Počet prodaných kusů chytrých brýlích s rozšířenou realitou (AR - augmented reality) v roce 2023 bylo 676 000 a předpokládá se jeho růst až na 13 milionů kusů v roce 2030. To představuje roční růst o 53 %. Brýle pro rozšířenou realitu AR se zabudovanými mikrofony a reproduktory se mohou uplatnit také při využití digitálních dvojčat v průmyslu. Realistický prostorový zvuk výrazně ovlivňuje uživatelský zážitek z AR vylepšením textury, kontextu a významu vizuálních interakcí. Získání realistického prostorového zvuku je náročným úkolem vzhledem k malému prostoru, který je v brýlích k dispozici. Kromě toho musí mít brýle malou hmotnost a musí mít co nejdelší výdrž baterie. Poskytnout dostatečný výpočetní výkon pro vysoké rozlišení displeje při velmi nízké spotřebě energie není jedinou překážkou, kterou je nutné vyřešit. Mezi další problémy patří:

• Malé reproduktory mají tendenci mít vysokou rezonanční frekvenci, která je může poškodit, pokud jsou buzeny příliš silně. Dále neumožňují reprodukci hlubokých basů jak by se vyžadovalo.
• Kvalita hovoru bez šumu, která zachycuje hlas uživatele a zároveň blokuje okolní hluk, je komplikovanou ale nezbytnou záležitostí . Příčiny problému jsou ve vzdálenosti mezi mikrofony a ústy uživatele.
• Integrace náročných funkcí vyžaduje lepší řešení správy baterie, která zajistí rychlejší nabíjení a delší dobu provozu. Kompromis mezi hmotností, funkcionalitami a životností je klíčem k širokému přijetí na trhu.
• Existuje mnoho případů, aby uživatelům nebylo bráněno slyšet, co se děje v jejich okolí. Někdy je nutné slyšet protijedoucí vozidla nebo svého spolupracovníka, aby nedocházelo ke kolizím.

Open Ear audio

Spojením vizuální a sluchové informace se dosáhne přirozeného realistického vjemu. K tomuto účelu se využívá technologie tzv. Open Ear audio. To znamená interpretace zvuku bez použití sluchátek nebo „špuntů“ do uší. Díky tomu lze slyšet zvuky uvnitř brýlí tak i zvuky skutečného světa. Díky tomu lze poskytnout bezproblémový a pohlcující zážitek, aniž by byla ohrožena interakce s ostatními uživateli a prostředím. Uživatelé si mohou vychutnat pohodlnější poslech bez kompromisů v kvalitě nebo věrnosti zvuku. Možnost slyšet, co se děje v okolí uživatele, je důležité pro zachování situačního povědomí, aby se zajistila bezpečnost. Uživatelé mohou navzájem interagovat a zároveň se minimalizuje riziko nebo obtěžování, že by ostatní lidé zaslechli zvukový obsah z brýlí. Proto Vision Pro VR od společnosti Apple využívá technologii open ear sound a integraci prostorového zvuku a 3D mapování uší pro zlepšení zážitku.

Pro vytvoření dokonalého prostorového zvuku je nutné využívat i dostupná metadata jako je poloha, orientace, vzdálenost, rychlost a směr k dynamickému přizpůsobení parametrů zvuku. Díky tomu lze přizpůsobit hlasitost, výšku tónu, zabarvení a dozvuk na základě pohybu a interakce uživatele. Zobrazování a nahrávání videa jsou energeticky náročné procesy, takže jejich účinnost je rozhodujícím faktorem pro výdrž baterie. Atraktivní design hraje také roli pro zákazníky, včetně nabíjení, které musí být rychlé a pohodlné.

Platforma ADI pro aplikace s otevřenými audio brýlemi AR

Analog Devices, Inc. (ADI) nabízí platformu pro vývoj AR brýlí, která zahrnuje integrované snímání zvuku, přehrávání audia i videa, komponenty pro správu baterie a sofistikované algoritmy. Tyto komponenty a vývojové nástroje poskytují návrhářům rychlou cestu k vytváření a testování aplikací s open ear audio technologií. Audio kodeky využívají algoritmy zpracování Pure Voice pro zlepšení kvality hlasového volání v náročných akustických prostředích a algoritmy Dynamic Speaker Management (DSM) pro vytváření hlasitějšího a bohatšího zvuku z prostorově omezených reproduktorových aplikací.

• ADAU1860 (obrázek 1) obsahuje jádro HiFi 3z audio DSP a jádro FastDSP s nízkou latencí, spolu s osmi vstupními kanály digitálního mikrofonu (DMIC), třemi analogovými vstupy, jedním analogovým výstupem a dvěma výstupními kanály modulace pulzní hustoty (PDM). Optimalizace cesty mezi analogovým vstupem a jádrem DSP pro nízkou latenci je ideální volbou pro potlačení šumu.

Obrázek 1: Kodek ADI ADAU1860 obsahuje mimo jiné dva DSP, osm digitálních mikrofonních vstupů a tři analogové vstupy. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

• ADAU1797 je volitelný kodek s nízkou spotřebou a vyšším výkonem, který také integruje jádro HiFi 3z audio DSP a jádro FastDSP s nízkou latencí, spolu se třemi analogovými vstupními kanály, 10 vstupními kanály DMIC, dvěma výstupními kanály PDM a výstupní kanál zesilovače třídy D. V režimu nízké spotřeby jsou jádra DSP optimalizována pro aplikace s malým tvarovým faktorem, jako jsou například brýle AR s open ear audio. Ve výkonném režimu je jádro HiFi 3z posíleno z 50 MHz na 200 MHz a FastDSP podporuje dvojnásobný počet instrukcí od 64 do 128. Je schopen vlastního zpracování zvuku a tak ho lze využít k odlehčení hostitelského procesoru nebo použití levnějšího hostitelského procesoru bez potřeby dalšího externího audio DSP nebo MCU.
• ADI nabízí zkušební desky pro každý z těchto kodeků. EVAL-ADAU1797Z (obrázek 2) je 8-vrstvý design se zemnicí a napájecí plochou ve vnitřních vrstvách. Je napájen jediným zdrojem v rozsahu od 3,8 V až do 5 V. EVAL-ADAU1860EBZ je 4-vrstvý design, také se zemnící a napájecí plochou ve vnitřních vrstvách, a je napájen ze sběrnice USB nebo z jediného 5 V zdroje.

Obrázek 2: Vyhodnocovací deska EVAL-ADAU1797Z poskytuje plný přístup ke všem analogovým a digitálním vstupům/výstupům na ADAU1797. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Inteligentní audio zesilovače od ADI poskytují integrovanou zpětnou vazbu se senzorem proudu a napětí (IV) a algoritmy pro správu reproduktorů.

• MAX98388 je mono digitální vstupní zesilovač třídy D určený pro aplikace AR/VR a chytré brýle. Je vybaven IV zpětnou vazbou pro funkce inteligentního zesilovače a je schopen přenést zpracování DSM na zvukový kodek. Je optimalizován pro aplikace s napětím až 5,5 V (jeden článek) a poskytuje účinnost až 90 %.
• Nedávno představený MAX98390 je vylepšený zesilovač třídy D s integrovaným DSM, který je schopen zvýšit hlasitost (SPL) a basovou odezvu pro zlepšení kvality zvuku z mikroreproduktorů a zároveň dosáhnout maximální účinnosti. Integrovaný boost konvertor a FET škálování spolu s DSM zajišťují delší provoz na baterie. Maximální výstupní napětí zesilovacího převodníku je programovatelné od 6,5 V do 10 V v krocích po 0,125 V od napětí baterie až po 2,65 V. MAX98390CEVSYS# (obrázek 3) obsahuje grafické uživatelské rozhraní DSM Sound Studio od ADI pro zjednodušení návrhu a implementace DSM pro aplikace využívající MAX98390CEWX+T .

Obrázek 3: Vyhodnocovací deska MAX98390CEVSYS# obsahuje software DSM Sound Studio s výkonným GUI pro extrahování, ladění a vyhodnocování zesilovače MAX98390C. (Zdroj obrázku: Analog Devices, Inc.)

Výkon je kritickým konstrukčním faktorem pro brýle AR. Zvukové reproduktory s open ear audio vyžadují více energie než typická správa sluchátek. ADI nabízí několik účinných integrovaných obvodů pro správu napájení:

• Integrované obvody řízení spotřeby (PMIC) řady ADI MAX77654 poskytují vysoce integrované řešení nabíjení baterií a napájení. Obsahuje jednoinduktorový regulátor s více výstupy (SIMO) a poskytuje tři nezávisle programovatelné napájecí zdroje z jediné tlumivky pro minimalizaci velikosti. Nabíječka Smart Power Selector Li+/Li-Poly poskytuje programovatelný nabíjecí proud od 7,5 mA do 300 mA a programovatelné nabíjecí napětí od 3,6 V do 4,6 V s monitorováním teploty baterie pro bezpečné nabíjení. Obsahuje dva 100 mA LDO regulátory, které zajišťují potlačení zvlnění pro audio a další aplikace citlivé na šum.
• MAX77659 PMIC jsou vybaveny dvouvstupovým regulátorem SIMO buck-boost, který poskytuje jeden nabíjecí zdroj a tři nezávisle programovatelné napájecí zdroje z jediné induktoru a jednoho LDO pro potlačení zvlnění.
• ADI MAX77972 je kombinovaný čip tři v jednom, který zahrnuje detekci USB-C, nabíječku za 3 A a obvod pro určení stavu nabití baterie. Podporuje USB On-The-Go (OTG) a obsahuje Smart Power Selector (SPS). Obvod pro určení stavu baterie využívá algoritmus ModelGauge m5, který automaticky kompenzuje stárnutí článků, teplotu a rychlost vybíjení a poskytuje přesný stav nabití (SOC) v širokém rozsahu provozních podmínek. Detekční piny USB Type-C Configuration Channel (CC) umožňují automatickou detekci napájecího zdroje USB Type-C a konfiguraci omezení vstupního proudu.
• MAX17301 je samostatný integrovaný obvod pro určení stavu baterie. Poskytuje ochranu, volitelnou detekci vnitřního samovybíjení baterie a volitelné ověřování SHA-256 pro 1článkové lithium-ion/polymerové baterie. Rozhraní Maxim 1-wire nebo 2-wire I²C poskytuje přístup k datům a řídicím registrům.
• MAX17332 je řešení správy jednočipové baterie, které zahrnuje lineární nabíječku, obvody pro stav baterie, ochranu baterie a detekci samovybíjení. Dokáže vyvážit smíšenou kapacitu baterie a poskytnout rychlé nabíjení se schopností nezávisle nabíjet paralelní baterie a zabránit křížovému nabíjení.

Závěr

Nerealistický zvuk byl hlavním omezením pro rozšíření potenciálu aplikací rozšířené reality (AR). Open ear audio vše změnilo, jelikož poskytuje dokonalý prostorový zvuk a zároveň umožňuje naplnit potenciál s lehčími, módními a pohodlnými brýlemi pro AR. ADI nabízí platformu komponent, nástrojů a software pro vývoj brýlí s rozšířenou realitou.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com