TI Near Eye Display

Une fois n’est pas coutume, la parole est donnée à un intervenant extérieur à Helicomicro. Texas Instruments, la société spécialiste dans les microprocesseurs et le traitement des images numériques nous a proposé un article décrivant la technologie Near Eye Display (NED), autrement dit l’affichage près de l’oeil. Elle est peu utilisée dans le radiomodélisme, mais on imagine tout son intérêt pour afficher des données de télémétrie ou un retour vidéo si elle est correctement maîtrisée. Le texte qui suit a été écrit par Carlos Lopez, directeur du marketing stratégique, Texas Instruments DLP® Pico Products, et Dan Morgan, Ingénieur Systèmes, Texas Instruments DLP® Pico Products, et traduit depuis l’anglais. Il s’agit, pour que les choses soient parfaitement claires, d’un article d’opinion de cette marque sans contrepartie financière. Il nous a semblé suffisamment instructif et pédagogique pour être proposé sur Helicomicro…

Une expérience visuelle exceptionnelle grâce aux solutions d’affichage près de l’œil

Plusieurs solutions d’affichage près de l’œil (Near-Eye Display — NED) pour applications de réalité virtuelle (Virtual Reality — VR) et de réalité augmentée (Augmented Reality – AR) sont actuellement en cours de développement, et la viabilité d’une expérience visuelle où se rencontrent contenus numériques et monde physique ne cesse de croître. Dans cet article, nous nous intéresserons à certains des défis que doivent relever les concepteurs de solutions d’affichage près de l’œil par transparence (see-through NED) où le numérique se fond dans l’environnement du monde physique avec une parfaite fluidité.

Dans de nombreux cas, la technicité élevée d’une solution NED est loin de constituer un simple gadget et représente un élément indispensable de l’utilisation d’une solution d’affichage près de l’œil. Prenons l’exemple d’un chirurgien ou d’un urgentiste qui utilise une solution NED comme outil d’assistance dans le cadre d’une procédure médicale. Dans ce type d’environnement, les interventions doivent avoir lieu en toute transparence, sans la moindre obstruction. Dans un autre registre, c’est également le cas des amateurs de jeux vidéo qui exigent un temps de latence très faible pour vivre des expériences ludiques en temps réel et sans interruption.

Dans l’un et l’autre cas, une expérience visuelle satisfaisante requiert un délai (temps de latence) minimum pour l’affichage des images, un contraste optique optimisé et un champ de vision (field of view — FOV) maximum pour l’affichage des informations.

Délai d’affichage — La clé d’une expérience en temps réel réussie

En ce qui concerne le temps de latence, plusieurs composants du système contribuent au retard subi par l’utilisateur. Dans notre cas, nous allons nous concentrer sur la partie associée au module d’affichage, laquelle se divise en deux composantes :

Temps d’affichage (pixels) = délai d’actualisation des données pixel + délai de basculement des pixels

La première composante, appelée « délai d’actualisation des données pixel », désigne le temps dont a besoin le système d’affichage pour « charger » une nouvelle valeur de données dans un pixel. Dans de nombreuses architectures de modules d’affichage, ce délai correspond à une ou plusieurs « latences inter-images » (frame times), la mesure étant effectuée entre l’entrée et le module. En prenant un retard d’image (frame), le délai sera d’environ 16,67 ms pour une source à 60 Hz, ce qui est courant dans la mesure où de nombreuses technologies modernes incluent une mémoire d’image pour faciliter le traitement des images. Pour certains modules d’affichage, le délai d’actualisation des données pixel peut être de deux ou plusieurs images.

La deuxième composante du délai d’affichage est le « délai de basculement des pixels », c’est-à-dire le temps nécessaire à un pixel pour passer de son état actuel (on ou off) à l’état opposé. Le basculement est terminé lorsque le pixel est suffisamment stabilisé pour que l’observateur puisse percevoir nettement les nouvelles données à l’œil nu.

Le délai d’actualisation des données pixel et le délai de basculement des pixels définit la durée totale du temps d’affichage telle que la perçoit un observateur humain. Un retard d’affichage de 16,67 ms est souvent considéré comme très bon, mais dans certains cas, le temps de latence peut atteindre, voire dépasser 60 ms.

Les puces DLP® Pico de Texas Instruments atteignent des vitesses qui comptent actuellement parmi les plus élevées et peuvent « retourner » chaque micromiroir numérique (pixel) plusieurs milliers de fois par seconde, ce qui réduit le temps de latence de l’affichage et permet d’atteindre des fréquences d’affichage de 120 Hz tout en conservant une qualité d’image élevée.

Contraste — La clé d’une rencontre visuelle réussie entre contenus numérique et monde réel

Outre une expérience en temps réel avec un temps de latence minime, la solution près de l’œil idéale doit conjuguer un affichage transparent des contenus et une netteté optimale afin de ne pas obstruer la vision du monde réel dont dispose l’utilisateur. Par exemple, si les données à afficher utilisent seulement 20 % de la matrice de pixels du périphérique d’affichage, les 80 % restants doivent être pratiquement invisibles pour l’utilisateur, mêlant ainsi contenus numérique et monde réel.

Il est important de noter que dans un système optique près de l’œil par transparence (see-through NED), l’image n’est pas affichée sur une surface semi-transparente (des lentilles optiques, par exemple). Un affichage projeté sur une surface semi-transparente serait inefficace dans la mesure où une telle surface serait, par définition, très près de l’œil de l’utilisateur, et l’œil n’est pas capable de se concentrer confortablement sur un objet si proche. Au lieu de créer une image sur une surface, le système optique forme une pupille optique et l’œil humain agit comme étant le dernier élément de la chaîne optique, créant ainsi l’image finale sur la rétine.

Un système optique près de l’œil par transparence comprendra un élément optique à guide d’ondes qui reçoit la lumière en entrée et la relaie vers l’œil de l’utilisateur. Non seulement une telle disposition forme la pupille optique nécessaire, mais elle permet également de positionner le micro-affichage, l’optique et l’éclairage de telle sorte que la vue de l’utilisateur ne sera pas obstruée.

Nous savons à présent comment fonctionne un système optique. Mais comment peut-on s’assurer que les zones transparentes de l’image affichée ne gêneront pas la vision de l’utilisateur ? La meilleure méthode consiste à maximiser le rapport de contraste des systèmes optiques. L’image ci-dessous illustre l’impact que le contraste peut avoir sur l’écran, tel que le voit l’utilisateur d’un appareil NED.

Remarque : cette photo est une simulation et non un affichage près de l’œil réel.

Plusieurs éléments d’un système NED peuvent influer sur le rapport de contraste. Les principaux paramètres sont le nombre F de la conception optique et la disponibilité d’algorithmes de traitement d’image avancés. Avec certains appareils à micro-affichage, le facteur de remplissage peut également affecter le contraste quoique généralement dans une moindre mesure.

Dans le domaine optique, le nombre F désigne le rapport entre la longueur focale de l’objectif et le diamètre de la pupille d’entrée. Un nombre F élevé assure un rapport de contraste plus élevé, ainsi qu’une complexité optique réduite et une optique de dimensions inférieures. Bien qu’un nombre F élevé donne un rapport de contraste supérieur, il doit également être équilibré par rapport au champ de vision requis — en effet, un nombre F plus élevé augmentera le contraste tout en réduisant le champ de vision.

Le traitement avancé des images peut également améliorer le rapport de contraste en gérant intelligemment l’éclairage RVB (c’est à dire, la luminosité des LED) en conjonction avec le gain numérique appliqué à chaque image. Par exemple, les nouvelles puces TRP commercialisées par TI DLP bénéficient de la suite d’algorithmes IntelliBright™ qui comprend une fonction baptisée Content Adaptive Illumination Control (CAIC). Cet algorithme peut ajuster intelligemment la luminosité de l’image en fonction de son contenu et de l’éclairage ambiant — ce qui, d’une part, assure une luminosité d’image et un contraste d’image optimum, et d’autre part, optimise la consommation d’énergie du système, autre facteur important de l’affichage près de l’œil.

Une expérience « see through » naturelle grâce à un champ de vision élargi

Le champ de vision horizontal de l’œil humain atteint presque 180 degrés. Sur les casques de réalité augmentée, cet angle est généralement de 20 à 60 degrés, ce qui est suffisant pour une expérience optique naturelle. En comparaison, les lunettes intelligentes ont généralement un champ de vision plus étroit que l’utilisateur doit périodiquement « consulter » de façon artificielle. Dans la plupart des applications d’affichage près de l’œil see-through, la tendance penche vers un champ de vision plus large. Un champ de vision élargi permettra également à l’afficheur d’incruster davantage de contenus dans le champ de vision naturel du monde réel de l’utilisateur, avec à la clé une expérience visuelle de qualité supérieure.

Le champ de vision est contrôlé par trois facteurs de conception majeurs : la diagonale des matrices du micro-afficheur, le nombre F de l’optique et la taille de la pupille à la fin du guide d’ondes. Plusieurs compromis entre ces facteurs doivent être envisagés : Une plus grande diagonale fournira un champ de vision supérieur et, dans la plupart des cas, une résolution plus élevée, mais au détriment de la taille du système ; en effet, la taille de la diagonale induit généralement une optique plus grande. Une conception optique avec un nombre F inférieur correspondra à un champ de vision plus large, mais également à une augmentation de la taille de l’optique et une baisse du contraste. Lorsque la taille de la pupille augmente, le champ de vision diminue. Par exemple, une pupille de 5 mm peut donner un champ de vision de 45 degrés, tandis qu’avec une pupille de 10 mm et un nombre F identique, le champ de vision sera inférieur à 25 degrés.

Alors que de nombreuses solutions d’affichage près de l’œil par transparence (see-through NED) sont en cours de développement, il est essentiel de créer des expériences visuelles qui marient parfaitement contenus numériques et environnement physique. Les défis de conception exigent des compromis qui influent directement sur l’expérience de l’utilisateur final. Pour de plus amples informations sur certains de ces compromis, nous vous renvoyons à la lecture du livre blanc consacré à la technologie DLP pour l’affichage près des yeux. Vous pouvez également contacter la communauté E2E de TI pour explorer des solutions de conception en compagnie d’experts de TI.