การวิเคราะห์เทคโนโลยี Near-Eye Display (NED)

Near-Eye Display (NED) เป็นอุปกรณ์แสดงผลที่ออกแบบมาเพื่อใช้ใกล้กับดวงตา โดยทั่วไปอยู่ห่างออกไปเพียงไม่กี่เซนติเมตร ต่างจากหน้าจอแบบเดิมที่มองจากระยะไกล NED ใช้ระบบออปติคัลที่ซับซ้อนในการฉายภาพที่สร้างโดยไมโครจอแสดงผลภายในให้เป็นภาพเสมือนจริงที่ใหญ่กว่าและอยู่ไกลกว่า

สิ่งที่ผู้ใช้รับรู้ไม่ใช่แผงจอแสดงผล แต่เป็นภาพเสมือนที่เรนเดอร์ด้วยแสงในระยะการรับชมที่สะดวกสบาย ความสามารถนี้เป็นพื้นฐานในการสร้างประสบการณ์ภาพที่ดื่มด่ำและเป็นธรรมชาติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบอุปกรณ์สวมใส่ซึ่งมีข้อจำกัดด้านขนาด น้ำหนัก และการใช้พลังงานอย่างเคร่งครัด

ด้วยเหตุนี้ NED จึงได้รับการยอมรับมากขึ้นเรื่อยๆ ว่าเป็นเทคโนโลยีหลักที่เปิดใช้งานสำหรับระบบ AR และ VR สมัยใหม่ ซึ่งการรักษาสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการแสดงผล ประสิทธิภาพด้านออปติคัล และความสะดวกสบายของผู้ใช้เป็นสิ่งสำคัญ ในขณะที่อุตสาหกรรมก้าวไปสู่อุปกรณ์สวมใส่ในชีวิตประจำวันที่ใช้งานได้จริงมากขึ้น บทบาทของจอแสดงผลแบบ Near Eye ได้พัฒนาจากองค์ประกอบทดลองไปสู่ปัจจัยชี้ขาดต่อความสำเร็จของผลิตภัณฑ์

NED มักพบในจอแสดงผลแบบสวมศีรษะ (HMD) และแว่นตาอัจฉริยะ ซึ่งทำหน้าที่เป็นเทคโนโลยีหลักเบื้องหลังประสบการณ์ความเป็นจริงเสมือน (VR) ความเป็นจริงเสริม (AR) และความเป็นจริงผสม (MR)

ส่วนประกอบทางแสงที่สำคัญของจอแสดงภาพระยะใกล้

แม้ว่า Near-Eye Display (NED) อาจมีลักษณะที่ล้ำยุค แต่จริงๆ แล้วระบบออพติคัลประกอบด้วยองค์ประกอบหลักเพียงสามส่วนเท่านั้น ส่วนประกอบเหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อแปลงภาพจากไมโครจอแสดงผลให้เป็นภาพเสมือนที่กว้างและสะดวกสบายซึ่งดูเหมือนลอยอยู่ต่อหน้าต่อตาผู้ใช้

จอแสดงผล / แหล่งกำเนิดแสง

ในระบบแสดงภาพระยะใกล้ จอแสดงผล (บางครั้งเรียกว่าแหล่งกำเนิดแสงหรือกลไกของแสง) เป็นองค์ประกอบหลักที่รับผิดชอบในการสร้างหรือปรับภาพ พูดง่ายๆ ก็คือนี่คือจุดเริ่มต้นของภาพก่อนที่จะถูกนำทางและจัดรูปทรงด้วยองค์ประกอบทางแสง

ระบบการแสดงผล/แสงเป็นส่วนสำคัญต่อประสิทธิภาพการมองเห็นโดยรวม ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความคมชัดของภาพ คุณภาพสี ความสว่าง ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และความลื่นไหลของการเคลื่อนไหว มีการใช้เทคโนโลยีที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของระบบ AR, VR หรือ MR เทคโนโลยีการแสดงผลและกลไกไฟทั่วไปที่พบในระบบการมองเห็นใกล้ตา ได้แก่:

LCoS (Liquid Crystal บนซิลิคอน): เทคโนโลยีไมโครจอแสดงผลแบบสะท้อนแสงที่ใช้กันทั่วไปในเครื่องยนต์แสง AR LCoS เป็นที่รู้จักในด้านความละเอียดสูงและความสม่ำเสมอของภาพที่ยอดเยี่ยม มักใช้กับแหล่งแสงภายนอกและเลนส์ฉายภาพ

MicroLED: เทคโนโลยีไมโครดิสเพลย์ที่ส่องสว่างในตัวซึ่งมีความสว่างสูงและประหยัดพลังงาน คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้มีข้อได้เปรียบเป็นพิเศษในจอแสดงผล AR แบบมองทะลุได้ ซึ่งการเอาชนะการรบกวนจากแสงโดยรอบถือเป็นสิ่งสำคัญ

LBS (การสแกนลำแสงเลเซอร์): เทคโนโลยีการแสดงผลที่สร้างภาพโดยการสแกนลำแสงเลเซอร์ LBS มีการออกแบบออพติคอลที่บางและกะทัดรัด และให้ประสิทธิภาพความสว่างสูง ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับแว่นตา AR ที่บางและเบา

OLED (Organic Light-Emitting Diode): เทคโนโลยีการแสดงผลแบบเรืองแสงในตัวซึ่งขึ้นชื่อในด้านเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว คอนทราสต์สูง และสีสันที่หลากหลาย OLED ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในจอแสดงผล Near Eye VR และ MR และความสว่างและอายุการใช้งานถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญเมื่อนำไปใช้กับ AR

LCD (จอแสดงผลคริสตัลเหลว): เทคโนโลยีการปรับแสงที่ต้องใช้แสงพื้นหลังภายนอก แม้ว่าจะมีตำแหน่งในอดีตที่สำคัญ เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีไมโครจอแสดงผลใหม่ อัตราคอนทราสต์ของมันต่ำกว่าและความเร็วการตอบสนองช้าลง ดังนั้น การใช้งานในจอแสดงผล Near Eye ระดับไฮเอนด์จึงค่อนข้างจำกัด

ระบบ DLP/DMD: เทคโนโลยีการแสดงผลที่ปรับแสงผ่านอาร์เรย์ไมโครมิเรอร์ ระบบ DLP/DMD สามารถให้ความสว่างสูงและการควบคุมภาพที่แม่นยำ แต่เมื่อนำไปใช้กับอุปกรณ์ที่มองใกล้ ขนาดของระบบ การใช้พลังงาน และความซับซ้อนของแสง ทั้งหมดนี้จำเป็นต้องได้รับการจัดการอย่างระมัดระวัง

ตัวรวมลำแสงแสง

ตัวรวมแสงจะควบคุมวิธีการส่งภาพไปยังดวงตาของผู้ใช้และวิธีที่ภาพเหล่านั้นผสมผสานกับโลกแห่งความเป็นจริง ฟังก์ชันจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับเป้าหมายการออกแบบของระบบ ไม่ว่าเป้าหมายจะเป็นประสบการณ์ที่ดื่มด่ำอย่างเต็มที่ หรือการซ้อนทับเนื้อหาดิจิทัลลงในสภาพแวดล้อมทางกายภาพ

ในระบบเสมือนจริง เช่น ชุดหูฟัง VR ตัวรวมแสงจะกระจายภาพไปยังดวงตาทั้งสองข้างในขณะที่บังแสงจากภายนอก ทำให้ผู้ใช้สามารถดื่มด่ำไปกับสภาพแวดล้อมเสมือนจริงได้อย่างเต็มที่

ในระบบมองทะลุ เช่น แว่นตา AR ตัวรวมแสงมีบทบาทที่ซับซ้อนมากขึ้น ต้องผสมผสานภาพดิจิทัลเข้ากับแสงจากโลกแห่งความเป็นจริงได้อย่างลงตัว เพื่อให้มั่นใจว่ากราฟิก ข้อความ หรือวัตถุเสมือนจะผสานรวมเข้ากับสภาพแวดล้อมจริงของผู้ใช้ได้อย่างเสถียรและสะดวกสบาย การบรรลุความสมดุลนี้ต้องอาศัยการควบคุมประสิทธิภาพการมองเห็น ความสว่าง และความโปร่งใสอย่างแม่นยำ

ในขณะที่อุปกรณ์ AR เข้ามาในชีวิตประจำวันมากขึ้น ตัวรวมแสงได้กลายเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่ท้าทายและสำคัญที่สุดในการออกแบบจอแสดงผลแบบ Near Eye ประสิทธิภาพส่งผลกระทบอย่างมากต่อขนาดระบบ คุณภาพของภาพ และความสะดวกสบายของผู้ใช้ โดยท้ายที่สุดแล้ว เป็นตัวตัดสินว่าจอแสดงผล Near-Eye จะแยกผู้ใช้ออกจากความเป็นจริงหรือเสริมความเป็นจริง

เลนส์ภาพ

ระบบออปติคัลการถ่ายภาพมีหน้าที่ในการขยายภาพจากไมโครจอแสดงผลและนำเสนอเป็นภาพที่กว้างและสบายตา เลนส์หรือองค์ประกอบทางแสงเหล่านี้สร้างรูปร่าง ขยาย และโฟกัสแสง ทำให้ภาพปรากฏในระยะการรับชมที่เป็นธรรมชาติ แทนที่จะอยู่ตรงหน้าดวงตา

ปัจจุบันมีแนวทางการออกแบบหลักอยู่ 2 แนวทาง:

ระบบสร้างรูม่านตาทางออกจะขยายขอบเขตรูม่านตาทางออกโดยการสร้างภาพตรงกลาง ทำให้ผู้ใช้สามารถรักษาการมองเห็นได้ชัดเจนแม้ในขณะที่ดวงตาขยับ จึงช่วยป้องกันไม่ให้ภาพสูญหายเนื่องจากการเลื่อนแนวการมองเห็น

ระบบ non-exit-pupil-forming จะนำแสงที่เกือบขนานกันเข้าไปในดวงตา ทำให้ภาพมีระยะการมองเห็นที่กว้างขึ้น ซึ่งช่วยลดอาการปวดตา

วัตถุประสงค์หลักคือเพื่อให้แน่ใจว่ามองเห็นได้ชัดเจนในขณะเดียวกันก็รองรับการเคลื่อนไหวของดวงตาตามธรรมชาติ และรักษาความสบายในระหว่างการใช้งานเป็นเวลานาน

ส่วนประกอบทั้งสามนี้ก่อให้เกิดระบบการมองเห็นที่สมบูรณ์ โดยมีตามนุษย์เป็นจุดเชื่อมต่อสุดท้าย เครื่องกำเนิดรูปภาพจะสร้างเนื้อหาภาพ เลนส์ภาพจะขยายและสร้างรูปร่างของภาพ และตัวรวมแสงจะกำหนดวิธีการส่งภาพไปยังดวงตา และดูว่าภาพจะกลมกลืนกับโลกแห่งความเป็นจริงหรือไม่

แทนที่จะฉายภาพลงบนพื้นผิวทางกายภาพ ระบบจะสร้างภาพเสมือนและรูม่านตาทางออกเสมือนโดยตรง เมื่อดวงตาอยู่ในตำแหน่งนี้ เลนส์จะโฟกัสแสงไปที่เรตินาโดยตรง ทำให้ภาพของไมโครดิสเพลย์ปรากฏเป็นหน้าจอขนาดใหญ่ที่แขวนอยู่ในอวกาศ

ลองนึกถึงการแสดงภาพระยะใกล้ว่าเป็นหน้าต่างที่มีเทคโนโลยีสูง: โปรแกรมสร้างภาพจะแสดงฉากที่แสดงภายในหน้าต่าง เลนส์รับภาพทำหน้าที่เป็นกระจกพิเศษที่ทำให้ฉากดูกว้างขึ้นและห่างไกลมากขึ้น และตัวรวมแสงจะกำหนดว่าหน้าต่างมีความโปร่งใสหรือทึบแสง องค์ประกอบเหล่านี้ร่วมกันสร้างความรู้สึกถึงความลึก ขนาด และความดื่มด่ำ กำหนดประสบการณ์การรับชมภาพอันเป็นเอกลักษณ์ของการแสดงภาพระยะใกล้

ความท้าทายในการวัดผล NED

การวัดและประเมินผลการแสดงภาพระยะใกล้ (NED) แตกต่างโดยพื้นฐานจากวิธีทดสอบที่ใช้สำหรับหน้าจอทั่วไป เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษให้เชื่อมต่อกับสายตามนุษย์ ระบบการวัดจึงต้องทำมากกว่าแค่จับแสง กล้องจะต้องจำลองรูปทรงเรขาคณิต การเคลื่อนไหว และลักษณะการรับรู้ของดวงตามนุษย์ โดยทำการวัดภายใน 'กล่องตา' ขนาดเล็กโดยการวางตำแหน่งรูม่านตาทางเข้าของกล้องอย่างแม่นยำในตำแหน่งที่ดวงตาจริงจะอยู่ ในขณะเดียวกันก็คำนึงถึงการหมุนของตาและกลไกการโฟกัสไปพร้อมกัน

ข้อกำหนดชุดพิเศษนี้ทำให้การวัด NED เป็นหนึ่งในแง่มุมที่ท้าทายที่สุดของมาตรวิทยาในการแสดงผล นอกจากนี้ยังสนับสนุนปัจจัยหลักสองประการโดยตรงที่กำหนดความสำเร็จหรือความล้มเหลวของประสบการณ์การแสดงผลด้วยสายตาใกล้เคียง: ความสบายและความดื่มด่ำ

ปลอบโยน

ความสบายเป็นตัวกำหนดว่าจอแสดงผล Near-Eye (NED) ช่วยให้ใช้งานได้อย่างเป็นธรรมชาติและยาวนานโดยไม่ทำให้เกิดความเมื่อยล้าหรือไม่สบายตัว เทคโนโลยีการวัดช่วยให้วิศวกรระบุและแก้ไขปัญหาที่ส่งผลต่อการมองเห็น ความรู้สึกสมดุล และประสบการณ์ทางกายภาพโดยรวมของผู้ใช้

หนึ่งในความท้าทายที่สำคัญที่สุดคือความขัดแย้งระหว่าง Vergence-Accommodation Conflict (VAC) ในการมองเห็นตามธรรมชาติ ดวงตาจะบรรจบกันเข้าด้านในเพื่อจับจ้องไปที่วัตถุ ในขณะเดียวกันก็ปรับระยะโฟกัสให้ตรงกับตำแหน่งของวัตถุนั้นไปพร้อมๆ กัน อย่างไรก็ตาม ในระบบ NED หลายระบบ ดวงตาอาจมาบรรจบกันที่วัตถุเสมือนในขณะที่ระยะโฟกัสยังคงคงที่ที่ระยะการมองเห็นที่แตกต่างกัน ความคลาดเคลื่อนนี้เป็นสาเหตุหลักของอาการปวดตา ความเมื่อยล้า เวียนศีรษะ และคลื่นไส้ ทำให้ VAC มีความสำคัญสูงสุดทั้งในด้านการออกแบบและการวัดผล

การออกแบบฮาร์ดแวร์ก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน เนื่องจาก NED เป็นอุปกรณ์ที่สวมศีรษะ น้ำหนัก ขนาด และความสมดุลของจุดศูนย์ถ่วงจึงส่งผลโดยตรงต่อความสบายในการสวมใส่ แม้จะมีคุณภาพการแสดงผลที่ยอดเยี่ยม อุปกรณ์ที่มีน้ำหนักมากเกินไปหรือมีความสมดุลต่ำเกินไปจะทำให้ผู้ใช้ใช้งานเป็นเวลานานได้ยาก เทคโนโลยีการวัดมีบทบาทสำคัญในที่นี่ ทำให้มั่นใจได้ว่าการออกแบบเชิงแสงจะมีฟอร์มแฟคเตอร์ที่กะทัดรัดและน้ำหนักเบาโดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพลง

สิ่งสำคัญอีกประการหนึ่งคือการกำหนดค่าเชิงพื้นที่ โดยทั่วไปจะอธิบายในแง่ของการล้างตาและการบรรเทาตา ระยะห่างระหว่างดวงตาหมายถึงระยะห่างระหว่างพื้นผิวรับแสงขั้นสุดท้ายกับรูม่านตาทางออก โดยปกติจะอยู่ที่ประมาณ 20 ถึง 25 มิลลิเมตร ในขณะที่การผ่อนสายตาคือระยะห่างจากพื้นผิวรับแสงขั้นสุดท้ายไปยังตำแหน่งตาในอุดมคติ การควบคุมระยะห่างเหล่านี้อย่างแม่นยำถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้ผู้สวมใส่รู้สึกสบาย สามารถใช้งานร่วมกับแว่นตาได้ และความปลอดภัยในการปฏิบัติงาน

สิ่งที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับสิ่งนี้คือ 'ช่องตา' ซึ่งกำหนดระยะเชิงพื้นที่ที่ดวงตาสามารถขยับได้ในขณะที่ยังคงดูภาพเต็ม กล่องตาที่ออกแบบมาอย่างดีช่วยให้ดวงตาเคลื่อนไหวได้อย่างเป็นธรรมชาติ โดยไม่มีการครอบตัดหรือบิดเบี้ยวของภาพ เทคนิคการวัดจะต้องประเมินทั้งขนาดและตำแหน่งของกล่องตาเพื่อให้แน่ใจว่าผู้ใช้ที่หลากหลายจะได้รับประสบการณ์ที่สะดวกสบายอย่างสม่ำเสมอ

นอกจากนี้ ระบบจะต้องคำนึงถึงระบบการทรงตัวของผู้ใช้ ซึ่งเป็นระบบประสาทสัมผัสที่รับผิดชอบในการทรงตัวและการวางแนวเชิงพื้นที่ หากสัญญาณภาพจากดวงตาข้างหนึ่งหรือทั้งสองข้างไม่ตรง สมองอาจตีความว่าเป็นข้อมูลการเคลื่อนไหวที่ขัดแย้งกัน ซึ่งอาจนำไปสู่ความรู้สึกไม่สบายหรืออาการเมารถได้ การวัดที่แม่นยำจะช่วยป้องกันความไม่สอดคล้องกันทางประสาทสัมผัสดังกล่าว

การแช่

ความดื่มด่ำเป็นตัวกำหนดความสมจริงและความลื่นไหลของประสบการณ์เสมือนจริง จอแสดงผล Near-Eye Display (NED) ที่สมจริงสูงช่วยให้มั่นใจได้ว่าเนื้อหาดิจิทัลมีความเสถียร ตอบสนอง และเหมือนจริง

มุมมองภาพ (FOV) เป็นปัจจัยสำคัญที่มีอิทธิพลต่อการแช่ FOV ที่กว้างขึ้นช่วยเติมเต็มพื้นที่ในการมองเห็นของผู้ใช้และเพิ่มความรู้สึกของการปรากฏตัว แต่มักจะนำมาซึ่งข้อเสีย เช่น ความละเอียดที่ลดลงหรือกล่องตาที่เล็กลง การค้นหาสมดุลที่เหมาะสมระหว่างข้อดีข้อเสียเหล่านี้เป็นจุดที่เทคโนโลยีการวัดมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง

ความละเอียดและความชัดเจนของภาพยังเป็นศูนย์กลางของคุณภาพของภาพอีกด้วย ความหนาแน่นของพิกเซลไม่เพียงพออาจทำให้เกิด 'เอฟเฟกต์ประตูหน้าจอ' ซึ่งแต่ละพิกเซลหรือช่องว่างระหว่างพิกเซลจะมองเห็นได้ชัดเจน ในการแสดงภาพระยะใกล้ โดยทั่วไปความละเอียดจะวัดเป็นพิกเซลต่อองศา (PPD) ซึ่งแสดงถึงจำนวนพิกเซลที่แสดงภายในทุกระดับของขอบเขตการมองเห็นของผู้ใช้

PPD เป็นหนึ่งในตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่สำคัญที่สุดสำหรับระบบ AR และ VR; ค่าที่สูงกว่าบ่งบอกถึงภาพที่คมชัดยิ่งขึ้นและประสบการณ์การรับชมที่เป็นธรรมชาติยิ่งขึ้น

ระบบการวัดใช้เครื่องมือ เช่น การวิเคราะห์ Modulation Transfer Function (MTF) เพื่อประเมินความละเอียดและความชัดเจนของภาพ ดังนั้นจึงประเมินความสามารถของระบบออพติคัลในการสร้างรายละเอียดที่ละเอียด ด้วยการรวมการวัด PPD เข้ากับการวิเคราะห์ MTF วิศวกรสามารถประเมินได้อย่างครอบคลุมว่าจอแสดงผลมีความชัดเจนเพียงพอที่จะมอบประสบการณ์ผู้ใช้ที่สะดวกสบายและดื่มด่ำหรือไม่

ความสว่างและคอนทราสต์ส่งผลกระทบอย่างมากต่อความสมจริงและความสามารถในการอ่าน จอแสดงผลที่สมจริงต้องการคอนทราสต์สูงในการแสดงสีดำที่ลึก ในขณะที่ระบบ AR ที่มองทะลุได้จะต้องรับประกันว่าเนื้อหาดิจิทัลจะยังคงมองเห็นได้ชัดเจนบนพื้นหลังที่สว่างและซับซ้อนในโลกแห่งความเป็นจริง

เวลาแฝงเป็นอีกตัวแปรสำคัญที่ส่งผลต่อการแช่ ความล่าช้าที่เห็นได้ชัดเจนระหว่างการเคลื่อนไหวของศีรษะและการอัปเดตการแสดงผลภาพจะทำลายความรู้สึกของการปรากฏตัวและอาจกระตุ้นให้เกิดอาการเมารถได้ การวัดที่แม่นยำช่วยให้มั่นใจได้ว่าการตอบสนองของระบบยังคงรวดเร็วและเสถียร

สำหรับการแสดงผลแบบมองทะลุ การจัดการระยะชัดลึกถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง ผู้ใช้จะต้องสามารถมองเห็นทั้งเนื้อหาดิจิทัลและวัตถุทางกายภาพได้อย่างชัดเจนพร้อมๆ กันโดยไม่ต้องปรับโฟกัสใหม่บ่อยครั้ง ไม่เช่นนั้นความรู้สึกของการดื่มด่ำจะพังทลายลงทันที

ที่มา: UPRtek