在增强和虚拟现实耳机中启用显示测量

在AR/VR头盔中启用显示测量
光学组件复制人类视觉以进行准确显示测试

介绍

增强和虚拟现实（AR / VR）设备的应用在博彩，军事，教育，运输和医学等各种行业中迅速增长。根据国际数据公司（IDC），AR / VR耳机市场预计将达到2021年的8120万台，复合年增长率（CAGR）为56.1％。¹每个AR / VR设备制造商采用独特的方法来集成在这些耳机内的显示器，并且显示技术和硬件环境变化很大。这种市场增长燃料越来越需要测量AR，VR和MR（混合现实）靠近眼睛观察的显示器，称为近乎眼睛显示（NEDS）（参见图1），用于适应的方法每个设备的几何形状和不同的显示规范。

AR / VR技术的越来越重要要求控制解决方案，确保可视性性能。然而，由于测量系统的局限性，实现了质量，无缝视觉体验对设备设计师和制造商构成了挑战。尽可能靠近眼睛的显示器的功率类似于AR / VR器件中的功能 - 它们提供了沉浸式视觉输入。然而，随着这些显示器中的图像被放大以填充用户视野（FOV），显示器中的缺陷也被放大。这些缺陷不仅贬低了用户体验，而且最终可能会损坏公司在这一越来越竞争的新市场中的品牌形象。因此，有效的显示测试是一种新兴的必要性。

为帮助制造商确保显示质量，与Prometric®成像光度计或色度计配对的Radiant的AR / VR镜头为测量NED提供了独特的光学器件，例如集成到虚拟，混合和增强现实耳机的那些。镜头设计的创新新几何形状模拟了人眼的尺寸，位置和双目视野。与孔径位于镜头内的传统透镜不同，AR / VR透镜的光圈位于镜头的前部，以使连接的成像系统能够将人眼的位置复制在AR / VR器件耳机中捕获用户可用的整个FOV。

本文讨论了NED测量的挑战，推出了辐射的集成AR / VR镜头解决方案，并概述了评估NED应用中人类视觉体验的解决方案的优势。

衡量奈德的挑战

AR / VR中的市场趋势表示需要测量更多的显示：

1. 观看极其关闭
2. 用广阔的视野（沉浸）查看
3. 在头戴式设备（护目镜，眼镜和耳机）内观看

1.显示已查看关闭
在尽可能接近眼睛的情况下，NED投影被放大以创造沉浸式体验(见图2)。这种接近也放大了潜在的显示缺陷。例如，光线和颜色的均匀性问题，死像素，线条缺陷，眼睛之间的不一致，当用户近距离观察时变得更加明显。显示器离眼睛越近，显示器测试就变得越重要。

在此接近度观看的显示器的另一个特征是它们的分辨率。要在显示屏上创建预测的视觉现实，NED必须每只眼睛具有更多像素。然而，这对显示测量的挑战构成了高显示分辨率和像素密度反过来需要更高分辨率的测量装置。

2.用宽FOV查看显示
根据设备的不同，AR / VR显示屏中的图像会投影在一系列FOV中。对于覆盖约114-120°水平FOV的人双眼视觉，几种领先的商业上可用的AR / VR NED（主要是VR）达到100-120°之间的FOV（参见图3）。

显示器的FOV更宽，使用成像系统全面捕获显示器的所有区域越具挑战性。

3.显示在头戴式设备中
neds通常集成在头戴式设备（HMD）内，例如耳机或护目镜。为了测量佩戴这种装置的人类用户观看的显示器，测量系统必须定位在与人眼相同位置的耳机硬件内（见图4）。测量系统的入口瞳孔（光学孔径）必须通过耳机的观察孔捕获显示器的全FOV。

额外的唯一测量标准

AR / VR应用中的显示测试需要唯一的图像表征数据和分析。例如，当将图像与眼睛与眼睛组合时或当图像覆盖在周围的周围环境环境（如AR中）时，亮度（投影的亮度）和颜色均匀性是关键的。

图像清晰度和清晰度很重要，当靠近眼睛时显示，使用MTF（调制传递函数）测试方法进行这些特性的测试。表征由观察护目镜或显示FOV引起的图像失真是提高空间图像精度和投影对准的关键。AR / VR测量解决方案应包括这些公共标准的分析功能，以及可重复的，一致的数据，以确保设备到设备精度。

测量方法

Emerging AR / VR技术需要一种创新的方法来显示测试，包括新的方法，软件算法，以及最关键的耳机测量光学几何形状。存在许多技术，以满足AR / VR设备的独特测试标准，但在全面寻址所有可测量的AR / VR显示特征时具有显着的限制。下面概述了一些传统的测量方法。

机器视觉相机
机器视觉的关键限制是它不适合测量绝对亮度和颜色。传统的机器视觉系统只捕捉相对数据，它们不提供计量数据来测量人眼在照明显示器中所看到的绝对亮度或颜色。为了在人类用户体验时对AR/VR显示器进行真正的鉴定，测量系统应该提供光度值。成像光度计和色度计捕捉人眼感知到的亮度和色度值。这是通过集成光学滤光片实现的，它将特定波长的光暴露到相机的图像传感器上。这个过程复制了人类的感光反应。光度成像系统通常用于显示测试，因为它们在单一的二维图像中捕捉完整的显示FOV，以分析空间背景下的光度数据。这一背景对于均匀性、失真、清晰度(MTF)、对比度和图像位置的评估至关重要。

测试像素密集的显示器，如neds还需要具有高分辨率和信噪比的测量系统。机器视觉通常用于基于明显可辨别的对比差异来实现的视觉特性的极快，重复测量。因此，许多传统机器视觉系统因此牺牲了速度的分辨率，提供了与它们接收的信号相比捕获高比率的低分辨率传感器。然而，显示缺陷可能以细节的水平，例如作为单个显示像素的精确。如果测量系统无法从一个像素到下一个像素的高分辨率显示器中的缺陷，则可能会错过对NED的人类显而易见的缺陷。具有高分辨率和信噪比（SNR）的系统是测量的必要条件
显示在近眼应用与人眼相同的精度(这些系统可能包括科学级图像传感器，冷却，或校准，以进一步减少图像噪声)。

有限分辨率相机
如所讨论的，使用低分辨率传感器的测量解决方案是用于测试近似眼睛观察应用的高分辨率显示器的差。人眼是估计约为576百万像素（MP）的最高分辨率“成像”机制之一。因此，低分辨率成像系统（即使是基于光度学的系统）将永远不会捕获人类用户在AR / VR显示器附近会注意到的所有缺陷。

低分辨率摄像机不足以测量AR / VR器件中使用的显示器。它们可能会错过点，粒子，死像素或其他小缺陷，并且无法准确的MTF测量，这表明NED设备以某个清晰度或清晰度地投影图像的能力。为了以准确性获取MTF测量，用于分析的图像必须不受成像系统的分辨率的影响。高分辨率成像器隔离NED设备的图像清晰度（MTF）问题。

标准光学器件
标准光学解决方案不设计用于从人类用户的有利位置测量NED环境（耳机，护目镜）。这是传统光学硬件设计的限制。例如，传统的35毫米镜头具有内部孔径。由于透镜壳体和NED器件的入口孔（见图6），该光圈位置导致显示器的全部FOV的遮挡（参见图6）。

另外，标准镜片通常太大，不能适合眼睛位置的内部耳塞和护目镜。这些透镜的长度和宽度禁止连接的成像系统的入口瞳孔位于人类用户的眼睛，防止在使用中观看时的显示。

定制光学器件
由于费用，长的开发时间和最小可扩展性，定制构建的光学解决方案通常在耳机内的NED显示测试中不可行，以满足未来应用程序的最小可扩展性。依托内部设计还限制了通过解决方案的寿命的产品支持。

定制的软件
为了完成AR/VR显示测试所需的独特图像分析功能，一些制造商可能会选择在内部定制一个软件组件。这与定制光学硬件组件有类似的缺点，包括增加实现的费用和时间，以及对未来需求的最小可伸缩性，有限的产品支持，以及无法将软件应用于其他显示测试应用程序。

复制人类视觉体验

人类视觉感知显示质量应为NED的光学性能测量提供标准。像人眼一样，NED测量解决方案应该解决可以看到的显示特性范围。测量集成在沉浸式系统内的显示器依赖于在适当的视觉位置访问显示器以捕获用于由人类用户观察的完整FOV。为了复制人类的NED测量的愿景，有几个关键要素必须由显示器测试设备解决。

光度测量

任何显示屏的视觉质量最为必要的是光和颜色的外观。成像光度仪和色度计最适合评估视觉显示品质，因为它们具有特殊的三刺激滤波器（参见图7），其模仿人眼对不同波长的光（光敏响应曲线）的响应。NED测量系统应采用过滤器采用光度技术，以评估人眼接收的光值。

完整视野

在NED耳机内，用户意味着对显示器投影的整个FOV的视觉访问 - 因此可能会注意到显示器上任何点的缺陷。成像光度计和色度计只需要一个图像来完整捕获显示器。像人眼一样，成像系统可以立即在一个视图中看到所有细节。使用宽FOV光学器件，即使在观看近端模拟人体双筒望远镜的情况下，成像系统也可以捕获宽FOV显示器。因此，建议使用宽FOV光学器件配对的光度成像系统，以实现最准确和全面的NED测量。

高分辨率

AR / VR显示器意味着非常靠近眼睛，这本身就是一个高精度的成像仪。因此，NEDS是一些最高分辨率的显示器，适用于图像关闭的无缝视觉体验的最小外形中的大多数像素。用于测量集成AR / VR显示器的系统应该具有足够的分辨率来捕获在近距离的人眼中可以可见的像素密集显示器中的所有细节。考虑到成像系统的传感器的充分分辨率，每个显示像素可以在多个传感器像素上成像，从而实现像素级缺陷检测（参见图8）。

图8 - 顶部图像显示由高分辨率光度成像器捕获的原始图像。在底部，已应用分析来检测微小的像素级别缺陷。在AR / VR耳机中的特写镜头可以对人眼显现出这样的缺陷。

光圈

在耳机内测量近似眼部显示器的最大挑战之一是将测量装置定位，以便在超出护目镜之外的整个展示FOV的方式定位。如果测量系统可以通过用户看到完整显示FOV的图像，则可以应用测试以评估设备在设备的操作期间可以对用户可见的任何缺陷。挑战是人眼在AR / VR耳机内的一个非常特定的位置。在耳机内复制人类视觉的大小，位置和FOV的显示测量系统是为了捕获显示器的图像，以评估用户可能看到的所有质量。

独特的光学参数使能成像系统捕获完整的可见FOV包括镜头光圈位置和几何形状。在诸如相机上的镜头的光学系统中，孔径或“入口瞳孔”是初始平面，其中光被接收到透镜中。人眼的瞳孔中存在类似的点。

孔径尺寸

通过实现适当的孔径大小来复制人类入口瞳孔，这是几个原因很重要：

1. 一种复制人入口瞳孔尺寸的孔，捕获显示器的等效光（等同细节）作为人眼。
2. 如果测量系统孔径小于人瞳尺寸，则成像显示器看起来更清晰，比人类观察到更少/较小的畸变。（显示资格可能会产生误报。）
3. 如果测量系统孔径大于人体瞳孔尺寸，则成像显示器看起来比人类观察到更多的像差。（显示资格可能会产生错误的否定。）

复制人入口瞳孔的尺寸使成像系统能够详细捕获相当于人眼观察的图像，并进行相同的质量确定。

孔的位置
模拟AR / VR耳机内的人眼位置是集成NED测量的关键目标。传统的35毫米透镜具有内部孔径，由于透镜壳体和NED器件硬件（设备的入口孔的边缘）阻塞，不能捕获显示器的全FOV（参见图9）。使用镜头前面的孔设计的光学元件复制耳机内部人眼的预期位置。结合宽FOV光学元件，镜头前部的孔径的成像系统可以捕获全显示FOV并测试人眼会看到的所有可见特性。

这种效果就像通过围栏中的结孔观察场景（参见图10） - 当眼睛在孔时位置时，可以在围栏之外看到全FOV。当眼睛远离孔时，视图被围栏的边缘遮挡。

辐射式AR/VR测量解决方案

光芒传播开发了一个AR / VR镜头，以解决与人类用户可视化的相同条件下符合综合态度的独特挑战。AR / VR透镜设计成配对高分辨率成像光度和比色计。通过此细节捕获显示器，测量系统可以通过精确度来评估整个显示器FOV以捕获对人眼可能明显的任何缺陷。

耳机显示测量

Radiant的AR / VR显示器测试解决方案专为耳机显示器测量而设计。将AR / VR镜头与其他光学元件分开的是镜头复制人类视力的FOV和入口瞳孔的能力。AR / VR镜头产品规格包括：

1. 孔径（入口瞳孔）位于镜头前部。
2. 孔径3.6毫米。平均瞳孔将在明亮的光线下直径收缩至1.5毫米，并在黑暗中扩张直径为8毫米。辐射使用3.6 mm两个原因：1）它是瞳孔扩张的中档;2）3.6 mm光圈允许镜头的高MTF。
3. 宽视场到120°(±60°)水平。

校准的重要性

每个辐射AR / VR摄像头/镜头系统是工厂校准，以确保绝对光和颜色分析最准确的图像。校准过程包括工厂失真校准，以消除宽FOV镜头的镜头效果，确保通过相机软件准确地分析显示器。

当使用宽视场镜头测量显示器时，镜头捕捉到的图像可能会出现失真。由于AR/VR解决方案使用鱼眼镜头，未经校准的图像会呈现桶形失真。辐射的相机/镜头解决方案经过校准，在应用显示测试前处理出失真效果。这确保了空间测量的准确性，以检测缺陷发生在显示器上。

解决方案的软件

Radiant Truetest™自动化视觉检测软件适用于辐射的AR / VR测量解决方案捕获的所有图像。该平台包括一套显示测试，具有标准测试，用于亮度，色度，对比度，均匀性和缺陷，如死像素和线条。此外，预先配置的TT-ARVR™软件模块中提供了AR / VR投影的独特测试（参见表1）。

TT-ARVR™软件模块测试

表1 - 辐射TT-ARVR™软件模块中的显示测试。

TT-ARVR软件分析的一些示例如下图14-16所示。这些分析在AR / VR显示器上执行以测试AR / VR器件的制造规范。这些规范也可以用于消费者使用（例如，在AR / VR耳机规格表上），以帮助他们评估设备并与竞争产品进行比较。

均匀性分析(见图14)确定了整个显示器的低亮度或高亮度区域，这可能表明显示器存在缺陷。这种分析也可以用来描述相对于设计规范的一致性。

图14 - 均匀性分析（以假色显示）表征显示质量。

通过在AR / VR耳机内的显示器上投射棋盘图案来执行棋盘对比度分析（参见图15）。一旦通过AR / VR测试系统成像，棋盘对比度测试会评估图像中的亮度级别，以确定显示系统对显示不同光和暗值的能力 - 可以在规范表上指示的性能参数。

图15 - Checkerboard对比度分析评估显示器的对比度。

视野测试（参见图16）测量显示在耳机内的成像的显示的实际视野，确保水平，垂直和对角线尺寸是正确的设计规范。也可以在AR / VR耳机的规格表上报告这些测量。

图16 - 视野分析测量NED设备中的显示FOV。

结论

新的显示集成环境 - 如AR / VR和其他头戴式设备 - 要求设计人员和制造商实施有效的方法来测试从耳机硬件内从固定位置查看特写的显示器的光学质量。标准显示测量设备缺乏光学规范，以捕获耳机内的显示，以评估人类用户所经历的完整的可见foV。

辐射的AR/VR显示测试解决方案是唯一的商用测量系统，具有独特的光学元件，复制人的瞳孔大小和位置在AR/VR眼镜和耳机，以捕捉显示视场到120°水平。该系统提供了AR/VR设备制造商所要求的高分辨率和高效率，采用了紧凑的相机/镜头解决方案，在单一图像中捕捉NED的所有可见细节，以快速评估人类的视觉体验。

参考

1. 国际数据公司(IDC)。(2017年3月)。IDC的全球AR/VR头盔跟踪器分类，2017。https://www.idc.com/tracker/showproductinfo.jsp?prod_id=1501
   
2. VRGlassesHeadsets。(2017年3月)。VR耳机比较：视野。顶级VR耳机比较。http://vrglasseSheadsets.com/vr-headetcomparisons-field-of-view.