Platforma firmy ADI zapewnia komponenty i narzędzia rozwojowe dla okularów rozszerzonej rzeczywistości (AR) z audio w technologii otwartego ucha

Połączenie dźwięku przestrzennego z okularami rozszerzonej rzeczywistości (AR) może tworzyć wciągające i interaktywne doświadczenia sensoryczne, które skuteczniej zacierają granicę między światem fizycznym a cyfrowym. Projektanci muszą jednak zadbać o to, aby okulary AR z ulepszonym audio były lekkie i oferowały długi czas pracy, co jest kluczowe dla praktyczności ich użytkowania.

Rynek inteligentnych okularów AR wydaje się być u progu znaczącego wzrostu, z prognozowanym wzrostem dostaw z nieco ponad 676 tysięcy sztuk w 2023 roku do 13 milionów sztuk w 2030 roku, co oznacza skumulowany roczny wskaźnik wzrostu na poziomie 53%. Poprawa jakości wyświetlaczy, czasu pracy na baterii oraz ogólnej wydajności sprawią, że okulary AR staną się bardziej praktyczne w zastosowaniach biznesowych, przemysłowych i konsumenckich.

Okulary AR z wbudowanymi mikrofonami i głośnikami umożliwiają szybki dostęp do asystentów głosowych oraz odtwarzania muzyki. Mogą odgrywać kluczową rolę w wykorzystaniu cyfrowych bliźniaków na hali produkcyjnej lub w dostarczaniu rowerzystom wskazówek nawigacyjnych i informacji o wydajności.

Dźwięk przestrzenny o wysokiej wierności może znacząco wpłynąć na doświadczenie użytkownika w rzeczywistości rozszerzonej, wzbogacając teksturę, kontekst i znaczenie interakcji wizualnych. Jednak uzyskanie wysokiej jakości dźwięku z okularów AR jest szczególnie trudne ze względu na niewielkie rozmiary, które są niezbędne do uzyskania akceptacji i zadowolenia użytkowników. Ponadto te urządzenia muszą być lekkie i oferować długi czas pracy baterii, co może być szczególnie trudne przy dodawaniu do zastosowania funkcji takich jak wysokiej jakości audio, nagrywanie wideo czy wyświetlacze wizualne.

Wraz z postępem w dziedzinie mocy obliczeniowych i rozdzielczości wyświetlaczy, zarządzanie dźwiękiem i zasilaniem odegra kluczową rolę w tworzeniu udanych zastosowań, które zwiększą zapotrzebowanie na te urządzenia. Wyzwania, z którymi trzeba się zmierzyć, to między innymi:

• Mniejsze głośniki często mają wysokie częstotliwości rezonansowe, co może prowadzić do ich uszkodzenia przy zbyt dużym obciążeniu oraz utrudniać odtwarzanie głębokich basów.
• Niezakłócona jakość połączeń, która skutecznie rejestruje głos użytkownika, jednocześnie eliminując hałas otoczenia, jest kluczowa, lecz trudna do osiągnięcia z powodu odległości między mikrofonami a ustami użytkownika.
• Dodanie większej liczby funkcji wymaga lepszych rozwiązań zarządzania baterią, aby zapewnić szybsze ładowanie i dłuższy czas pracy. Kluczowym czynnikiem dla powszechnej akceptacji na rynku jest równowaga między wagą, funkcjonalnością i czasem działania.
• W wielu przypadkach użycia niezbędne jest, aby nic nie zakłócało użytkownikom odbioru dźwięków z otoczenia, takich jak nadjeżdżające pojazdy czy rozmowy z innymi pracownikami.

Technologia otwartego ucha

Projektanci dążący do naturalnego i realistycznego połączenia informacji wizualnych i dźwiękowych powinni rozważyć technologię audio otwartego ucha. Dzięki wyeliminowaniu konieczności używania słuchawek lub wkładek dousznych technologia ucha otwartego umożliwia użytkownikom jednoczesne słyszenie dźwięków rzeczywistości rozszerzonej oraz otoczenia, co zapewnia płynne i wciągające doświadczenie bez zakłócania interakcji z innymi osobami i otoczeniem.

Dzięki wbudowanym mikrofonom i otwartym słuchawkom, okulary AR doskonale nadają się do zastosowań w rzeczywistości rozszerzonej, wirtualnej oraz mieszanej. Użytkownicy mogą cieszyć się bardziej komfortowym doświadczeniem słuchania, nie rezygnując z jakości dźwięku ani jego wierności. Te urządzenia umożliwiają użytkownikom słyszenie dźwięków otoczenia, co pozwala im zachować świadomość sytuacyjną dla zapewnienia bezpieczeństwa oraz współpracować z innymi pracownikami lub wchodzić w interakcje z innymi osobami, jednocześnie minimalizując ryzyko lub dyskomfort związany z tym, że inni mogą usłyszeć treści audio.

Inżynierowie mogą wykorzystać technologię otwartego ucha do tworzenia elektronicznych aplikacji, które w naturalny sposób łączą informacje wizualne i dźwiękowe. Okulary rzeczywistości rozszerzonej (AR) z tą technologią wprowadzają dodatkowy poziom realizmu, oferując dźwięk przestrzenny, który sprawia, że użytkownicy słyszą dźwięki dochodzące z określonego kierunku i odległości.

Dźwięk przestrzenny stanie się kluczowym elementem rozwoju technologii audio otwartego ucha. Tworzy realistyczne oraz imersyjne środowisko dźwiękowe, które idealnie współgra z treściami wizualnymi oraz perspektywą użytkownika. Urządzenie VR Vision Pro firmy Apple oferuje technologia audio otwartego ucha, integrację z dźwiękiem przestrzennym oraz trójwymiarowe mapowanie uszu, co wzmacnia wrażenia immersyjne i eliminuje konieczność używania zewnętrznych słuchawek.

Symulując interakcję fal dźwiękowych z uszami, głową i ciałem użytkownika oraz z powierzchniami i obiektami w ich fizycznym otoczeniu, dźwięk przestrzenny może również wykorzystywać metadane, takie jak pozycja, orientacja, odległość, prędkość i kierunek, aby dynamicznie dostosowywać parametry dźwięku. Obejmują one głośność, wysokość dźwięku, barwę i pogłos, w zależności od ruchu i interakcji użytkownika.

Projektowanie zastosowań audio w technologii otwartego ucha dla okularów rozszerzonej rzeczywistości (AR) wymaga zrozumienia zalet i wad urządzenia, zasad oraz najlepszych praktyk w zakresie projektowania dźwięku przestrzennego, a także struktur i narzędzi rozwojowych. Wyświetlacze wideo i nagrywanie wideo zużywają dużo energii, dlatego sprawność ma znaczenie krytyczne. Wysokiej jakości dźwięk oraz atrakcyjne wzornictwo będą kluczowe dla akceptacji klientów, a ładowanie urządzeń musi być wygodne i na tyle rzadkie, na ile pozwala technologia.

Platforma firmy ADI do zastosowań dźwięku w technologii otwartego ucha w okularach rzeczywistości rozszerzonej (AR)

Firma Analog Devices, Inc. (ADI) oferuje platformę okularów rzeczywistości rozszerzonej (AR), która zawiera zintegrowane komponenty do rejestrowania i odtwarzania dźwięku, zarządzania baterią oraz algorytmy. Wspomniane komponenty i narzędzia rozwojowe oferują projektantom szybki sposób na tworzenie i testowanie aplikacji do okularów rozszerzonej rzeczywistości (AR) z technologią ucha otwartego.

Kodeki procesora audio ADI wykorzystują algorytmy przetwarzania Pure Voice, aby poprawić jakość dźwięku w trudnych warunkach akustycznych oraz algorytmy Dynamic Speaker Management (DSM™), aby stworzyć głośniejszy i bogatszy dźwięk w przypadku stosowania głośników w ograniczonych przestrzeniach.

• Układ ADAU1860 (ilustracja 1) wyposażono w rdzeń cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) HiFi 3z oraz rdzeń FastDSP o niskiej latencji, wraz z ośmioma kanałami wejścia mikrofonu cyfrowego (DMIC), trzema wejściami analogowymi, jednym wyjściem analogowym i dwoma kanałami wyjścia modulacji gęstości impulsów (PDM). Optymalizacja ścieżki między wejściem analogowym a rdzeniem cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) w celu uzyskania niskiej latencji jest idealna do redukcji hałasu.

Ilustracja 1: kodek ADAU1860 firmy ADI zawiera między innymi dwa procesory DSP, osiem cyfrowych wejść mikrofonowych i trzy wejścia analogowe. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

• Kodek audio niskiej mocy ADAU1797 charakteryzuje się wysokimi parametrami i integruje również rdzeń cyfrowy procesora sygnałowego (DSP) HiFi 3z oraz rdzeń FastDSP o niskiej latencji, wraz z trzema analogowymi kanałami wejściowymi, 10 kanałami wejściowymi DMIC, dwoma kanałami wyjściowymi PDM i wzmacniaczem klasy D o wysokiej sprawności na wyjściu. W trybie niskiej mocy rdzenie cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) są zoptymalizowane pod kątem zastosowań o niewielkich rozmiarach, takich jak okulary audio AR z dźwiękiem w technologii otwartego ucha. W trybie wysokich parametrów, częstotliwość rdzenia HiFi 3z jest zwiększana z 50MHz do 200MHz, a FastDSP obsługuje liczbę instrukcji podwojoną z 64 do 128. Podwyższone możliwości przetwarzania pozwalają odciążyć procesor hosta lub umożliwiają użycie tańszych procesorów hosta, nie wymagając dodatkowych zewnętrznych mikrokontrolerów MCU ani procesorów DSP audio.
• ADI oferuje płytki ewaluacyjne dla każdego z tych kodeków. Płytka EVAL-ADAU1797Z (ilustracja 2) to 8-warstwowa konstrukcja z płaszczyzną masy i płaszczyzną zasilania na warstwach wewnętrznych, która może być zasilana z pojedynczego źródła o napięciu od 3,8V do 5V. Płytka EVAL-ADAU1860EBZ to 4-warstwowa konstrukcja, również z płaszczyzną masy i płaszczyzną zasilania na wewnętrznych warstwach, która może być zasilana przez magistralę USB lub pojedynczy zasilacz 5V.

Ilustracja 2: płytka ewaluacyjna EVAL-ADAU1797Z zapewnia pełny dostęp do wszystkich wejść/wyjść analogowych i cyfrowych układu ADAU1797. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Inteligentne wzmacniacze audio firmy ADI zapewniają zintegrowane sprzężenie zwrotne prądu i napięcia (IV) oraz algorytmy zarządzania głośnikami, aby zmaksymalizować parametry działania w zastosowaniach o ograniczonej przestrzeni.

• Monofoniczny wzmacniacz z wejściem cyfrowym klasy D MAX98388 przeznaczony jest do zastosowań rzeczywistości wirtualnej i rozszerzonej (AR/VR) oraz okularów inteligentnych. Posiada on sprzężenie zwrotne prądu i napięcia (IV) dla inteligentnych funkcji wzmacniacza i może przenieść obciążenie przetwarzania cyfrowego zarządzania głośnikami (DSM) do kodeka audio. Jest on zoptymalizowany pod kątem zastosowań o napięciu do 5,5V (pojedyncze ogniwo) i zapewnia sprawność do 90%.
• Niedawno wprowadzony na rynek ulepszony wzmacniacz klasy D MAX98390 z cyfrowym zarządzaniem głośnikami (DSM) pozwala zwiększyć poziom ciśnienia akustycznego (SPL) i basów, aby poprawić jakość dźwięku z mikrogłośników przy jednoczesnej maksymalizacji sprawności. Zintegrowana przetwornica podwyższająca i skalowanie tranzystorem polowym (FET), wraz z cyfrowym zarządzaniem głośnikami (DSM), zapewniają dłuższą pracę baterii. Maksymalne napięcie wyjściowe konwertera podwyższającego można programować w zakresie od 6,5V do 10V w krokach co 0,125V przy napięciu baterii od zaledwie 2,65V. Zestaw MAX98390CEVSYS# (ilustracja 3) zawiera graficzny interfejs użytkownika DSM Sound Studio firmy ADI, który upraszcza projektowanie i implementację cyfrowego zarządzania głośnikami (DSM) w zastosowaniach wykorzystujących MAX98390CEWX+T.

Ilustracja 3: system ewaluacyjny MAX98390CEVSYS# zawiera oprogramowanie DSM Sound Studio z graficznym interfejsem użytkownika (GUI) do wyodrębniania, dostrajania i oceny wzmacniacza MAX98390C. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Zasilanie jest krytycznym czynnikiem projektowym dla okularów AR. Głośniki w technologii otwartego ucha wymagają więcej mocy niż typowe układy zarządzania słuchawkami, a firma ADI oferuje kilka układów scalonych zarządzania zasilaniem, które projektanci mogą wykorzystać w swoich zastosowaniach:

• Układy scalone zarządzania zasilaniem (PMIC) firmy ADI z serii MAX77654 zapewniają wysoce zintegrowane rozwiązania ładowania baterii i zasilania. Wyposażony w regulator SIMO (z pojedynczą cewką i wieloma wyjściami), zapewnia trzy niezależnie programowalne szyny zasilające z pojedynczej cewki indukcyjnej, aby zminimalizować rozmiary rozwiązania. Ładowarka Li+/Li-Poly z technologią Smart Power Selector™ zapewnia programowany prąd ładowania od 7,5mA do 300mA i programowane napięcie ładowania od 3,6V do 4,6V, z monitorowaniem temperatury baterii, gwarantującym bezpieczeństwo ładowania. Zawiera ona dwa regulatory liniowe 100mA o niskim spadku (LDO), zapewniające tłumienie tętnień w zastosowaniach audio i innych wrażliwych na zakłócenia.
• Układy scalone zarządzania zasilaniem (PMIC) MAX77659 są wyposażone w regulator obniżająco-podwyższający z pojedynczą cewką i wieloma wyjściami (SIMO), który posiada dwa wejścia oraz zapewnia jedną szynę ładowania i trzy niezależnie programowalne szyny zasilania z pojedynczej cewki indukcyjnej i jednego regulatora napięcia o niskim spadku (LDO) w celu tłumienia tętnień.
• Mikroukład MAX77972 firmy ADI to combo trzy w jednym, które obejmuje wykrywanie USB-C, ładowarkę 3A i miernik naładowania. Obsługuje on odwracalne zasilanie USB On-The-Go (OTG) i zawiera technologię Smart Power Selector™ (SPS). Miernik naładowania wykorzystuje algorytm ModelGauge™ m5, który automatycznie kompensuje wpływ starzenia się ogniw, temperatury oraz intensywności rozładowania, a także podaje dokładny stan naładowania (SOC) w szerokim zakresie warunków pracy. Wtyki wykrywania kanału konfiguracyjnego USB Type-C (CC) umożliwiają automatyczne wykrywanie źródła zasilania USB Type-C i konfigurację ograniczania prądu wejściowego.
• MAX17301 jest autonomicznym układem scalonym miernika naładowania. Zapewnia ochronę, opcjonalne wykrywanie wewnętrznego samorozładowania baterii i opcjonalne uwierzytelnianie SHA-256 dla 1-ogniwowych baterii litowo-jonowych lub polimerowych. 1-przewodowy lub 2-przewodowy interfejs Maxim I²C zapewnia dostęp do danych i rejestrów.
• Jednoukładowe rozwiązanie do zarządzania baterią MAX17332 firmy ADI zawiera ładowarkę liniową, miernik naładowania, zabezpieczenie baterii oraz wykrywanie samorozładowania. Umożliwia ono równoważenie pojemności różnych baterii i oferuje szybkie ładowanie, pozwalając na niezależne ładowanie baterii podłączonych równolegle oraz zapobiegając ich wzajemnemu ładowaniu.

Podsumowanie

Dźwięk był głównym ograniczeniem w pełnym wykorzystaniu potencjału zastosowań rzeczywistości rozszerzonej (AR), które zazwyczaj koncentrowały się na obrazie. Audio w technologii otwartego ucha daje możliwość wykorzystania tego potencjału dzięki lżejszym, modnym i wygodnym okularom rozszerzonej rzeczywistości (AR), które są w stanie sprostać wielu przypadkom użycia. Firma ADI zbudowała platformę złożoną z komponentów, narzędzi i oprogramowania, która stanowi kompleksowe rozwiązanie.