Platforma ADI oferă componente și instrumente pentru dezvoltarea ochelarilor AR cu sunet open-ear

Integrarea sunetului spațial cu ochelarii de realitate augmentată (AR) poate crea experiențe senzoriale umane imersive și interactive, reducând și mai mult decalajul dintre mediul fizic și cel digital. Totuși, proiectanții trebuie să se asigure că ochelarii AR cu audio sunt ușori și oferă o durată de funcționare extinsă pentru utilizare practică.

Piața ochelarilor AR inteligenți pare să se afle în pragul unei creșteri substanțiale, estimându-se că numărul de unități livrate va crește de la puțin peste 676 000 în 2023 până la 13 milioane de unități în 2030, reprezentând o rată de creștere anuală compusă de 53 %. Îmbunătățirea calității afișajului, a autonomiei bateriei și a performanței generale va face ca ochelarii AR să devină mai practici în cazurile de utilizare ale întreprinderilor, industriei și ale consumatorilor.

Ochelarii AR cu microfoane și difuzoare încorporate oferă acces rapid la asistenții vocali și la redarea muzicii. Acestea pot fi factori esențiali pentru valorificarea gemenilor digitali în fabrică sau pentru furnizarea de indicații de navigație și performanță bicicliștilor.

Sunetul spațial de înaltă fidelitate poate avea un impact semnificativ asupra experienței AR a utilizatorului prin îmbunătățirea texturii, contextului și semnificației interacțiunilor vizuale. Dar obținerea sunetului de înaltă performanță cu ochelarii AR este o provocare deosebită din cauza factorului de formă mic care este necesar pentru a obține acceptarea și satisfacția utilizatorului. În plus, aceste dispozitive trebuie să fie ușoare și să ofere o durată de viață extinsă a bateriei, ceea ce poate fi o provocare deosebită atunci când se încorporează în aplicație caracteristici precum sunet de înaltă calitate, înregistrare video sau afișaje vizuale.

Împreună cu progresele în ceea ce privește puterea de procesare și rezoluția ecranului, gestionarea audio și a energiei va juca un rol crucial în crearea de aplicații de succes care vor maximiza cererea pentru aceste dispozitive. Printre provocările care trebuie depășite se numără:

• Difuzoarele mai mici tind să aibă frecvențe de rezonanță ridicate, care pot deteriora difuzoarele dacă sunt acționate prea tare și fac mai dificilă acționarea basului profund.
• Calitatea apelurilor fără zgomot, care captează vocea purtătorului în timp ce blochează zgomotul ambiental, este esențială, dar complicată din cauza distanței dintre microfoane și gura utilizatorului.
• Integrarea mai multor caracteristici necesită soluții mai bune de gestionare a bateriei pentru a asigura o încărcare mai rapidă și o durată de funcționare mai lungă. Compromisul dintre greutate, funcționalitate și timpul de funcționare este esențial pentru adoptarea pe scară largă pe piață.
• În multe cazuri de utilizare se impune ca utilizatorii să poată auzi în continuare ce se întâmplă în jur, cum ar fi vehiculele care vin din sens opus sau interacțiunile cu colegii de muncă.

Sunet „open-ear”

Proiectanții care se străduiesc să combine informațiile vizuale și auditive într-un mod natural și realist ar trebui să ia în considerare tehnologia audio open-ear. Prin eliminarea nevoii de utilizare a căștilor sau a căștilor intraauriculare, sistemul audio open-ear oferă utilizatorilor posibilitatea de a auzi atât sunete AR, cât și sunete din lumea reală, permițând o experiență continuă și imersivă, fără a compromite interacțiunea cu alți utilizatori și cu mediul înconjurător.

Cu microfoane încorporate și difuzoare de tip open-ear, ochelarii AR sunt foarte potriviți pentru aplicații AR, precum și pentru realitate virtuală (VR) și realitate mixtă. Utilizatorii se pot bucura de o experiență de ascultare mai confortabilă, fără a compromite calitatea sau fidelitatea sunetului. Aceste dispozitive permit utilizatorilor să audă ce se întâmplă în mediul înconjurător, astfel încât să rămână conștienți în toate situațiile, pentru a-și menține siguranța și a colabora cu colegii de muncă sau a interacționa cu alte persoane, minimizând în același timp riscul – sau deranjul – ca alte persoane să audă conținutul audio.

Inginerii pot utiliza sistemul audio open-ear pentru a crea aplicații electronice care combină informațiile vizuale și auditive într-un mod natural. Ochelarii AR cu această tehnologie adaugă un alt nivel de realism prin furnizarea de sunet spațial care oferă utilizatorilor un sunet care pare să vină dintr-o anumită direcție și de la o anumită distanță.

Sunetul spațial va fi o componentă cheie a dezvoltării sunetului cu tehnologie de tip open-ear. Acesta creează un mediu sonor realist și captivant care se potrivește cu conținutul vizual și cu perspectiva utilizatorului. Dispozitivul Apple Vision Pro VR, de exemplu, dispune de sunet open-ear, integrare audio spațială și cartografiere 3D a urechii pentru a îmbunătăți experiența imersivă și a elimina nevoia de căști externe.

Simulând modul în care undele sonore interacționează cu urechile, capul și corpul unui utilizator, precum și cu suprafețele și obiectele din mediul său fizic, sunetul spațial poate utiliza și metadate precum poziția, orientarea, distanța, viteza și direcția pentru a ajusta în mod dinamic parametrii sunetului. Acestea includ volumul, tonul, timbrul și reverberația, în funcție de mișcarea și interacțiunea utilizatorului.

Proiectarea aplicațiilor audio open-ear pentru ochelarii AR necesită o înțelegere a beneficiilor și dezavantajelor dispozitivului, a principiilor și bunelor practici de proiectare a sunetului spațial, precum și a instrumentelor și cadrelor de dezvoltare. Afișajele video și înregistrarea video consumă multă energie, astfel că eficiența este esențială. Sunetul de înaltă calitate și designul atractiv vor juca un rol important în acceptarea de către clienți, iar încărcarea dispozitivelor trebuie să fie convenabilă și cât mai rară posibil din punct de vedere tehnologic.

Platforma ADI pentru aplicații ale ochelarilor AR cu sunet open-ear

Analog Devices, Inc. (ADI) oferă o platformă pentru ochelari AR care include componente integrate de captură audio, redare, gestionare a bateriei și algoritmi. Aceste componente și instrumente de dezvoltare oferă proiectanților o cale rapidă de a construi și testa aplicații audio open-ear pentru ochelarii AR.

Codecurile procesorului audio de la ADI utilizează algoritmii de procesare Pure Voice ai companiei pentru a îmbunătăți calitatea apelurilor vocale în medii acustice dificile și algoritmii Dynamic Speaker Management (DSM™) pentru a crea un sunet mai puternic și mai bogat din aplicații cu difuzoare cu spațiu limitat.

• ADAU1860 (Figura 1) are un nucleu DSP audio HiFi 3z și un nucleu FastDSP cu latență redusă, împreună cu opt canale de intrare pentru microfon digital (DMIC), trei intrări analogice, o ieșire analogică și două canale de ieșire cu modularea densității impulsurilor (PDM). Optimizarea traseului dintre intrarea analogică și nucleul DSP pentru o latență scăzută este ideală pentru anularea zgomotului.

Figura 1: Codecul ADAU1860 de la ADI încorporează, printre altele, două DSP-uri, opt intrări de microfon digitale și trei intrări analogice. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

• ADAU1797 este o opțiune de codec cu consum redus de energie și performanțe superioare care integrează, de asemenea, un nucleu DSP audio HiFi 3z și un nucleu FastDSP cu latență redusă, împreună cu trei canale de intrare analogice, 10 canale de intrare DMIC, două canale de ieșire PDM și un canal de ieșire cu amplificator de înaltă eficiență din clasa D. În modul cu consum redus de energie, nucleele DSP sunt optimizate pentru aplicații cu factor de formă mic, cum ar fi ochelarii AR cu audio open-ear. În modul de înaltă performanță, nucleul HiFi 3z este amplificat de la 50 MHz la 200 MHz, iar FastDSP acceptă un număr dublu de instrucțiuni, de la 64 la 128. Capacitatea sa crescută de procesare poate fi utilizată pentru a descărca cicluri de la un procesor gazdă sau pentru a permite utilizarea unui procesor gazdă mai ieftin fără a fi nevoie de un DSP audio sau MCU extern suplimentar.
• ADI oferă plăci de evaluare pentru fiecare dintre aceste codecuri. Modelul EVAL-ADAU1797Z (Figura 2) are 8 straturi, cu un plan de masă și un plan de alimentare pe straturile interioare și poate fi alimentat de la o singură sursă de la 3,8 V la 5 V. EVAL-ADAU1860EBZ are un design cu 4 straturi, de asemenea cu un plan de masă și un plan de alimentare pe straturile interioare, și poate fi alimentat de magistrala USB sau de o singură sursă de 5 V.

Figura 2: Placa de evaluare EVAL-ADAU1797Z oferă acces complet la toate intrările/ieșirile analogice și digitale de pe ADAU1797. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Amplificatoarele audio inteligente de la ADI oferă feedback integrat de detectare a curentului și tensiunii (IV) și algoritmi de gestionare a difuzoarelor pentru a maximiza performanța în factori de formă cu spațiu limitat.

• MAX98388 este un amplificator de intrare digitală mono, de clasă D, proiectat pentru aplicații AR/VR și ochelari inteligenți. Acesta dispune de feedback IV pentru caracteristicile de amplificator inteligent și poate descărca procesarea DSM către codecul audio. Este optimizat pentru aplicații de până la 5,5 V (o singură celulă) și oferă o eficiență de până la 90%.
• MAX98390, introdus mai recent, este un amplificator de clasă D amplificat cu DSM integrat care poate crește intensitatea (SPL) și răspunsul basului pentru a îmbunătăți calitatea audio de la micro difuzoare, maximizând în același timp eficiența. Un convertor de amplificare integrat și scalarea FET, împreună cu DSM, asigură o funcționare mai de mai lungă durată a bateriei. Tensiunea maximă de ieșire a convertorului de amplificare este programabilă de la 6,5 V la 10 V în trepte de 0,125 V de la o tensiune a bateriei de până la 2,65 V. MAX98390CEVSYS# (Figura 3) include GUI DSM Sound Studio de la ADI pentru a simplifica proiectarea și implementarea DSM pentru aplicațiile care utilizează MAX98390CEWX+T.

Figura 3: Sistemul de evaluare MAX98390CEVSYS# include software-ul DSM Sound Studio cu o interfață grafică puternică pentru extragerea, reglarea și evaluarea amplificatorului MAX98390C. (Sursă imagine: Analog Devices, Inc.)

Puterea este un factor critic de proiectare pentru ochelarii AR. Difuzoarele audio open-ear necesită mai multă energie decât gestionarea căștilor tipice, iar ADI oferă mai multe circuite integrate eficiente de gestionare a energiei pe care proiectanții le pot utiliza pentru aplicațiile lor:

• Circuitele integrate de gestionare a energiei (PMIC) din seria MAX77654 de la ADI oferă soluții foarte integrate de încărcare a bateriei și de alimentare cu energie. Dispunând de un regulator cu un singur inductor și ieșiri multiple (SIMO), acesta oferă trei linii de alimentare programabile independent de la un singur inductor pentru a minimiza dimensiunea soluției. Un încărcător Smart Power Selector™ Li+/Li-Poly oferă curent de încărcare programabil de la 7,5 mA la 300 mA și tensiune de încărcare programabilă de la 3,6 V la 4,6 V, cu monitorizarea temperaturii bateriei pentru o încărcare sigură. Acesta încorporează două regulatoare liniare (LDO) cu cădere mică de tensiune, de 100 mA, pentru a asigura respingerea pulsațiilor pentru aplicații audio și alte aplicații sensibile la zgomot.
• PMIC-urile MAX77659 dispun de un regulator de coborâre-ridicare SIMO cu două intrări care furnizează o șină de încărcare și trei șine de alimentare programabile independent de la un singur inductor și un LDO pentru respingerea pulsațiilor.
• MAX77972 de la ADI este un cip combinat de trei în unu care include detectarea USB-C, un încărcător de 3 A și un indicator de combustibil. Acesta suportă amplificare inversă USB On-The-Go (OTG) și include un Smart Power Selector™ (SPS). Indicatorul de combustibil utilizează algoritmul ModelGauge™ m5 care compensează automat îmbătrânirea celulelor, temperatura și rata de descărcare și oferă o stare de încărcare precisă (SOC) pe o gamă largă de condiții de funcționare. Pinii de detectare a canalului de configurare (CC) USB Type-C permit detectarea automată a sursei de alimentare USB Type-C și configurarea limitei curentului de intrare.
• MAX17301 este un circuit integrat autonom de măsurare a combustibilului. Acesta oferă protecție, detectare opțională a descărcării interne a bateriei și autentificare SHA-256 opțională pentru baterii litiu-ion/polimer cu 1 celulă. O interfață Maxim I²C cu 1 fir sau 2 fire oferă acces la registrele de date și control.
• MAX17332 de la ADI este o soluție de gestionare a bateriei cu un singur cip care include un încărcător liniar, un indicator de combustibil, protecția bateriei și detectarea autodescărcării. Acesta poate echilibra capacitatea mixtă a bateriei și poate oferi încărcare rapidă, având capacitatea de a încărca independent bateriile paralele și de a preveni încărcarea încrucișată.

Concluzie

Sunetul a reprezentat o limitare majoră în realizarea potențialului aplicațiilor de realitate augmentată, care s-au axat, de obicei, pe vedere. Sistemul audio open-ear oferă oportunitatea de a realiza acest potențial cu ochelari AR mai ușori, moderni și confortabili, capabili să susțină numeroase cazuri de utilizare. ADI a asamblat o platformă de componente, instrumente și software pentru a crea soluții complete.