnioną architekturą sprzętową; w połączeniu z lekką obudową i chipami o małej mocy cały produkt jest lżejszy. Jednakże podczas długotrwałego użytkowania przesunięcie środka ciężkości może prowadzić do nierównej siły zacisku ze skroni, powodując dyskomfort w wyniku nacisku po jednej stronie głowy (w skroni).

Okulary lornetkowe wymagają symetrycznych silników optycznych, kabli taśmowych i soczewek optycznych po obu stronach; zapewnienie zsynchronizowanej pracy podwójnych silników optycznych przy jednoczesnym zrównoważeniu jakości obrazu i czasu pracy baterii często wymaga większej baterii, co dodatkowo pogarsza lekką konstrukcję urządzenia. Doświadczenie użytkownika z produktami dostępnymi na rynku wskazuje na znaczny nacisk na uszy i nos. Jednak symetryczny rozkład ciężaru zapewnia bezpieczniejsze i stabilniejsze dopasowanie.

Okulary jednooczne a okulary dwuoczne

Wniosek

Wybór pomiędzy okularami jednoocznymi a dwuocznymi nie jest jedynie kwestią logiki technicznej; wymaga odpowiedzi na zasadnicze pytanie: jakie jest pierwotne przeznaczenie produktu? Konstrukcja monokularowa zapewnia natychmiastową efektywność kosztową i mniejszą wagę, zapewniając doskonałe parametry na papierze, ale nie może zagwarantować optymalnych wrażeń wizualnych. Z drugiej strony, konstrukcja lornetki wymaga głębokiego zrozumienia fizjologicznych mechanizmów widzenia obuocznego i wiąże się z przestrzeganiem wyższych standardów w zakresie spójności optycznej, złożonej fuzji obuocznej i rygorystycznej inżynierii uwzględniającej czynnik ludzki, a także kompromisów pomiędzy wagą, zużyciem energii i komfortem użytkownika. Wyświetlacz lornetkowy to znacznie więcej niż tylko dodanie dodatkowego ekranu.

Źródło: Laboratorium S-Dream