Karl Guttag:微软HoloLens 2激光显示解析(三)

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在前两篇文章中,Karl Guttag分别先后先后介绍了HoloLens 2激光显示原理(一)、并带来HoloLens 2和HoloLens 1的显示清晰度对比(二)。得到的结论是,HoloLens 2中的LBS激光扫描显示系统的分辨率以及PPD和最初宣传差距较大,实际效果并不如HoloLens 1。

而在该系列第三篇文章中,Karl将针对HoloLens 2的色彩均匀性问题进行解析。

Karl表示:人类视觉系统是“主观的”,可以很好的进行对比,如果这些有一些是循序渐进的调整,那么可能人眼感觉起来就不会明显。但相机是一个相对“客观”的拍摄,对颜色和亮度等方面比人受影响因素更小。

本次测试图片大小可以覆盖整个视场角所有区域,大部分区域为白色,目的就是为了更好的展现色彩均匀性,以及HoloLens 2光学和波导模组的细节。

同时,本文还将针对拍摄出来的高分辨率图像中,次像素排列出现的斜向纹理进行分析。

亮度均匀性

下图中,分别展示了HoloLens 2左侧显示、右侧显示、以及亮度合并后(Photoshop处理,基于每个颜色通道)的相机直拍图。其中,合并处理的图片可以看作是一个通过简单粗糙的方法进行双眼同时观看的效果。为了尽可能将左右两幅图重叠显示,Karl对左图进行了微调。

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

拍摄相机的镜头可以完整的覆盖HoloLens 2主题的垂直视场,但在这里同时去掉了左图右边10%,和右图左边10%区域,目的就是让模拟合并图片尽可能接近实际情况。

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

当然,上面的对比图也很好阐述了色彩均匀性,其中一个因素就是白色图片可以更好的展现出偏色等问题。从中可以看出:左右两幅图具有一个明显的的亮度、色彩均匀性表现更佳的区域,这是一个倒梯形区域(如下图红色虚线所示)。Karl认为:导致这种结果的因素之一就是HoloLens 2中的蝶形波导(butterflied)。

下面三幅图是上面的原图,即相机直拍图(点击图片查看原图,PS:Karl博客的第三幅非原始大小),图片的宽度都大于4500,这也就意味着相机直拍图的像素大小比HoloLens 2实际显示大小大3倍左右。就像上篇文章中提到的那样,将HoloLens 2的ppd约为29,从而使得测试图中1像素近似等于HoloLens 1一条横向扫描线的宽度。

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

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当然,由于HoloLens 2中左右显示系统的确存在物理上的差异,因为这就是两个不同的显示模组,因此我们可以从中寻找一些共同点。例如,图片中“43号区域”周围出现青色、绿色的偏色,这是因为红色的激光在黑色区域处于关闭状态。而这也就导致,即使通过双眼来观看也会出现偏色情况。

色彩饱和雾度较差

本文中使用的测试图片是Karl使用多年的具有代表性的图片,例如下图中的图片,同时具备红绿蓝色,以及肤色,色彩相对丰富。而多年使用这组图片来测试,也让Karl的眼睛更了解实际情况,因此一旦出现偏色等问题Karl就能立刻发现问题。

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以上图为例,左侧是原始图像(分辨率1920×1080),中间是HoloLens 2实拍图(分辨率1280×854),右侧是HoloLens 1实拍图(黑色背景)。

由此Karl得出结论:HoloLens 2中的色彩饱和度降低,并且观感也比较模糊,因此雾度更大。

斜向纹理,可能由扩瞳器导致

Karl表示:在多个测试中图片的斜向纹理还是非常明显的,下图就展示了右侧直拍图中的实际分辨率大小的裁切图(上方为3倍放大,下方为实际像素大小)。照片拍摄快门时间为1/15秒,也就是8个场(扫描)周期。

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其中红色虚线所画的三条纹理线并不模糊,这也就意味着它们并非像素偏移导致。

因而Karl猜测:导致出现次像素斜向纹理的潜在原因是扩瞳设备。

Microsoft-LBS-pupil-expander

根据USPTO微软10025093号专利图8-306所描述,扩瞳器可以理解为一个比较小规模的背投屏幕,它可将扫描图像扩散开来。但由于扩展器太小,因此也就导致斜向纹理的出现。

振动扩瞳器可减少散斑

Karl还表示:减少/控制激光散斑的已知方法是振动光源、或扩瞳器。但如果是带有线条的元素发生振动,就会出现模糊情况。另外,其它减少散斑的技术还包括:振动不同层或液晶相移等方式。

先锋激光HUD扩瞳器

Karl谈到:他本人在2013年就拆开过一台同样基于Microvision激光扫描的先锋激光HUD设备。

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上图是先锋HUD的工作原理,整个显示面积为23×72mm,比HoloLens 2要大很多,而且中间还拥有多个层。当然,这可能会导致轻微的模糊,因为它的工作原理就是将激光线束转换为圆锥形的光线束。

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上图中展示了后方照亮后的观看效果,具有明显的斜向纹理。

Pioneer-pupil-expaner-lit-from-behind

上图是先锋HUD扩瞳器呈现的图片效果。

Pioneer-pupil-expaner-showing-image

同时你可能也会注意到,上面的图片中由于激光的散斑效应导致颗粒感。而在HoloLens 2中的激光斑点似乎没有先锋HUD这么明显。Karl谈到:根据个人经验,根据此前LCoS+激光的研究结果,这种方式降低激光散斑非常困难。而且,现在减少散斑方法有一个趋势是:将斑点变小。

令Karl没有想到的是,HoloLens 2的雾度稍微偏大,Karl猜测这可能是因为散斑减少后仍有部分残留导致。

结论

虽然相机和人眼工作原理不同,但Karl在本文中的图片仍然可以在某种程度上反映出HoloLens 2存在色彩均匀性问题。同时也可以排除偏色出现在HoloLens 2上,而不是相机、镜头或其它设置方面。

其中一个比较明显均匀性问题就是,屏幕中间的倒梯形区域亮度更高、白色相对表现更好,其它区域问题较为突出。

当然从另一个层面来说,大多数AR内容(眼镜端)很少会放在透明、纯色等背景中使用。Karl认为:HoloLens 2的色彩均匀性不佳对都部分应用影响并不大,不过在偏色明显的区域就意味着部分颜色不能显示出来。例如,需要显示红色警告的区域,可能红色呈现就不明显。

同时,Karl也不敢肯定认为斜向纹理就是扩瞳器导致,但这是一个合理的猜测。

附:拍摄方法

第二篇文章介绍了拍摄设备,而这次Karl公布了拍摄方法。将HoloLens 2和相机同时固定在三脚架上,并且调整好HoloLens 2的位置以达到最佳的效果。又由于相机和HoloLens 2的体积因素,相机必须倒放才能进行固定,为此Karl定做了一个金属框架,可以通过脚架间接固倒置的相机。

HL2-right-side-camera-rig-300x295

其中,大部分测试照片是通过拍摄左侧显示模组,而背景则是有黑色遮光布,而黑色遮光布边缘粘贴了黄色宽胶带用于SLAM定位及虚像定位。

参考:https://www.kguttag.com/2020/07/10/hololens-display-evaluation-part-3-color-uniformity/

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