ADI-plattformen tilbyr komponenter og verktøy for utvikling av AR-briller med åpen øre-lyd

Integrering av romlig lyd med briller som har utvidet virkelighet (AR – augmented reality) kan skape nedsenkende og interaktive sanseopplevelser for mennesker, slik at en bro bedre kan bygges over skillet mellom det fysiske og digitale. Konstruktører må imidlertid sørge for at AR-briller med forbedret lyd er lette og gir utvidet brukstid for praktisk bruk.

Markedet for smarte AR-briller ser ut til å være på randen av betydelig vekst, med enhetsleveranser som forventes å øke fra litt over 676 000 i 2023 til 13 millioner enheter i 2030, noe som representerer en kombinert årlig vekst på 53 %. Forbedringer i skjermkvalitet, batterilevetid og generell ytelse vil gjøre AR-briller mer praktiske i bruksområder for virksomheter, industri og forbrukere.

AR-briller med innebygde mikrofoner og høyttalere gir rask tilgang til stemmeassistenter og musikkavspilling. De kan være en kritisk faktor når det gjelder å utnytte digitale tvillinger på fabrikkgulvet eller gi syklister navigasjons- og prestasjonsmeldinger.

Romlig hi-fi-lyd kan i stor grad påvirke brukerens AR-opplevelse ved å forbedre teksturen, konteksten og betydningen av visuelle interaksjoner. Å få høyytelseslyd fra AR-briller er imidlertid svært utfordrende på grunn av den lille formfaktoren som trengs for å oppnå brukeraksept og -tilfredshet. I tillegg må disse enhetene være lette og gi utvidet batterilevetid, noe som kan være spesielt utfordrende når funksjoner som høykvalitetslyd, videoopptak eller visuelle skjermer skal integreres.

Lyd- og strømstyring, kombinert med fremskritt innen prosessorkraft og skjermoppløsning, vil spille en avgjørende rolle i å skape vellykkede utrustninger som vil maksimere etterspørselen etter disse enhetene. Noen av utfordringene som må overvinnes:

• Mindre høyttalere har en tendens til å ha høye resonansfrekvenser som kan skade høyttalere hvis de drives for hardt, noe som gjør det vanskeligere å drive dyp bass.
• Støyfri kvalitet på telefonsamtaler som fanger opp brukerens stemme, samtidig som den blokkerer omgivelsesstøy, er viktig, men komplisert på grunn av avstanden mellom mikrofoner og brukerens munn.
• Integrering av flere funksjoner krever bedre batteristyringsløsninger for å sikre raskere lading og lengre kjøretid. Avveiningen mellom vekt, funksjonalitet og brukstid er nøkkelen til utbredt markedsinnføring.
• Mange brukstilfeller krever at brukere ikke hindres i sin evne til å høre hva som skjer i omgivelsene, slik som møtende kjøretøy eller samhandling med medarbeidere.

Åpen øre-lyd (open-ear audio)

Konstruktører som ønsker å kombinere visuell informasjon og lydinformasjon på en naturlig og realistisk måte, bør vurdere åpen øre-lydteknologi. Ved å eliminere behovet for hodetelefoner eller ørepropper, gir åpen øre-lyd brukere muligheten til å høre både AR-lyder og virkelige lyder, noe som gir en sømløs og nedsenkende opplevelse uten at det går på bekostning av samhandlingen med andre brukere og omgivelsene.

Med innebygde mikrofoner og åpen øre-høyttalere, er AR-briller svært godt egnet for AR, så vel som virtuell virkelighet (VR), og utrustninger med blandet virkelighet. Brukere kan kose seg med en mer komfortabel lytteopplevelse, uten at det går på bekostning av lydkvalitet eller naturtrohet. Disse enhetene gjør det mulig for brukere å høre hva som skjer i omgivelsene, slik at de trygt kan opprettholde situasjonsbevissthet og samarbeide med medarbeidere eller samhandle med andre, samtidig som de minimerer risikoen, eller irritasjonen, til andre mennesker som overhører lydinnholdet.

Teknikere kan bruke åpen øre-lyd til å lage elektroniske utrustninger som kombinerer visuell informasjon og lydinformasjon på en naturlig måte. AR-briller med denne teknologien legger til et nytt lag av realisme ved å tilby romlig lyd, som gir brukere lyd som virker å komme fra en bestemt retning og avstand.

Romlig lyd vil være en viktig komponent i utviklingen av åpen øre-teknologi. Det skaper et realistisk og nedsenkende lydmiljø som samsvarer med visuelt innhold og brukerens perspektiv. Apples Vision Pro VR-enheten, for eksempel, har åpen øre-lyd, romlig lydintegrasjon og 3D-ørekartlegging for å forbedre den nedsenkende opplevelsen og eliminere behovet for eksterne hodetelefoner.

Romlig lyd simulerer hvordan lydbølger samhandler med brukerens ører, hode og kropp – og med overflater og objekter i deres fysiske omgivelser – og kan bruke metadata som posisjon, orientering, avstand, hastighet og retning for å justere lydparametrene dynamisk. Disse inkluderer lydvolum, tonehøyde, klangfarge og etterklang, basert på brukerens bevegelse og samhandling.

Utviklingen av åpen øre-lyd for AR-briller krever en forståelse av fordelene og ulempene forbundet med enheten, prinsippene og beste fremgangsmåte for romlig lyddesign og utviklingsverktøy og -rammeverk. Videovisninger og videoopptak er strømkrevende, så virkningsgrad er en svært viktig faktor. Lyd av høy kvalitet og attraktiv design vil spille en stor rolle i kundeaksept, og lading av enhetene må være praktisk og så sjelden som teknologien tillater.

ADIs plattform for AR-briller med åpen øre-lyd

Analog Devices, Inc. (ADI) tilbyr en AR-brilleplattform som inkluderer integrert lydopptak, avspilling, batteristyringskomponenter og algoritmer. Disse komponentene og utviklingsverktøyene gir konstruktører en rask vei til å bygge og teste AR-briller med åpen øre-lyd.

ADIs lydprosessorkodeker bruker selskapets Pure Voice-behandlingsalgoritmer til å forbedre taleoppringingskvaliteten i utfordrende akustiske miljøer, og Dynamic Speaker Management (DSM™)-algoritmer til å skape høyere og rikere lyd fra plassbegrensede høyttalerutrustninger.

• ADAU1860 (figur 1) har en DSP-kjerne med HiFi 3z-lyd og en FastDSP-kjerne med lav latenstid, samt åtte DMIC-inngangskanaler (DMIC – digital microphone), tre analoge innganger, én analog utgang og to PDM-utgangskanaler (PDM – pulse density modulation). Optimalisering av banen mellom den analoge inngangen og DSP-kjernen for lav latenstid, er ideell for støyreduksjon.

Figur 1: ADIs ADAU1860-kodek innlemmer blant annet to DSP-er, åtte digitale mikrofoninnganger og tre analoge innganger. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

• ADAU1797 er et kodekalternativ med lavt strømforbruk og høyere ytelse, som også integrerer en DSP-kjerne med HiFi 3z-lyd og en FastDSP-kjerne med lav latenstid, sammen med tre analoge inngangskanaler, 10 DMIC-inngangskanaler, to PDM-utgangskanaler og en klasse D-forsterkerutgangskanal med høy virkningsgrad. I lavenergimodus er DSP-kjernene optimalisert for utrustninger med liten formfaktor, for eksempel AR-briller med åpen øre-lyd. I høyytelsesmodus økes HiFi 3z-kjernen fra 50 MHz til 200 MHz, og FastDSP støtter dobbelt så mange instruksjoner (fra 64 til 128). Dens økte prosesseringskapasitet kan enten avlaste sykluser fra vertsprosessoren eller muliggjøre bruken av en rimeligere vertsprosessor uten at det er behov for noen ekstra ekstern lyd-DSP (digital lydprosessor) eller mikrokontroller (MCU).
• ADI tilbyr evalueringskort for hver av disse kodekene. EVAL-ADAU1797Z (figur 2) er en 8-lags konstruksjon, med et jordplan og en strømflate på de indre lagene, og den kan drives av én enkelt strømforsyning på 3,8 V til 5 V. EVAL-ADAU1860EBZ er en 4-lags konstruksjon, også med et jordplan og en strømflate på de indre lagene, og den kan drives av USB-bussen eller én enkelt strømforsyning på 5 V.

Figur 2: Evalueringskortet EVAL-ADAU1797Z gir full tilgang til alle analoge og digitale innganger/utganger på ADAU1797. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Smarte lydforsterkere fra ADI gir integrert feedback på strøm- og spenningsføling (IV) og høyttalerstyringsalgoritmer for å maksimere ytelsen i formfaktorer der plassen er begrenset.

• MAX98388 er en digital mono-inngangsforsterker i klasse D som er utviklet for AR/VR og smartbriller. Den har IV-tilbakekobling for smartforsterkerfunksjoner og kan avlaste DSM-prosesseringen til lydkodeken. Den er optimalisert for utrustninger på opptil 5,5 V (én celle) og gir en virkningsgrad på opptil 90 %.
• Den nylig introduserte MAX98390 er en forsterket (boosted) klasse D-forsterker med integrert DSM som kan øke lydstyrken (SPL) og bassresponsen for å forbedre lydkvaliteten fra mikrohøyttalere, samtidig som virkningsgraden maksimeres. En integrert boost-omformer og FET-skalering, kombinert med DSM, gir lengre batterilevetid. Den maksimale utgangsspenningen for boost-omformeren kan programmeres fra 6,5 V til 10 V, i trinn på 0,125 V, fra en batterispenning så lav som 2,65 V. MAX98390CEVSYS# (figur 3) inkluderer ADIs DSM Sound Studio GUI (grafisk brukergrensesnitt) for å forenkle utformingen og DSM-implementering for utrustninger som bruker MAX98390CEWX+T.

Figur 3: MAX98390CEVSYS#-evalueringssettet inkluderer DSM Sound Studio-programvare med et kraftig grafisk brukergrensesnitt for å tappe, justere og evaluere MAX98390C-forsterkeren. (Bildekilde: Analog Devices, Inc.)

Strøm er en viktig konstruksjonsfaktor for AR-briller. Høyttalere med åpen øre-teknologi krever mer strøm enn vanlig hodetelefonstyring, og ADI tilbyr flere effektive strømstyrings-IC-er som konstruktører kan bruke i sine utrustninger:

• ADIs strømstyrings-IC-er (PMIC – power management integrated circuit) i MAX77654-serien gir svært integrerte løsninger for batterilading og strømforsyning. Den har én enkelt SIMO-regulator (SIMO – single-inductor, multiple-output), som har én induktor og flere utganger, og gir tre uavhengig programmerbare strømskinner fra én enkelt induktor for å minimere størrelsen på utrustningen. En Smart Power Selector™ Li+/Li-Poly-lader gir programmerbar ladestrøm fra 7,5 mA til 300 mA, og en programmerbar ladespenning fra 3,6 V til 4,6 V, med batteritemperaturovervåking som gir sikker lading. Den har to lineære 100 mA-regulatorer med lav dropout-spenning (LDO) for å gi rippelavvisning for lyd og andre støyfølsomme utrustninger.
• MAX77659 PMIC-er har en SIMO-buck-boost-regulator med to innganger som gir én ladestrømskinne og tre uavhengig programmerbare strømskinner fra én enkelt induktor og én LDO for rippelavvisning.
• ADIs MAX77972 er en tre-i-én-kombinasjonsbrikke som omfatter USB-C-deteksjon, en 3 A-lader og en drivstoffmåler. Den støtter omvendt spenningsøkning (boost) for USB On-The-Go (OTG) og inkluderer en Smart Power Selector™ (SPS). Drivstoffmåleren bruker ModelGauge™ m5-algoritmen, som automatisk kompenserer for cellealdring, temperatur og utladningshastighet, og gir nøyaktig ladetilstand (SOC) over et bredt spekter av driftsforhold. Deteksjonspinnene for USB Type-C-konfigurasjonskanalen (CC) aktiverer automatisk USB Type-C-strømkildedeteksjon og strømgrensekonfigurasjon for inngangsstrøm.
• MAX17301 er en frittstående drivstoffmåler-IC på batteripakke-siden. Den gir beskyttelse, valgfri detektering av batteriets interne selvutlading og valgfri SHA-256-autentisering for litiumion-/polymerbatterier med én celle. Et grensesnitt for 1-leders eller 2-leders I²C gir tilgang til data og styringsregistre.
• ADIs MAX17332 er en batteristyringsløsning med én brikke som inkluderer en lineær lader, en drivstoffmåler, batteribeskyttelse og selvutladningsdeteksjon. Den kan balansere blandet batterikapasitet og gi rask lading som er i stand til å uavhengig lade parallelle batterier og forhindre krysslading.

Konklusjon

Lyd har vært en stor begrensning når det gjelder å oppnå potensialet til AR-utrustninger, som vanligvis har fokusert på maskinsyn. Åpen øre-lyd gir en mulighet til å oppfylle dette potensialet med lettere, fasjonable og komfortable AR-briller som er i stand til å støtte mange bruksmønstre. ADI har satt sammen en plattform med komponenter, verktøy og programvare for å lage komplette løsninger.