Datenbrillen Was Sie beim Design eines augennahen Displays beachten sollten

Autor / Redakteur: Carlos Lopez und Dan Morgan * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Virtuelle Realität und die weiterentwickelte Augmented Reality verlangen von den Entwicklern einiges ab, wenn es um die Konzeption eines augennahen oder Near Eye Displays geht. Wir zeigen, worauf Sie achten sollten.

Firmen zum Thema

Datenbrille: Ein augennahes Mikrodisplay erweitert die reale um eine virtuelle Realität. Wir geben Tipps, was bei der Konzeption zu beachten ist.
Datenbrille: Ein augennahes Mikrodisplay erweitert die reale um eine virtuelle Realität. Wir geben Tipps, was bei der Konzeption zu beachten ist.
( Texas Instruments)

Für Virtual-Reality- (VR-) und Augmented-Reality- (AR-)Anwendungen kommen derzeit verschiedene Lösungen in Betracht, um augennahe Displays, oder Near Eye Displays (NED) wie sie im Englischen heißen, zu entwickeln. Insgesamt wachsen die Möglichkeiten zur Realisierung einer visuellen Erfahrung, bei der die digitalen Inhalte organisch mit der realen Welt verschmelzen. Doch worauf muss ein Entwickler beim Design achten, wenn ein augennahes Display auf den Markt gebracht werden soll?

Bildergalerie

Es gibt viele Situationen, in denen die technische Verfeinerung einer augennahen Lösung nicht nur einfach nettes Beiwerk, sondern entscheidend für die Brauchbarkeit ist. Hierzu muss man sich nur den Fall vorstellen, dass ein Chirurg oder Notfallmediziner solch eine Lösung als Hilfsmittel bei einer medizinischen Maßnahme nutzt.

In einer solchen Umgebung kommt es auf eine saubere, den Träger nicht behindernde Lösung an. Ein anderer, weniger kritischer Fall wäre ein Videospieler, der ein möglichst verzögerungsfreies Display benötigt, um eine reibungslose Echtzeitdarstellung zu bekommen.

In beiden Fällen hängt eine überzeugende visuelle Erfahrung davon ab, dass die Latenz des dargestellten Bildes minimal ist, dass ein maximaler optischer Kontrast geboten wird und dass das Sichtfeld, im englischen Field of View, der dargestellten Information möglichst groß ist.

Die Display-Latenz entscheidet über das Echtzeit-Seherlebnis

Viele Systemkomponenten wirken sich auf die vom Anwender wahrgenommene Display-Latenz aus. Im Rahmen dieses Beitrags gehen wir auf den Anteil der Displayeinheit ein. Dieser lässt sich in zwei Komponenten gliedern. Display- (Pixel-) Latenz = Pixeldaten-Aktualisierungszeit + Pixel-Umschaltzeit

Bei der Pixeldaten-Aktualisierungszeit handelt es sich um die Zeit, die ein Display benötigt, um einen neuen Datenwert in ein Displaypixel zu laden. Bei vielen Displayeinheit-Architekturen entspricht diese Zeitspanne einer oder mehreren Frame-Intervallen, die vom Eingang zur Engine gemessen wird.

Geht man von einem Frame aus, entspricht das ungefähr 16,67 ms bei einer 60-Hz-Quelle. Das ist ein üblicher Wert, denn viele moderne Displaytechniken enthalten einen Frame-Speicher, um die Bildverarbeitung zu erleichtern. Bei einigen Displayeinheiten kann die Pixeldaten-Aktualisierungszeit jedoch auch zwei oder mehrere Frame-Intervalle betragen.

Unter der Pixel-Umschaltzeit als zweite Komponente versteht man die Zeit, die ein Pixel benötigt, um von seinem aktuellen Zustand (ein oder aus) in den entgegengesetzten Zustand zu wechseln. Das Ende der Pixel-Umschaltzeit ist als derjenige Zeitpunkt definiert, zu dem das Pixel sich soweit stabilisiert hat, dass das menschliche Auge die neuen Daten klar wahrnehmen kann.

Die Summe aus der Pixeldaten-Aktualisierungszeit und der Pixel-Umschaltzeit ergibt die vom menschlichen Auge wahrgenommene Gesamt-Displayverzögerung. Eine Display-Latenzzeit von 16,67 ms wird häufig als sehr gut angesehen. Einige Displays können jedoch Latenzzeiten von 60 ms oder mehr aufweisen.

Die DLP-Pico-Chips von Texas Instruments bieten gute Pixelgeschwindigkeiten und sind in der Lage, jeden Mikrospiegel, also jedes Pixel mehrere tausend Mal pro Sekunde umzuschalten. Das reduziert die Display-Latenzzeit und unterstützt Display-Frameraten bis zu 120 Hz unter Wahrung einer hohen Bildqualität.

Der Kontrast entscheidet, wenn digitale Inhalte eingeblendet werden

Eine ideale augennahe Lösung sollte nicht nur ein Echtzeit-Seherlebnis mit kurzen Latenzzeiten bieten. Vielmehr sollte es in der Lage sein, transparente Inhalte mit hoher Klarheit darzustellen, um die Sicht des Endanwenders auf die reale Welt nicht zu behindern. Wenn die darzustellenden Daten beispielsweise nur 20 Prozent des Pixelarrays des Displays belegen, sollten die verbleibenden 80 Prozent des Arrays für den Anwender praktisch unsichtbar sein, damit der digitale Inhalt mit der realen Welt verschmelzen kann.

An dieser Stelle ist ein wichtiger Hinweis zur Optik eines augennahen Systems nach dem Durchsicht-Prinzip angebracht. Das Bild wird hier keineswegs auf einer halbdurchlässigen Oberfläche wie beispielsweise einem Brillenglas dargestellt. Das wäre nicht effektiv, da eine solche Oberfläche per Definition einen sehr geringen Abstand zum Auge des Anwenders hätte.

Das Auge kann sich nicht ohne Anstrengung auf ein so nahes Objekt fokussieren. Anstatt also ein reelles Bild auf einer Oberfläche zu erzeugen, bildet das optische System eine optische Pupille, und das menschliche Auge fungiert als letztes Element des Systems. Das finale Bild wird also direkt auf die Netzhaut geworfen.

Der Lichtleiter bündelt das Licht

Ein gängiges augennahes System nach dem Durchsicht-Prinzip enthält deshalb einen Lichtleiter, der das Licht am Eingang bündelt und zum Auge des Anwenders weiterleitet. Eine solche Anordnung bildet nicht nur die nötige optische Pupille, sondern macht es auch möglich, das Mikrodisplay, die Optik und die Lichtquelle so anzuordnen, dass sie die Sicht des Benutzers nicht behindern.

Wie aber lässt sich sicherstellen, dass transparente Bereiche des dargestellten Bilds die Sicht der Benutzers nicht einschränken? Am besten lässt sich das erreichen, indem der Kontrast des optischen Systems maximiert wird.

Viele Elemente beim Design eines augennahen Displays können Einfluss auf den Kontrast haben. Entscheidend sind die Blendenzahl der optischen Konstruktion und die Verfügbarkeit effizienter Bildverarbeitungs-Algorithmen. Bei einigen Mikrodisplays kann sich der Füllfaktor auf den Kontrast auswirken. Allerdings nur im geringerem Ausmaß. Die Blendenzahl einer Optik gibt das Verhältnis der Brennweite der Linse zum Durchmesser der Eintrittspupille an. Eine höhere Blendenzahl ermöglicht einen höheren Kontrast sowie eine geringere optische Komplexität und eine kompaktere Optik. Mit der Blendenzahl nimmt jedoch nicht nur der Kontrast zu, sondern gleichzeitig verringert sich das Sichtfeld. Es muss ein sinnvoller Kompromiss gefunden werden.

Intelligente Bildverarbeitung kann den Kontrast ebenfalls verbessern. Das geschieht durch Koordination der RGB-Ausleuchtung über die Helligkeit der LEDs in Verbindung mit der digitalen Verstärkung der einzelnen Frames. Aktuelle TRP-Chipsätze sind beispielsweise mit den IntelliBright-Algorithmen ausgestattet, die unter anderem eine Content Adaptive Illumination Control enthalten. Das bedeutet sinngemäß, dass eine inhaltsangepasste Beleuchtungssteuerung vorgenommen wird.

Dieser Algorithmus variiert die Bildhelligkeit abhängig vom Bildinhalt und von den Umgebungslichtverhältnissen. Somit wird das Bild nicht nur optimal in Bezug auf Helligkeit und Kontrast dargestellt, sondern auch die Leistungsaufnahme des Systems wird verbessert.

Bei einem breiteren Sichtfeld alles im Blick

Das menschliche Auge hat ein horizontales Sichtfeld von beinahe 180°. Bei Augmented-Reality-Headsets beträgt das Sichtfeld hingegen nur 20° bis 60°. Das reicht aus, um natürlich zu sehen. Im Vergleich dazu haben typische Datenbrillen ein engeres Sichtfeld, auf das die Benutzer auf unnatürliche Weise immer wieder gezielt blicken müssen. Ein breiteres Sichtfeld erlaubt es dem Display dagegen, mehr Inhalte in das natürliche Bild des Benutzers von der realen Welt einzublenden, was unter dem Strich ein hochwertigeres Seherlebnis ergibt.

Das Sichtfeld wird von drei entscheidenden Designfaktoren bestimmt: der Diagonale des Mikrodisplay-Arrays, der Blendenzahl der Optik und der Pupillengröße am Ende des Lichtleiters. Die drei Faktoren sollten ausgewogen sein. Eine größere Displaydiagonale ergibt ein größeres Sichtfeld und in den meisten Fällen auch eine größere Auflösung.

Gleichzeitig wird damit das System insgesamt größer, weil eine größere Optik benötigt wird. Eine Optik mit kleinerer Blendenzahl sorgt ebenfalls für ein größeres Sichtfeld, allerdings wachsen hierdurch die Abmessungen der Optik, während sich der Kontrast verschlechtert.

Die Größe der Pupille und das Sichtfeld

Je größer die Pupille wird, umso mehr schrumpft das Sichtfeld. So ist beispielsweise mit einer Pupillengröße von 5 mm ein Sichtfeld von 45° möglich, während eine Pupille mit 10 mm bei gleicher Blendenzahl in einem Sichtfeld von weniger als 25° resultiert.

In der Entwicklung befinden sich zahlreiche augennahe Lösungen nach dem Durchsicht-Prinzip. Entscheidend ist in jedem Fall eine visuelle Erfahrung, bei der die digitalen Inhalte nahtlos mit dem Blick auf die reale Welt verschmolzen werden. Das Design erfordert eine Reihe von Kompromissen, die unmittelbare Auswirkungen auf das Seherlebnis des Endanwenders haben.

Mehr Informationen zum Near-Eye-Display gibt es im englischsprachigen Whitepaper.

* Carlos Lopez ist bei Texas Instruments DLP Pico Products für das strategische Marketing verantwortlich. Dan Morgan ist Entwickler bei Texas Instruments DLP Pico Products.

(ID:43518912)