在今天的文章中，AR硬件/軟件企業(yè)Rave的首席科學(xué)家Karl Guttag對(duì)比分析了 Magic Leap   One， HoloLens 和 Lumus 這三款波導(dǎo)頭顯的分辨率。以下是映維網(wǎng)的具體整理：

    自今年1月份的 CES 大會(huì)以來(lái)我就一直想做這種對(duì)比分析。這是一次比較三種波導(dǎo)頭顯的機(jī)會(huì)：兩款更為有名的衍射波導(dǎo)型頭顯HoloLens和Magic Leap One，以及基于非衍射波導(dǎo)的Lumus頭顯。與我在17年和18年CES大會(huì)體驗(yàn)的衍射波導(dǎo)相比，我更欣賞Lumus的圖像質(zhì)量。

    對(duì)于這篇文章，我主要是比較Magic Leap One（ML1）， 微軟 HoloLens，以及Lumus DK-Vision的分辨率。這三款設(shè)備都采用了“全內(nèi)反射（TIR）”來(lái)支持一層薄“波導(dǎo)”。

    ML1和HoloLens采用了一系列的衍射光柵來(lái)支持光線進(jìn)入和離開(kāi)波導(dǎo)。HoloLens為紅，綠，藍(lán)準(zhǔn)備了一層波導(dǎo)，而ML1則為三種顏色準(zhǔn)備了兩層（共六層）波導(dǎo)以支持他們的焦平面概念。我已經(jīng)在之前的文章中對(duì)ML1和HoloLens的波導(dǎo)進(jìn)行了一定的討論。

    Lumus選擇了所謂的“光導(dǎo)光學(xué)元件（Light-guide Optical Element；LOE）”，其可通過(guò)一層波導(dǎo)來(lái)處理所有的顏色。一層LOE的厚度類(lèi)似于HoloLens多層波導(dǎo)堆疊。他們只是以一定角度切割波導(dǎo)的入口以使光線進(jìn)入（而非使用特定顏色的衍射光柵），然后再使用一系列經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的局部反射鏡來(lái)使光線射出。

    1. 拍照與測(cè)試圖

    我使用了相同的奧林巴斯OM-D E-M10 Mark III相機(jī)和相同的14-42mm鏡頭。你可以單擊圖片并以更高分辨率進(jìn)行查看。我為每個(gè)顯示器拍攝了數(shù)百?gòu)堈掌?，然后在測(cè)試圖中選擇了最佳區(qū)域，試圖呈現(xiàn)每個(gè)設(shè)備的最佳狀態(tài)。

    測(cè)試圖是基于我在測(cè)試其他顯示器時(shí)發(fā)現(xiàn)非常有用的測(cè)試圖。有一系列320×240的子圖案用于測(cè)試分辨率，其能夠多次復(fù)制以填充顯示分辨率。有一些大圓圈可以測(cè)試整個(gè)顯示器的顏色純度。我同時(shí)采用了包含人像的圖片來(lái)替換一個(gè)或兩個(gè)彩色場(chǎng)景，以此來(lái)檢查顏色。對(duì)于想要驗(yàn)證或質(zhì)疑我結(jié)果的任何人士，你都可以在 這里 找到我所使用的測(cè)試圖。

    2. 光學(xué)子系統(tǒng)：顯示組件，投影儀光學(xué)，以及波導(dǎo)組合器

    在High-Level，三款頭顯都采用了類(lèi)似的光學(xué)架構(gòu)，并且都采用了場(chǎng)序彩色（FSC）和硅基液晶（LCOS）微型顯示器，但它們來(lái)自不同的LCOS制造商。 它們中的每一個(gè)都包含“投影儀光學(xué)”，其能夠校準(zhǔn)和操縱圖像以注入各自的波導(dǎo)之中。三者最不同的地方在于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

    3. 頭顯：ML1, HoloLens和Lumus

    3.1 Magic Leap One

    ML1使用衍射波導(dǎo)并阻擋約85％的真實(shí)光線。你可能會(huì)注意到，在上圖中無(wú)法看到用戶的眼睛。它搭載了一個(gè)由 Omni vision制作的1280×960 LCOS微型顯示器，但有效分辨率要低很多。它的對(duì)角線視場(chǎng)大約是45度，水平視場(chǎng)則是40度左右。

    ML1支持約220cd/m2。在顯示測(cè)試圖時(shí)，我只能看到ML1顯示了1280個(gè)水平像素中的大約1160個(gè)。我懷疑丟失的約120像素用于瞳距調(diào)整。iFixit的拆解說(shuō)明ML1組件具有Omnivision的自定義分辨率，并且可能使用與Omnivision的1080p和720p組件相同的4.5微米像素間距。

    3.2 Hololens

    微軟HoloLens使用了類(lèi)似于ML1的衍射波導(dǎo)，并阻擋約60％的真實(shí)光線，允許通過(guò)的光線比ML1多大約2.7倍。在右邊的圖片中，你可以看到佩戴者的眼睛，但很暗。它采用Himax制造的1366×768像素LCOS微型顯示器，對(duì)角線視場(chǎng)約是35度，水平視場(chǎng)則是30度左右。

    當(dāng)在全幀觀察時(shí)，我能夠看到測(cè)試圖中1280個(gè)水平像素中的約1270個(gè)。HoloLens在全亮度下支持約320cd/m2，或者說(shuō)比ML1亮約1.5倍。HoloLens中的Himax FSC LCOS組件可能采用了約6微米像素間距。

    3.3 Lumus DK-Vision

    Lumus的DK-Vision顯示1920×1080像素（1080p），或者說(shuō)大約是ML1和HoloLens的兩倍。我在“CES 2018 AR Overview”這篇文章中首次探討了DK-Vision，而Lumus官網(wǎng)提供了宣傳單張。Lumus LOE有一系列的偏振半反射鏡，可作為垂直視場(chǎng)和瞳孔擴(kuò)展器。Lumus頭顯只遮擋約20％的真實(shí)光線，比ML1亮約5.3倍，比HoloLens亮約2倍。我沒(méi)有直接測(cè)量Lumus頭顯的亮度，但根據(jù)相機(jī)設(shè)置，它大致有1000cd/m2，大約比ML1亮五倍，比HoloLens亮三倍（Lumus同時(shí)研發(fā)了高達(dá)6500cd/m2的軍用產(chǎn)品）。Lumus聲稱(chēng)DK-Vision目前可支持2000cd/m2，并最終能夠支持3000cd/m2，或者說(shuō)比ML1和Hololens亮大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。Lumus頭顯中使用的1080p Raontech LCOS組件具有6.3微米像素間距。

    4. 關(guān)于Lumus DK-Vision原型及其LCOS顯示組件的一些評(píng)論

    我想說(shuō)明的是，盡管ML1和HoloLens只是小批量生產(chǎn)的開(kāi)發(fā)套件，但Lumus的頭顯屬于“僅供參考”。ML1和HoloLens具備許多Lumus演示設(shè)備所不支持的功能。Lumus頭顯盡管搭載了攝像頭，慣性測(cè)量單元和Android處理器，但并不具備Magic Leap和Hololens中的功能（如SLAM）。

    Lumus頭顯中的LCOS組件是Raontech的早期1080p原型，因此不一定代表最終產(chǎn)品。坦白說(shuō)，色彩平衡和灰度響應(yīng)并不是很好，這種情況并不罕見(jiàn)，因?yàn)樗皇窃投菍?shí)際產(chǎn)品。我確實(shí)對(duì)照片進(jìn)行了一定的白平衡調(diào)整，因?yàn)椋?.它是一個(gè)原型；2.目標(biāo)是比較光學(xué)；3.由于Lumus采用來(lái)自不同廠商的LCOS組件，因此最終產(chǎn)品不一定來(lái)自于Raontech。

    由于這臺(tái)Lumus頭顯是少數(shù)現(xiàn)有原型中的其中一臺(tái)，它們可能是手工挑選和組裝單元，因此它可能無(wú)法代表最終的產(chǎn)品。在大批量生產(chǎn)的同時(shí)，質(zhì)量應(yīng)該能有所提高。為提高他們的批量生產(chǎn)能力，Lumus最近與廣達(dá)電腦達(dá)成了生產(chǎn)合作伙伴關(guān)系。

    影響結(jié)果的一個(gè)關(guān)鍵因素是，Raontech LCOS面板的黑色與白色響應(yīng)非常不對(duì)稱(chēng)，它非常偏向于黑色。一像素寬的白線幾乎不可見(jiàn)，而一像素寬的黑線幾乎是應(yīng)有樣子的兩倍寬。由于LC行為和驅(qū)動(dòng)，任何液晶顯示器的黑色與白色響應(yīng)總是存在一定程度的差異，但相對(duì)于我見(jiàn)過(guò)的其他LCOS組件，Raontech的不對(duì)稱(chēng)非常嚴(yán)重。這種不對(duì)稱(chēng)性也會(huì)影響整體外觀，甚至是灰度/顏色響應(yīng)。 我希望Raontech能夠在他們的LCOS組件中調(diào)整他們的液晶配方/加工方式。

    5. 全視場(chǎng)圖片

    下面的圖片顯示了每個(gè)頭顯的整個(gè)視場(chǎng)。這些圖片不按比例繪制。HoloLens的水平視場(chǎng)約為30度，ML1為約35度，Lumus也是35度左右。測(cè)試圖中的每個(gè)子圖案（帶有編號(hào)的圓和可變大小的文本）是320×240像素。Lumus原型幾乎是ML1和HoloLens水平像素的兩倍。你可能還會(huì)注意到，盡管Lumus和Hololens的寬高比大致為16：9，但ML1更為方正，名義比率是4：3。

    完整的測(cè)試圖可以幫助你全面了解圖像質(zhì)量，以及顏色在視場(chǎng)中的變化情況。這些圖片水平上有大約2600到2900個(gè)相機(jī)像素，但不足以完全評(píng)估1140和1920像素寬之間的圖像分辨率?；诨静蓸永碚摵湍慰固兀∟yquist）速率，你顯然希望每個(gè)顯示像素具有兩個(gè)以上的相機(jī)像素（樣本）。

    HoloLens和ML1在視場(chǎng)上都有明顯的色移問(wèn)題，在白色背景圖像上更為明顯。Lumus只是在遠(yuǎn)角處有一定的色移。在Lumus圖片中，較小的文本看起來(lái)是更暗/褪色，這是LCOS組件行為的結(jié)果。

    我注意到Lumus DK-Vision存在一些ML1或HoloLens所沒(méi)有的垂直枕形失真。我懷疑枕形化來(lái)源于他們的投影光學(xué)系統(tǒng)而非波導(dǎo)本身。最右側(cè)的一些子圖案（特別是子圖案26和36）也存在一些重影。應(yīng)該注意的是，這是原型而非生產(chǎn)產(chǎn)品，所以希望他們能夠在生產(chǎn)制造之前能夠改進(jìn)部分或全部問(wèn)題。

    HoloLens （水平約1270像素）

    ML1 （水平約1160像素）

    Lumus （水平約1920像素）

    接下來(lái)，我們?cè)诎咨尘皥D像看到有黑色。與HoloLens和Magic Leap的衍射波導(dǎo)相比，Lumus LOE波導(dǎo)在整個(gè)場(chǎng)中具有顯著更好的顏色和亮度均勻性。在第5行哪里（51-56）那里，Lumus顯示器確實(shí)出現(xiàn)了微暗的黑帶，我懷疑這是由LOE分區(qū)的匹配所造成。 另外，左下角有一定的色移和變暗。由于LCOS組件的不對(duì)稱(chēng)性，小文本不會(huì)像黑色背景上的白色文本那樣淡化。

    6. 相同視場(chǎng)近拍

    對(duì)于下一組圖片，相機(jī)為較大的圖像進(jìn)行了相應(yīng)地放大，因此你可以看到每臺(tái)設(shè)備視場(chǎng)中大致相等的部分，比例大致相同。在圖片中，你可以看到只有3像素，2像素和1像素寬線的插圖。Hololens的水平像素?cái)?shù)量大致與ML1相同，但視場(chǎng)較小，因此在進(jìn)行相似的縮放時(shí)，圖像和插圖像更小。應(yīng)該注意的是，Lumus DK-Vision的插圖已經(jīng)放大了2倍，因此你可以看到細(xì)節(jié)。

    因此在用眼睛看時(shí)，DK-Vision上的2像素寬線條與ML1上的1像素寬線條的大小和寬度大致相同，并且比ML1上的2像素寬線條調(diào)制得更好。DK-Vision的水平和垂直角分辨率似乎是ML1的大約4倍。

    白色背景圖片如下所示。白色背景更能看到光學(xué)元件散射多少光線。應(yīng)該注意的是，與Hololens和DK-Vision相比，ML1的“黑色”1像素寬線條不會(huì)變得非常黑，這表明ML1光學(xué)元件/波導(dǎo)是在散射光線：

    7. 64×64子圖案并排對(duì)比

    最后，下面是每個(gè)頭顯最合適的64×64像素子圖案。子圖案有一組3像素寬的線，3像素寬的空間，接著是2像素寬的線和空間，接著是1像素寬的線和空間。這個(gè)子圖案的目的是測(cè)試光學(xué)組件的有效分辨率，并基于廣泛使用的1951 USAF分辨率圖表。

    這三個(gè)部分的LCOS組件在黑色到白色，以及白色到黑色的過(guò)渡方面是不同的和不對(duì)稱(chēng)的，如黑色背景圖和白色背景圖所示。白色背景圖的黑色能說(shuō)明光學(xué)系統(tǒng)中是否存在散射問(wèn)題。

    如前所述，Lumus已經(jīng)放大到HoloLens和ML1圖像相對(duì)大小的兩倍。這意味著實(shí)際上Lumus的2像素寬線非常接近于ML1的1像素線。

    HoloLens可以顯示1像素寬的線條，但它們不是特別清晰。LCOS似乎略微偏向于白色而非黑色（1像素寬白線看起來(lái)比黑線寬）。你可能會(huì)注意到黑色背景的線條（左上角）比白色背景的線條（左下角）寬。由于HoloLens光學(xué)元件（波導(dǎo)和/或投影儀）會(huì)散射光，白色背景的對(duì)比度較低。

    ML1幾乎沒(méi)有顯示對(duì)1像素線條的調(diào)制。與其他兩臺(tái)設(shè)備相比，即使2像素寬線也不是特別銳利。我從其他實(shí)驗(yàn)中注意到ML1的“開(kāi)-關(guān)”對(duì)比度好于HoloLens，但正如白色背景圖所示，ML1上的白光散射明顯更差。你應(yīng)該注意到，平整的3像素寬線條看起來(lái)都非常模糊和圓滑。

    與HoloLens類(lèi)似，ML1的LCOS似乎略微偏向白色而不是黑色。根據(jù)現(xiàn)有信息，ML1的Omnivision微型顯示像素在物理上尺寸更?。?.5微米：約6微米），而需要進(jìn)行更多地放大可能會(huì)導(dǎo)致ML1的有效分辨率更低。根據(jù)我所看到的情況，ML1最多可能只在每個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)所述分辨率的一半。

    ML1的默認(rèn)圖像大小分辨率非常糟糕，我做了一個(gè)測(cè)試，試圖在其有效分辨率上獲得更高的精度。當(dāng)測(cè)試圖鎖定在空間中時(shí)，我逐漸向它移動(dòng)并在我能夠識(shí)別1像素寬線條時(shí)停止。然后我注意到視場(chǎng)中有多少像素可見(jiàn)，并拍了一張照片（下圖）。結(jié)果是，在大約710像素寬的情況下，我可以開(kāi)始看到離散的四條線。它們?nèi)匀粵](méi)有很好地進(jìn)行調(diào)制，但至少有四條線可見(jiàn)。

    Lumus光學(xué)可以解析1920×1080顯示屏上的1像素寬線條。角分辨率在每個(gè)方向上比ML1的角度分辨率多三倍，更像是4倍。Lumus系統(tǒng)分辨率的限制是LCOS微型顯示器。從黑色背景圖 vs 白色圖可以看出，LCOS高度不對(duì)稱(chēng)，更傾向于黑色?？紤]到LCOS組件的物理像素尺寸是6.3微米，在三個(gè)頭顯中最大，而這是特別糟糕的情況。對(duì)于黑色背景圖，1像素寬白色線條非常暗和細(xì)，而白色背景圖上的黑色非常寬。

    仔細(xì)觀察下面Lumus頭顯的放大圖像，你甚至可以看到LCOS像素鏡之間的間隙有一系列微淡淡的水平和垂直線，這些線遠(yuǎn)小于像素的寬度。在這種情況下，分辨率受到LCOS組件的限制。需要提醒的是，這已經(jīng)是“最佳”子圖案。

    8. 總結(jié)

    與HoloLens和Lumus相比，ML1的分辨率不如前兩者。我使用相同的設(shè)備，并且花費(fèi)了很多時(shí)間來(lái)試圖獲得最好的圖像。你在佩戴Magic Leap時(shí)顯然不希望閱讀文本。

    對(duì)于HoloLens，1像素寬線條與你期望的一樣，它們有點(diǎn)模糊但不算臺(tái)糟糕。Hololens的“開(kāi)-關(guān)”對(duì)比度略低于100：1。

    DK-Vision在分辨率方面處于不同的陣營(yíng)。但它受到LCOS組件的不對(duì)稱(chēng)性限制，希望他們能夠解決這個(gè)問(wèn)題。

    根據(jù)我的觀察，ML1嘗試在水平上顯示大約1160個(gè)像素，水平視場(chǎng)為40度（對(duì)角線約45度）。每像素可達(dá)2.06弧分（一個(gè)弧分= 1/60度）。因?yàn)镸L1很模糊，實(shí)際上每個(gè)像素只能顯示大約4弧分。HoloLens顯示約1024像素，水平超過(guò)約30.5度，或者說(shuō)約1.78弧分/像素，是ML1的兩倍。DK-Vision顯示1080p像素，大約35度視場(chǎng)（對(duì)角線約40°），每像素約為1.08弧分，或約為ML1有效分辨率的四倍。

    9. 其他因素（顏色，透明度和亮度 ）

    盡管本文主要是跟分辨率有關(guān)，但我想講講其他一些觀察結(jié)果。

    與Magic Leap和HoloLens的衍射波導(dǎo)相比，Lumus LOE視場(chǎng)上的顏色和亮度均勻性給我留下了深刻的印象。Magic Leap和Hololens的顏色在視場(chǎng)上會(huì)出現(xiàn)色移和波動(dòng)，如上面的圖片所示。盡管DK-Vision在角落位置同樣存在一定的問(wèn)題，但顯然優(yōu)于另外兩者。

    Lumus在透明度方面也有很大的優(yōu)勢(shì)。Lumus只阻擋約20％的真實(shí)光線，而Magic Leap阻擋了大約85％，HoloLens則是60％。ML1顯然更暗。

    Lumus頭顯也比ML1或HoloLens亮一個(gè)數(shù)量級(jí)。這對(duì)于幫助圖像脫穎而出，并支持戶外用例而言十分有必要。Lumus聲稱(chēng)他們的技術(shù)相較于衍射波導(dǎo)具有明顯的光效優(yōu)勢(shì)，盡管我無(wú)法驗(yàn)證這一說(shuō)法，但我認(rèn)為這是可信的。所有三款頭顯都使用LCOS，而它們應(yīng)具有相似的反射率，但我懷疑ML1是由于雙焦平面的存在而丟失了一定的效率。如果你只是在LED上提升功率，它們會(huì)變得更熱，效率更低，這反過(guò)來(lái)導(dǎo)致需要更多的熱量管理，從而增加了體積和重量，而且很快就會(huì)失控。

    DK-Vision和ML1都使用外置電池組，而Hololens則內(nèi)置電池，但我不認(rèn)為這是亮度產(chǎn)生差異的主要因素。我認(rèn)為原因在于光損耗和熱量管理。

    10. 基本論點(diǎn)

    簡(jiǎn)而言之，雖然并不完美，但在將虛擬信息疊加在現(xiàn)實(shí)世界這方面，Lumus光學(xué)系統(tǒng)更符合我對(duì)“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”顯示器的期望。

    我不知道為什么Magic Leap和微軟都決定采用衍射波導(dǎo)，我歡迎他們回應(yīng)這篇分析文。Magic Leap和微軟都知道Lumus的波導(dǎo)，也許他們存在各自的業(yè)務(wù)或技術(shù)原因。ML1和Hololens的問(wèn)題與我見(jiàn)過(guò)的其他十幾種衍射波導(dǎo)都一致。在主要方面上，包括透明（并且不會(huì)造成偽影），分辨率，色彩均勻性和亮度（光學(xué)效率），Lumus似乎都優(yōu)于另外兩款設(shè)備。

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