О монокулярных и бинокулярных очках: больше, чем просто дополнительный экран

Введение

В сфере умных очков монокулярные и бинокулярные дисплеи представляют собой два технических подхода, которые кажутся похожими, но принципиально различаются.

На первый взгляд кажется, что разница заключается всего лишь в добавлении второго оптического механизма — это похоже на модернизацию смартфона с однообъективной камеры на двухобъективную. Однако когда этот оптический двигатель располагается прямо перед глазом, возникает принципиальный вопрос:

Если монокулярный дисплей уже может предоставить необходимую информацию, зачем добавлять дисплей для второго глаза?

Бинокулярные и монокулярные системы не просто представляют собой конфигурации «высокого» и «низкого» уровня; скорее, это два разных подхода к визуальному взаимодействию.

Монокуляр : передает информацию прямо перед глазами.

Бинокль : помещает информацию в пространственную среду.

В этой статье исследуется – с точки зрения визуального человеческого фактора и комфорта при ношении – почему умные очки разделились на монокулярные и бинокулярные подходы, и что именно их отличает.

Зачем человеку два глаза?

Человеческое зрение уже давно работает в соответствии с физиологическими принципами, включающими синхронизированную фокусировку, стереоскопическое изображение и сбалансированные поля зрения. Однако на самом деле один глаз способен выполнять широкий спектр зрительных задач; используя монокулярные сигналы глубины, такие как окклюзия, перспектива, относительный размер, затенение, градиенты текстуры и параллакс движения, мозг может определить расстояние и пространственное положение объектов. Проще говоря, наличие только одного глаза не мешает человеку вести нормальную жизнь.

Зачем человеку два глаза?

Человеческий глаз естественным образом работает в соответствии с физиологическими принципами, включающими синхронизированную бинокулярную фокусировку, стереоскопическое изображение и сбалансированные поля зрения. Однако на самом деле один глаз способен выполнять широкий спектр зрительных задач; используя монокулярные сигналы глубины, такие как окклюзия, перспектива, относительный размер, затенение, градиенты текстуры и параллакс движения, мозг может определить расстояние и пространственное положение объектов. Говоря простым языком, даже человек, имеющий только один функционирующий глаз, может вести нормальную жизнь.

Что именно дают эти два глаза?

Ответ: бинокулярное неравенство и бинокулярная конвергенция.

Монокулярное зрение : на основе двухмерных плоских изображений мозг полагается на сигналы глубины, чтобы делать вторичные выводы. Это помогает определить: «Какой объект ближе?», «В каком направлении тянется дорога?» и «Какой объект закрывает другой?».

Бинокулярное зрение . Бинокулярное несоответствие позволяет мозгу выносить суждения, сравнивая различия между изображениями, полученными левым и правым глазом, а механизм вергенции помогает естественным образом закреплять виртуальные объекты на определенной глубине в реальном пространстве. Он прямо говорит вам: «Каково точное расстояние этого объекта относительно того?»

Абсолютная глубина = Монокулярные сигналы (абсолютное расстояние/ориентация) × Бинокулярные сигналы (разница глубины)

Примечание. Здесь «×» означает «интеграцию» — это означает, что восприятие пространственной глубины является результатом взвешенной интеграции нескольких монокулярных и бинокулярных сигналов глубины.

Диаграмма сравнения монокулярного и бинокулярного зрения

Разница в пользовательском опыте использования монокулярных и бинокулярных очков проистекает из основной разницы в логике визуализации.

Визуальный человеческий фактор и зрительный опыт: монокулярный и бинокулярный

Системы окологлазного отображения отвечают за доставку света в глаз, но в конечном итоге восприятие и опыт пользователя определяет то, как мозг воспринимает и обрабатывает визуальную информацию.

Очки-монокуляры : они имеют модуль дисплея, например оптический механизм, установленный на одной линзе; Проще говоря, один глаз видит реальный мир, а другой — цифровую информацию.

Бинокулярные очки : они оснащены симметрично установленными модулями дисплея, которые проецируют виртуальные изображения одновременно в обе стороны, обеспечивая 2D-проекционное отображение и 3D-стереоскопическое изображение с восприятием глубины.

1.Вход для визуального восприятия информации: состязательный или совместный.

Очки с монокулярным дисплеем : дисплей на одной стороне заставляет зрительную кору головного мозга одновременно обрабатывать «монокулярное виртуальное изображение» и «бинокулярную сцену реального мира». Поскольку мозг не может объединить эти совершенно разные изображения в единое стереоскопическое изображение, зрительная кора должна активно тормозить и часто переключаться между двумя зрительными путями — явление, известное как визуальное соперничество. Этот основной механизм нейронного торможения потребляет значительные ресурсы внимания, что приводит к распределению внимания и нервному утомлению пользователя.

Несбалансированный бинокулярный опыт : непостоянная бинокулярная фокусировка, неравномерная яркость по всему полю зрения и бинокулярное соперничество;

Ограниченное и смещенное поле зрения : изображения в основном концентрируются на краю поля зрения с одной стороны, что ограничивает видимую область и приводит к таким проблемам, как размытие краев и смещение фокуса на этой стороне;

Чрезмерная когнитивная нагрузка : частое переключение зрительных путей приводит к недостатку сосредоточенного внимания.

Бинокулярные очки : оба глаза получают идентичные, синхронизированные изображения, соответствующие естественным механизмам взаимодействия человеческого глаза и привычному способу видения мира. Хотя бинокулярное наблюдение устраняет визуальное соперничество, оно приводит к конфликту вергенции и аккомодации (VAC); это приводит к тому, что центры управления мозга получают противоречивые сигналы нейронной обратной связи, что приводит к перенапряжению глазных мышц и головокружению.

Синергетические механизмы естественного зрения :

При рассматривании близлежащих предметов: глаза сходятся внутрь + линза фокусируется для видения вблизи;

При рассматривании удаленных предметов: глаза располагаются параллельно + линза фокусируется для видения вдаль;

Физиологический конфликт, вызванный окологлазными дисплеями :

Угол конвергенции сигнализирует мозгу, что целевой объект находится на расстоянии 1 метра.

Расстояние оптического изображения заставляет объектив фокусироваться на расстоянии 2 метра.

Схематическая диаграмма принципа конфликта вергентности-аккомодации

2. Обработка зрительной информации. Монокулярное зрение предполагает «просмотр информации», тогда как бинокулярное зрение предполагает «просмотр пространства».

При получении визуальных сигналов мозг должен выполнить извлечение признаков, пространственное моделирование и сопоставление намерений в зрительной коре. На этом этапе монокулярный и бинокулярный подходы расходятся в совершенно разных путях обработки:

Слияние изображений и обработка информации

Монокулярный : мозг полагается на монокулярные сигналы глубины, чтобы выполнить «вторичный вывод» о двухмерной планарной информации; логика обработки информации основана на суперпозиции информации.

Бинокулярный : мозг выполняет расчеты сопоставления, используя бинокулярное несоответствие, чтобы напрямую построить трехмерную пространственную модель; логика обработки информации основана на пространственном слиянии.

Пороги бинокулярной толерантности и перегрузка обработки

Бинокулярная система отображения ни в коем случае не является просто «двумя монокулярными оптическими двигателями вместе взятыми». Как только изображение, представляемое левому и правому глазу, выходит за пределы физиологической толерантности человеческого глаза, нагрузка на визуальную обработку мозга резко возрастает; Физиологические реакции и субъективные переживания, связанные с различными видами аномалий, заключаются в следующем:

Хотя бинокулярные дисплеи предлагают богатые сигналы пространственной глубины и превосходное пространственное восприятие, они также накладывают дополнительную когнитивную нагрузку на координацию и создают более высокие технические барьеры и проблемы, связанные с настройкой человеческого фактора.

Бинокулярное зрение не является «само по себе более комфортным»; скорее, он предлагает более высокий потолок визуального восприятия, одновременно неся больший риск в отношении пользовательского опыта.

Комфортное ношение: центр тяжести и вес

В то время как визуальная эргономика определяет, является ли дисплей четким и вызывает ли просмотр усталость, опыт ношения определяет, достаточно ли удобно устройство для ежедневного использования.

Умные очки — это не просто дисплеи; это потребительские электронные продукты, предназначенные для ношения на лице в течение длительного времени.

Монокулярные очки имеют упрощенную аппаратную архитектуру; В сочетании с легким корпусом и чипами с низким энергопотреблением весь продукт становится легче. Однако при длительном использовании смещение центра тяжести может привести к неравномерной силе прижима со стороны висков, вызывая дискомфорт из-за давления на одну сторону головы (у виска).

Для бинокулярных очков требуются симметричные оптические двигатели, ленточные кабели и оптические линзы с обеих сторон; обеспечение синхронизированной работы двух оптических двигателей при одновременном обеспечении баланса между качеством изображения и временем автономной работы часто требует использования батареи большего размера, что еще больше ухудшает легкую конструкцию устройства. Опыт использования имеющихся в продаже продуктов указывает на значительное давление на уши и нос. Однако симметричное распределение веса обеспечивает более надежную и стабильную посадку.

Монокулярные очки против бинокулярных очков

Заключение

Выбор между монокулярными и бинокулярными очками – это не просто вопрос технической логики; это требует решения фундаментального вопроса: какова первоначальная цель продукта? Монокулярная конструкция обеспечивает наилучшую немедленную экономическую эффективность и меньший вес, обеспечивая превосходные характеристики на бумаге, но не может гарантировать оптимальное визуальное восприятие. И наоборот, конструкция бинокуляра требует глубокого понимания физиологических механизмов бинокулярного зрения и влечет за собой соблюдение более высоких стандартов оптической согласованности, сложного бинокулярного синтеза и строгого учета человеческого фактора, а также компромисса между весом, энергопотреблением и комфортом пользователя. Бинокулярный дисплей — это гораздо больше, чем просто добавление дополнительного экрана.

Источник: S-Dream Lab