Когда кто-то упоминает системы дополненной реальности (AR), многие думают об иммерсивной игровой среде. Помимо игр, у гарнитур с дополненной реальностью, умных очков и других носимых устройств светлое будущее в сфере обучения, здравоохранения, автомобилестроения, розничной торговли и других решений. По оценкам Grand View Research , глобальный рынок AR в 2020 году оценивается в 17,67 миллиарда долларов и будет расти со среднегодовым темпом роста (CAGR) 43,8% в период с 2021 по 2028 год.
Рисунок 1
Прогноз рынка дополненной реальности, 2021 - 2028 гг.
Основы: компоненты среды дополненной реальности
Дополненная реальность создает иммерсивную реальность, используя технологию наложения цифровой информации на изображение с камеры в реальном времени. Система AR состоит из оборудования, программного обеспечения и приложения. Компоненты оборудования включают в себя процессор, графический процессор (GPU) и датчики. Процессор координирует и анализирует входные сигналы датчиков, сохраняет и извлекает данные. Графический процессор обрабатывает визуальный дисплей, а датчики обеспечивают правильную работу вашего устройства в окружающей среде.
Датчики, отвечающие за отслеживание движения, являются ключевыми компонентами системы. Компоненты датчика включают акселерометры, которые измеряют линейное движение вдоль трех перпендикулярных осей, и гироскопы, которые используют крен, тангаж и рыскание вокруг оси для определения ориентации. В приведенном ниже примере ось Z - это прямое направление. Крен - это вращение вокруг оси Z; шаг вокруг оси X; а рыскание - это вращение вокруг оси Y.
фигура 2
Источник: arXiv.org, Корнельский университет
Инерциальный измерительный блок (IMU) - это устройство, которое объединяет сенсорные устройства (акселерометры, гироскопы, а иногда и магнитометры) для измерения ускорения и угловой скорости объекта. Устройство IMU может помочь вам отслеживать движение в различных приложениях, от гарнитур и мобильных телефонов до промышленных приложений.
IMU полезны в промышленных условиях для мониторинга состояния. Например, если вы поместите IMU на насос или другой вращающийся объект для контроля частоты вибрации, акселерометр может использовать вибрацию для выявления проблем, прежде чем они станут серьезными. Если у вас есть новая система, вы можете интегрировать акселерометр, который измеряет изменения с помощью машинного обучения (ML) и искусственного интеллекта (AI). Это позволяет установить базовые параметры и научить систему определять изменения, о которых вам нужно беспокоиться.
На этом фронте TDK разрабатывает ряд IMU, таких как шестиосевой IMU с трехосевым датчиком ускорения и трехосевым гироскопом, семиосный IMU с датчиком барометрического давления и девятиосевой IMU, который также включает в себя трехосный компас.
ОТ НАШИХ ПАРТНЕРОВ
Системы управления батареями
Система управления батареями. Инновационное приложение с еще большим потенциалом. Приложения и продукты. Система управления батареями - это электрическая…
WavePulser 40iX Высокоскоростной анализатор межсоединений
S-параметры. WavePulser 40iX High-speed Interconnect Analyzer вычисляет S-параметры как для несимметричного, так и для смешанного режима на основе одного сбора данных. Просто ча ...
Чтобы оптимизировать производительность AR, вы хотите использовать датчики движения с низким уровнем шума и задержки, хорошей стабильностью при температуре и высочайшей точностью чувствительности. Например, рассмотрим такие устройства, как семейство 6-осевых датчиков движения InvenSense со встроенным 3-осевым гироскопом и 3-осевым акселерометром. Эти высокопроизводительные датчики, обеспечивающие интеллектуальную обработку данных со встроенным интеллектуальным управлением питанием, позволяют реализовать приложения для навигации, обработки изображений и дополненной реальности для максимального удобства пользователей.
Измерение расстояния и объема
Датчики времени пролета (ToF) измеряют расстояние, отправляя ультразвуковой импульс, который вычисляет время, необходимое эхо-сигналу, чтобы вернуться к датчикам. Вы можете использовать датчики ToF в приложениях для бесконтактных измерений для определения расстояния, определения положения и приближения, а также отслеживания объектов.
Вычисляя время полета, датчик ToF может определять местоположение объекта относительно устройства и запускать запрограммированное поведение. Данные, полученные от датчиков ToF, помогают в восприятии глубины, навигации и распознавании жестов. Он может улучшить 3D-изображения и повысить качество погружения в среду дополненной реальности.
Несколько датчиков ToF также можно использовать в режиме захвата высоты тона, когда один датчик ToF отправляет (подает) ультразвуковой импульс, а один или несколько датчиков ToF принимают (улавливают) импульс. Синхронизируя часы в датчиках ToF, можно точно определить расстояние между датчиками по времени прохождения импульса. Несколько приемников обеспечивают точную триангуляцию расстояния и ориентации между двумя объектами, такими как гарнитура VR и контроллеры. Датчики ToF в этом режиме обеспечивают новый 6-DoF, вывернутый наизнанку опыт виртуальной реальности без необходимости использования камер слежения за движением или другой инфраструктуры.
Рисунок 3
Производительность IMU имеет значение: снижение шума, смещения и задержки
При работе с приложениями на основе технического зрения, такими как VR и AR, можно легко увидеть любой шум, ошибки и неточности. Никто не хочет, чтобы контроллер оставался перед своей системой, чтобы он не указывал туда, где ожидалось, или чтобы указатель двигался без движения руки. То же самое можно сказать и о 3D-изображениях; неожиданные изменения в движении изображения можно легко обнаружить с помощью глаз.
Следовательно, для IMU общие характеристики производительности, такие как шум, смещения и задержка, имеют значение в общих системах виртуальной и дополненной реальности с погружением. Акселерометры и магнитометры являются датчиками с шумом, что означает, что они могут иметь низкую скорость отклика в быстро движущихся системах. Гироскопы быстрые и точные, но чувствительны к дрейфу. Очень важно, насколько быстро вы сможете отобрать образцы своих датчиков и преобразовать их в данные, которые можно использовать в вашем приложении. Более того, как ваша система может поддерживать калибровку датчиков, устраняя постоянно меняющиеся смещения во время использования, является фундаментальной проблемой, которую необходимо решить.
Чтобы решить эти проблемы, TDK разработала полный набор сенсорных решений SmartMotion, обеспечивающих высокую производительность и низкий уровень шума. Решения Advanced Sensor Algorithm для продукта компании DK-42688-V решают многие проблемы системы AR / VR. TDK использует специализированную систему калибровки гироскопа, созданную специально для головных устройств. Эти алгоритмы MotionFusion делают для быстрой скорости реакции и способности отслеживать небольшие, быстрые движения быстро. И все это при использовании сенсорного оборудования ICM-42688-V.
Уменьшение размеров при сохранении производительности
Проблема для многих приложений AR и VR заключается в том, что пользователи редко хотят ходить с большими устройствами. Размер, вес и производительность ранних датчиков затрудняли создание легких устройств, что ограничивало взаимодействие с пользователем. Традиционные датчики часто требуют сложной обработки сигналов и слишком велики для использования в потребительских или промышленных приложениях. В идеале вы хотите уменьшить размер датчиков при сохранении или даже улучшении производительности.
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) - это технологический процесс, сочетающий в себе кремниевую микроэлектронику с технологией микрообработки. Механические и электрические компоненты изготавливаются с использованием методов пакетной обработки интегральных схем (ИС). Устройства MEMS могут обнаруживать, контролировать и приводить в действие на микроуровне, в то время как их размер варьируется от нескольких микрометров до миллиметров.
Устройства с технологией MEMS хорошо подходят для множества приложений, включая предотвращение препятствий, обнаружение присутствия, робототехнику, безопасность и наблюдение, AR / VR, дроны, определение уровня жидкости, умный дом / здание и Интернет вещей в целом (IoT).
TDK предлагает различные устройства на основе MEMS, такие как акселерометры и гироскопы для навигации, отслеживания движения и управления движением, а также оптической стабилизации. Недавно компания выпустила Chirp CH-101 , ультразвуковой датчик ToF на основе MEMS для высокопроизводительного определения дальности и расстояния.
CH-101 сочетает в себе пьезоэлектрический микромашинный ультразвуковой преобразователь (PMUT), энергоэффективный DSP (цифровой сигнальный процессор) и маломощную CMOS ASIC в корпусе размером 3,5 x 3,5 x 1,25 мм. Датчик поддерживает максимальный диапазон измерения 1 метр, обеспечивая определение диапазона с точностью до миллиметра, при этом потребляя очень мало энергии.
Рисунок 4
Блок-схема ультразвукового ToF-датчика MEMS компании TDK Chirp Microsystems .
Датчик CH-101 может выполнять различные функции обработки ультразвуковых сигналов, обеспечивая гибкие возможности промышленного дизайна. Сценарии для внедрения датчика CH-101 включают системы AR, умный дом, дроны и робототехнику, подключенные устройства IoT, мобильные и носимые устройства, а также автомобильные решения.
Лазерный модуль нового поколения
По мере развития технологий и программного обеспечения для отображения видео новые устройства используются по-новому. Например, смарт-стекло - это носимое устройство, которое накладывает информацию на реальную среду. Это и другие устройства отображения находят применение в медицинской, производственной и других отраслях промышленности.
Единственным ограничением для использования был размер лазерного модуля: обычные дисплеи работают, отражая три основных цвета RGB от лазерных элементов на линзу и зеркало, а затем проецируясь как единый луч света для отображения изображения. Этот подход использует несколько компонентов, увеличивая размер модуля космической оптики.
Чтобы решить эту проблему, TDK использует технологию планарных волноводов , которая формирует оптические волноводы на плоской подложке. В результате лазерный элемент для отображения изображений на интеллектуальных очках с дополненной реальностью значительно уменьшается в размерах.
Сочетание технологии планарных волноводов с высокоточными производственными технологиями позволяет уменьшить размер конечного модуля до одной десятой типичного размера модуля космической оптики. Он также отображает изображения с полной глубиной цвета до примерно 16,2 миллиона цветов. Этот крошечный лазерный модуль может быть интегрирован в новые решения, такие как приборы для зрения, которые проецируют четкие изображения, направленные на сетчатку глаза.
Рисунок 5.
Новый оптический модуль на основе технологии планарного волновода.
Размер, производительность и удобство использования
По мере расширения рынка систем дополненной реальности датчики и другие технологии дополненной реальности будут определять, смогут ли ваши решения обеспечить мощность и производительность для создания решений, выходящих за рамки существующих крупных форм-факторов. Создание небольших энергосберегающих систем дополненной реальности зависит от уменьшения размера компонентов, использования высокопроизводительной сенсорной технологии и ориентации на удобство работы пользователя.
Проектирование с использованием сложных и точных датчиков местоположения и движения обеспечит реалистичный опыт в виртуальном пространстве и расширит рынок носимых устройств AR и других систем AR.