Platforma ADI poskytuje součástky a nástroje pro vývoj AR brýlí se zvukem do otevřených uší

Integrace prostorového zvuku s brýlemi pro rozšířenou realitu („augmented reality“, AR) může vytvořit pohlcující a interaktivní lidské smyslové zážitky, které lépe překlenou propast mezi fyzickým a digitálním světem. Konstruktéři však musí zajistit, aby byly AR brýle s vylepšeným zvukem pro praktické použití lehké a umožňovaly delší dobu provozu.

Trh s chytrými AR brýlemi se zdá být na pokraji výrazného růstu, přičemž se předpokládá, že počet kusů vzroste z něco málo přes 676 000 v roce 2023 na 13 milionů kusů v roce 2030, což představuje složenou roční míru růstu 53 %. Díky zlepšení kvality displeje, výdrže baterie a celkového výkonu budou AR brýle při firemním, průmyslovém a spotřebitelském použití praktičtější.

AR brýle se zabudovanými mikrofony a reproduktory poskytují rychlý přístup k hlasovým asistentům a přehrávání hudby. Mohou být rozhodujícím faktorem při využívání digitálních dvojčat v továrně nebo při poskytování navigačních a výkonnostních pokynů cyklistům.

Vysoce věrný prostorový zvuk může výrazně ovlivnit uživatelský zážitek z rozšířené reality tím, že vylepší texturu, kontext a význam vizuálních interakcí. Získání vysoce výkonného zvuku z AR brýlí je však obzvláště náročné kvůli malým rozměrům, které jsou nutné k tomu, aby je uživatelé přijali a byli spokojení. Kromě toho musí být tato zařízení lehká a musí poskytovat delší výdrž baterie, což může být obzvláště náročné, pokud jsou do aplikace začleněny funkce, jako je vysoce kvalitní zvuk, nahrávání videa nebo vizuální zobrazení.

Spolu s pokrokem v oblasti výpočetního výkonu a rozlišení displeje bude hrát klíčovou roli při vytváření úspěšných aplikací, které maximalizují poptávku po těchto zařízeních, správa zvuku a napájení. Mezi výzvy, které je třeba překonat, patří:

• Menší reproduktory mají tendenci k vysokým rezonančním frekvencím, které mohou reproduktory poškodit, pokud jsou řízeny příliš silně, a ztěžují řízení hlubokých basů.
• Kvalita hovoru bez šumu, která zachycuje hlas nositele a zároveň blokuje šum okolí, je zásadní, ale komplikovaná kvůli vzdálenosti mezi mikrofony a ústy uživatele.
• Integrace více funkcí vyžaduje lepší řešení správy baterií, které zajistí rychlejší nabíjení a delší dobu provozu. Klíčem k širokému přijetí na trhu je kompromis mezi hmotností, funkcemi a dobou provozu.
• Mnoho případů použití vyžaduje, aby uživatelé nebyli omezováni ve schopnosti slyšet, co se děje v jejich okolí, jako jsou blížící se vozidla nebo interakce se spolupracovníky.

Zvuk do otevřených uší

Konstruktéři, kteří se snaží přirozeně a realisticky propojit vizuální a sluchové informace, by měli zvážit technologii zvuku do otevřených uší. Díky eliminaci potřeby sluchátek nebo špuntů do uší poskytuje zvuk do otevřených uší uživatelům možnost slyšet jak zvuky rozšířené reality, tak zvuky reálného světa, což umožňuje plynulý a pohlcující zážitek, aniž by byla ohrožena interakce s ostatními uživateli a prostředím.

Díky vestavěným mikrofonům a reproduktorům do otevřených uší jsou AR brýle velmi vhodné pro aplikace rozšířené reality, virtuální reality („virtual reality“, VR) a smíšené reality. Uživatelé si mohou vychutnat pohodlnější poslech bez kompromisů v oblasti kvality nebo věrnosti zvuku. Tato zařízení umožňují uživatelům slyšet, co se děje v jejich okolí, takže si mohou udržovat situační povědomí, aby zajistili bezpečnost a spolupracovali se spolupracovníky nebo interagovali s ostatními, a zároveň minimalizují riziko (nebo obtěžování), že by zvukový obsah zaslechli ostatní lidé.

Technici mohou využívat zvuk do otevřených uší k vytvoření elektronických aplikací, které přirozeným způsobem kombinují vizuální a sluchové informace. AR brýle s touto technologií přidávají další vrstvu realismu tím, že poskytují prostorový zvuk, který uživatelům poskytuje zvuk vypadající, že přichází z určitého směru a vzdálenosti.

Prostorový zvuk bude klíčovou součástí vývoje zvuku do otevřených uší. Vytváří realistické a pohlcující zvukové prostředí, které odpovídá vizuálnímu obsahu a perspektivě uživatele. Například zařízení Vision Pro VR od společnosti Apple nabízí zvuk do otevřených uší, integraci prostorového zvuku a 3D mapování uší, které zlepšují pohlcující zážitek a eliminují potřebu externích sluchátek.

Simulací způsobu, jakým zvukové vlny interagují s ušima, hlavou a tělem uživatele – a s povrchy a předměty v jeho fyzickém prostředí – může prostorový zvuk k dynamickému přizpůsobení parametrů zvuku využívat také metadata, jako jsou poloha, orientace, vzdálenost, rychlost a směr. Patří mezi ně hlasitost, výška tónu, barva a dozvuk na základě pohybu a interakce uživatele.

Navrhování aplikací se zvukem do otevřených uší pro AR brýle vyžaduje pochopení výhod a nevýhod tohoto zařízení, principů a osvědčených postupů návrhu prostorového zvuku a vývojových nástrojů a rámců. Zobrazování a nahrávání videa jsou energeticky náročné, takže je rozhodující efektivita. Velkou roli v přijetí zákazníky budou hrát vysoce kvalitní zvuk a atraktivní design a nabíjení zařízení musí být pohodlné a tak málo časté, jak jen technologie dovolí.

Platforma společnosti ADI pro aplikace AR brýlí se zvukem do otevřených uší

Společnost Analog Devices, Inc. (ADI) nabízí platformu pro AR brýle, která zahrnuje integrované součástky pro snímání a přehrávání zvuku, pro správu baterií a algoritmy. Tyto součástky a vývojové nástroje poskytují konstruktérům rychlou cestu k vytváření a testování aplikací pro AR brýle se zvukem do otevřených uší.

Kodeky zvukového procesoru společnosti ADI využívají algoritmy zpracování Pure Voice této společnosti pro zlepšení kvality hlasových hovorů v náročných akustických prostředích a algoritmy Dynamic Speaker Management (DSM™) pro vytváření hlasitějšího a bohatšího zvuku z aplikací s prostorově omezenými reproduktory.

• Kodek ADAU1860 (obrázek 1) obsahuje jádro HiFi 3z zvukového DSP a jádro FastDSP s nízkou latencí spolu s osmi digitálními vstupními kanály pro mikrofon („digital microphone input channel“, DMIC), třemi analogovými vstupy, jedním analogovým výstupem a dvěma výstupními kanály pulzně hustotní modulace („pulse density modulation“, PDM). Optimalizace cesty mezi analogovým vstupem a jádrem DSP pro nízkou latenci je ideální pro potlačení šumu.

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

• Model ADAU1797 je varianta kodeku s nízkou spotřebou a vyšším výkonem, který také integruje jádro HiFi 3z zvukového DSP a jádro FastDSP s nízkou latencí spolu se třemi analogovými vstupními kanály, 10 vstupními kanály DMIC, dvěma výstupními kanály PDM a výstupním kanálem zesilovače třídy D s vysokou účinností. V režimu nízké spotřeby jsou jádra DSP optimalizována pro aplikace malých rozměrů, jako jsou například AR brýle se zvukem do otevřených uší. V režimu vysokého výkonu je jádro HiFi 3z posíleno z 50 MHz na 200 MHz a FastDSP podporuje dvojnásobný počet instrukcí ze 64 na 128. Jeho zvýšená schopnost zpracování může být použita k odlehčení cyklů hostitelského procesoru nebo k umožnění použití levnějšího hostitelského procesoru bez potřeby dalšího externího zvukového DSP nebo MCU.
• Pro oba tyto kodeky nabízí společnost ADI vyhodnocovací desky. Deska EVAL-ADAU1797Z (obrázek 2) je osmivrstvá se zemnicí a napájecí rovinou na vnitřních vrstvách a lze ji napájet z jediného zdroje 3,8 V až 5 V. Deska EVAL-ADAU1860EBZ je čtyřvrstvá, také se zemnicí a napájecí rovinou na vnitřních vrstvách, a lze ji napájet ze sběrnice USB nebo z jediného zdroje 5 V.

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

Chytré audiozesilovače od společnosti ADI poskytují integrovanou zpětnou vazbu s proudovým a napěťovým snímáním (IV) a algoritmy pro správu reproduktorů, které maximalizují výkon v prostorově náročných tvarových faktorech.

• Zařízení MAX98388 je monofonní digitální vstupní zesilovač třídy D určený pro aplikace AR/VR a chytré brýle. Je vybaven zpětnou vazbou IV pro funkce chytrého zesilovače a dokáže 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 model MAX98390 je zesílený zesilovač třídy D s integrovaným DSM, který při maximalizaci účinnosti dokáže zvýšit hlasitost (SPL) a basovou odezvu pro zvýšení kvality zvuku z mikroreproduktorů. Integrovaný boost převodník a škálování FET spolu s DSM zajišťují delší provoz na baterie. Maximální výstupní napětí boost převodníku je programovatelné od 6,5 V do 10 V v krocích po 0,125 V z napětí baterie již od 2,65 V. Zařízení MAX98390CEVSYS# (obrázek 3) obsahuje grafické uživatelské rozhraní DSM Sound Studio společnosti ADI, které zjednodušuje návrh a implementaci DSM pro aplikace využívající zesilovač MAX98390CEWX+T.

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

Rozhodujícím konstrukčním faktorem pro AR brýle je výkon. Reproduktory se zvukem do otevřených uší vyžadují více energie než typická správa sluchátek a společnost ADI nabízí několik účinných integrovaných obvodů správy napájení, které mohou konstruktéři pro své aplikace využít:

• Integrované obvody správy napájení („power management integrated circuit“, PMIC) řady MAX77654 společnosti ADI poskytují vysoce integrované řešení pro nabíjení baterií a napájení. Díky regulátoru s jedním induktorem a více výstupy („single-inductor, multiple-output“, SIMO) poskytují tři nezávisle programovatelná napájecí vedení z jediného induktoru, čímž minimalizují velikost řešení. 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 100mA lineární regulátory s nízkým úbytkem napětí („low-dropout linear regulator“, LDO), které zajišťují potlačení zvlnění pro zvukové aplikace a jiné aplikace citlivé na šum.
• Obvody PMIC MAX77659 jsou vybaveny dvouvstupovým regulátorem SIMO buck-boost, který poskytuje jedno nabíjecí vedení a tři nezávisle programovatelná napájecí vedení z jednoho induktoru a jednoho LDO pro potlačení zvlnění.
• Zařízení MAX77972 společnosti ADI je kombinovaný čip tři v jednom, který zahrnuje detekci USB-C, nabíječku buck 3 A a palivoměr. Podporuje zpětný boost USB On-The-Go (OTG) a obsahuje funkci Smart Power Selector™ (SPS). Palivoměr využívá algoritmus ModelGauge™ m5, který automaticky kompenzuje stárnutí článků, teplotu a rychlost vybíjení a poskytuje přesný stav nabití („state-of-charge“, SOC) v širokém rozsahu provozních podmínek. Detekční piny konfiguračního kanálu („Configuration Channel“, CC) USB typu C umožňují automatickou detekci napájecího zdroje USB typu C a konfiguraci omezení vstupního proudu.
• Zařízení MAX17301 je samostatný integrovaný obvod palivoměru na straně pouzdra. Poskytuje ochranu, volitelnou detekci vnitřního samovybíjení baterie a volitelné ověřování SHA-256 pro jednočlánkové lithium-iontové/polymerové baterie. Přístup k datovým a řídicím registrům zajišťuje 1- nebo 2vodičové rozhraní I²C společnosti Maxim.
• Zařízení MAX17332 společnosti ADI je jednočipové řešení správy baterie, které zahrnuje lineární nabíječku, palivoměr, ochranu baterií a detekci samovybíjení. Dokáže vyrovnávat kapacitu smíšených baterií a zajišťovat rychlé nabíjení, přičemž dokáže nezávisle nabíjet paralelní baterie a zabraňovat křížovému nabíjení.

Závěr

Zvuk byl hlavním omezením při dosahování potenciálu aplikací rozšířené reality, které se obvykle zaměřovaly na vidění. Zvuk do otevřených uší poskytuje příležitost k naplnění tohoto potenciálu pomocí lehčích, módních a pohodlných AR brýlí, které jsou schopny podporovat řadu případů použití. Společnost ADI sestavila platformu součástek, nástrojů a softwaru pro vytvoření kompletních řešení.