深入对比MLO，HoloLens和Lumus三款波导头显分辨率
文章相关引用及参考：kguttag
本文来Karl Guttag
（映维网 2018年10月25日）在今天的文章中，AR硬件/软件企业Rave的首席科学家Karl Guttag对比分析了Magic Leap One，HoloLens和Lumus这三款波导头显的分辨率。以下是映维网的具体整理：
自今年1月份的CES大会以来我就一直想做这种对比分析。这是一次比较三种波导头显的机会：两款更为有名的衍射波导型头显HoloLens和Magic Leap One，以及基于非衍射波导的Lumus头显。与我在17年和18年CES大会体验的衍射波导相比，我更欣赏Lumus的图像质量。
对于这篇文章，我主要是比较Magic Leap One（ML1），微软HoloLens，以及Lumus DK-Vision的分辨率。这三款设备都采用了“全内反射（TIR）”来支持一层薄“波导”。
ML1和HoloLens采用了一系列的衍射光栅来支持光线进入和离开波导。HoloLens为红，绿，蓝准备了一层波导，而ML1则为三种颜色准备了两层（共六层）波导以支持他们的焦平面概念。我已经在之前的文章中对ML1和HoloLens的波导进行了一定的讨论。
Lumus选择了所谓的“光导光学元件（Light-guide Optical Element；LOE）”，其可通过一层波导来处理所有的颜色。一层LOE的厚度类似于HoloLens多层波导堆叠。他们只是以一定角度切割波导的入口以使光线进入（而非使用特定颜色的衍射光栅），然后再使用一系列经过特别设计的局部反射镜来使光线射出。
1. 拍照与测试图
我使用了相同的奥林巴斯OM-D E-M10 Mark III相机和相同的14-42mm镜头。你可以单击图片并以更高分辨率进行查看。我为每个显示器拍摄了数百张照片，然后在测试图中选择了最佳区域，试图呈现每个设备的最佳状态。
测试图是基于我在测试其他显示器时发现非常有用的测试图。有一系列320×240的子图案用于测试分辨率，其能够多次复制以填充显示分辨率。有一些大圆圈可以测试整个显示器的颜色纯度。我同时采用了包含人像的图片来替换一个或两个彩色场景，以此来检查颜色。对于想要验证或质疑我结果的任何人士，你都可以在这里找到我所使用的测试图。
2. 光学子系统：显示组件，投影仪光学，以及波导组合器
在High-Level，三款头显都采用了类似的光学架构，并且都采用了场序彩色（FSC）和硅基液晶（LCOS）微型显示器，但它们来自不同的LCOS制造商。 它们中的每一个都包含“投影仪光学”，其能够校准和操纵图像以注入各自的波导之中。三者最不同的地方在于波导结构。
3. 头显：ML1, HoloLens和Lumus
3.1 Magic Leap One
ML1使用衍射波导并阻挡约85％的真实光线。你可能会注意到，在上图中无法看到用户的眼睛。它搭载了一个由Omnivision制作的1280×960 LCOS微型显示器，但有效分辨率要低很多。它的对角线视场大约是45度，水平视场则是40度左右。
ML1支持约220cd/m2。在显示测试图时，我只能看到ML1显示了1280个水平像素中的大约1160个。我怀疑丢失的约120像素用于瞳距调整。iFixit的拆解说明ML1组件具有Omnivision的自定义分辨率，并且可能使用与Omnivision的1080p和720p组件相同的4.5微米像素间距。
3.2 Hololens
微软HoloLens使用了类似于ML1的衍射波导，并阻挡约60％的真实光线，允许通过的光线比ML1多大约2.7倍。在右边的图片中，你可以看到佩戴者的眼睛，但很暗。它采用Himax制造的1366×768像素LCOS微型显示器，对角线视场约是35度，水平视场则是30度左右。
当在全帧观察时，我能够看到测试图中1280个水平像素中的约1270个。HoloLens在全亮度下支持约320cd/m2，或者说比ML1亮约1.5倍。HoloLens中的Himax FSC LCOS组件可能采用了约6微米像素间距。
3.3 Lumus DK-Vision
Lumus的DK-Vision显示1920×1080像素（1080p），或者说大约是ML1和HoloLens的两倍。我在“CES 2018 AR Overview”这篇文章中首次探讨了DK-Vision，而Lumus官网提供了宣传单张。Lumus LOE有一系列的偏振半反射镜，可作为垂直视场和瞳孔扩展器。Lumus头显只遮挡约20％的真实光线，比ML1亮约5.3倍，比HoloLens亮约2倍。我没有直接测量Lumus头显的亮度，但根据相机设置，它大致有1000cd/m2，大约比ML1亮五倍，比HoloLens亮三倍（Lumus同时研发了高达6500cd/m2的军用产品）。Lumus声称DK-Vision目前可支持2000cd/m2，并最终能够支持3000cd/m2，或者说比ML1和Hololens亮大约一个数量级。Lumus头显中使用的1080p Raontech LCOS组件具有6.3微米像素间距。
4. 关于Lumus DK-Vision原型及其LCOS显示组件的一些评论
我想说明的是，尽管ML1和HoloLens只是小批量生产的开发套件，但Lumus的头显属于“仅供参考”。ML1和HoloLens具备许多Lumus演示设备所不支持的功能。Lumus头显尽管搭载了摄像头，惯性测量单元和Android处理器，但并不具备Magic Leap和Hololens中的功能（如SLAM）。
Lumus头显中的LCOS组件是Raontech的早期1080p原型，因此不一定代表最终产品。坦白说，色彩平衡和灰度响应并不是很好，这种情况并不罕见，因为它只是原型而非实际产品。我确实对照片进行了一定的白平衡调整，因为：1.它是一个原型；2.目标是比较光学；3.由于Lumus采用来自不同厂商的LCOS组件，因此最终产品不一定来自于Raontech。
由于这台Lumus头显是少数现有原型中的其中一台，它们可能是手工挑选和组装单元，因此它可能无法代表最终的产品。在大批量生产的同时，质量应该能有所提高。为提高他们的批量生产能力，Lumus最近与广达电脑达成了生产合作伙伴关系。
影响结果的一个关键因素是，Raontech LCOS面板的黑色与白色响应非常不对称，它非常偏向于黑色。一像素宽的白线几乎不可见，而一像素宽的黑线几乎是应有样子的两倍宽。由于LC行为和驱动，任何液晶显示器的黑色与白色响应总是存在一定程度的差异，但相对于我见过的其他LCOS组件，Raontech的不对称非常严重。这种不对称性也会影响整体外观，甚至是灰度/颜色响应。 我希望Raontech能够在他们的LCOS组件中调整他们的液晶配方/加工方式。
5. 全视场图片
下面的图片显示了每个头显的整个视场。这些图片不按比例绘制。HoloLens的水平视场约为30度，ML1为约35度，Lumus也是35度左右。测试图中的每个子图案（带有编号的圆和可变大小的文本）是320×240像素。Lumus原型几乎是ML1和HoloLens水平像素的两倍。你可能还会注意到，尽管Lumus和Hololens的宽高比大致为16：9，但ML1更为方正，名义比率是4：3。
完整的测试图可以帮助你全面了解图像质量，以及颜色在视场中的变化情况。这些图片水平上有大约2600到2900个相机像素，但不足以完全评估1140和1920像素宽之间的图像分辨率。基于基本采样理论和奈奎斯特（Nyquist）速率，你显然希望每个显示像素具有两个以上的相机像素（样本）。
HoloLens和ML1在视场上都有明显的色移问题，在白色背景图像上更为明显。Lumus只是在远角处有一定的色移。在Lumus图片中，较小的文本看起来是更暗/褪色，这是LCOS组件行为的结果。
我注意到Lumus DK-Vision存在一些ML1或HoloLens所没有的垂直枕形失真。我怀疑枕形化来源于他们的投影光学系统而非波导本身。最右侧的一些子图案（特别是子图案26和36）也存在一些重影。应该注意的是，这是原型而非生产产品，所以希望他们能够在生产制造之前能够改进部分或全部问题。
HoloLens （水平约1270像素）
ML1 （水平约1160像素）
Lumus （水平约1920像素）
接下来，我们在白色背景图像看到有黑色。与HoloLens和Magic Leap的衍射波导相比，Lumus LOE波导在整个场中具有显著更好的颜色和亮度均匀性。在第5行哪里（51-56）那里，Lumus显示器确实出现了微暗的黑带，我怀疑这是由LOE分区的匹配所造成。 另外，左下角有一定的色移和变暗。由于LCOS组件的不对称性，小文本不会像黑色背景上的白色文本那样淡化。
6. 相同视场近拍
对于下一组图片，相机为较大的图像进行了相应地放大，因此你可以看到每台设备视场中大致相等的部分，比例大致相同。在图片中，你可以看到只有3像素，2像素和1像素宽线的插图。Hololens的水平像素数量大致与ML1相同，但视场较小，因此在进行相似的缩放时，图像和插图像更小。应该注意的是，Lumus DK-Vision的插图已经放大了2倍，因此你可以看到细节。
因此在用眼睛看时，DK-Vision上的2像素宽线条与ML1上的1像素宽线条的大小和宽度大致相同，并且比ML1上的2像素宽线条调制得更好。DK-Vision的水平和垂直角分辨率似乎是ML1的大约4倍。
白色背景图片如下所示。白色背景更能看到光学元件散射多少光线。应该注意的是，与Hololens和DK-Vision相比，ML1的“黑色”1像素宽线条不会变得非常黑，这表明ML1光学元件/波导是在散射光线：
7. 64×64子图案并排对比
最后，下面是每个头显最合适的64×64像素子图案。子图案有一组3像素宽的线，3像素宽的空间，接着是2像素宽的线和空间，接着是1像素宽的线和空间。这个子图案的目的是测试光学组件的有效分辨率，并基于广泛使用的1951 USAF分辨率图表。
这三个部分的LCOS组件在黑色到白色，以及白色到黑色的过渡方面是不同的和不对称的，如黑色背景图和白色背景图所示。白色背景图的黑色能说明光学系统中是否存在散射问题。
如前所述，Lumus已经放大到HoloLens和ML1图像相对大小的两倍。这意味着实际上Lumus的2像素宽线非常接近于ML1的1像素线。
HoloLens可以显示1像素宽的线条，但它们不是特别清晰。LCOS似乎略微偏向于白色而非黑色（1像素宽白线看起来比黑线宽）。你可能会注意到黑色背景的线条（左上角）比白色背景的线条（左下角）宽。由于HoloLens光学元件（波导和/或投影仪）会散射光，白色背景的对比度较低。
ML1几乎没有显示对1像素线条的调制。与其他两台设备相比，即使2像素宽线也不是特别锐利。我从其他实验中注意到ML1的“开-关”对比度好于HoloLens，但正如白色背景图所示，ML1上的白光散射明显更差。你应该注意到，平整的3像素宽线条看起来都非常模糊和圆滑。
与HoloLens类似，ML1的LCOS似乎略微偏向白色而不是黑色。根据现有信息，ML1的Omnivision微型显示像素在物理上尺寸更小（4.5微米：约6微米），而需要进行更多地放大可能会导致ML1的有效分辨率更低。根据我所看到的情况，ML1最多可能只在每个方向上实现所述分辨率的一半。
ML1的默认图像大小分辨率非常糟糕，我做了一个测试，试图在其有效分辨率上获得更高的精度。当测试图锁定在空间中时，我逐渐向它移动并在我能够识别1像素宽线条时停止。然后我注意到视场中有多少像素可见，并拍了一张照片（下图）。结果是，在大约710像素宽的情况下，我可以开始看到离散的四条线。它们仍然没有很好地进行调制，但至少有四条线可见。
Lumus光学可以解析1920×1080显示屏上的1像素宽线条。角分辨率在每个方向上比ML1的角度分辨率多三倍，更像是4倍。Lumus系统分辨率的限制是LCOS微型显示器。从黑色背景图 vs 白色图可以看出，LCOS高度不对称，更倾向于黑色。考虑到LCOS组件的物理像素尺寸是6.3微米，在三个头显中最大，而这是特别糟糕的情况。对于黑色背景图，1像素宽白色线条非常暗和细，而白色背景图上的黑色非常宽。
仔细观察下面Lumus头显的放大图像，你甚至可以看到LCOS像素镜之间的间隙有一系列微淡淡的水平和垂直线，这些线远小于像素的宽度。在这种情况下，分辨率受到LCOS组件的限制。需要提醒的是，这已经是“最佳”子图案。
8. 总结
与HoloLens和Lumus相比，ML1的分辨率不如前两者。我使用相同的设备，并且花费了很多时间来试图获得最好的图像。你在佩戴Magic Leap时显然不希望阅读文本。
对于HoloLens，1像素宽线条与你期望的一样，它们有点模糊但不算台糟糕。Hololens的“开-关”对比度略低于100：1。
DK-Vision在分辨率方面处于不同的阵营。但它受到LCOS组件的不对称性限制，希望他们能够解决这个问题。
根据我的观察，ML1尝试在水平上显示大约1160个像素，水平视场为40度（对角线约45度）。每像素可达2.06弧分（一个弧分= 1/60度）。因为ML1很模糊，实际上每个像素只能显示大约4弧分。HoloLens显示约1024像素，水平超过约30.5度，或者说约1.78弧分/像素，是ML1的两倍。DK-Vision显示1080p像素，大约35度视场（对角线约40°），每像素约为1.08弧分，或约为ML1有效分辨率的四倍。
9. 其他因素（颜色，透明度和亮度 ）
尽管本文主要是跟分辨率有关，但我想讲讲其他一些观察结果。
与Magic Leap和HoloLens的衍射波导相比，Lumus LOE视场上的颜色和亮度均匀性给我留下了深刻的印象。Magic Leap和Hololens的颜色在视场上会出现色移和波动，如上面的图片所示。尽管DK-Vision在角落位置同样存在一定的问题，但显然优于另外两者。
Lumus在透明度方面也有很大的优势。Lumus只阻挡约20％的真实光线，而Magic Leap阻挡了大约85％，HoloLens则是60％。ML1显然更暗。
Lumus头显也比ML1或HoloLens亮一个数量级。这对于帮助图像脱颖而出，并支持户外用例而言十分有必要。Lumus声称他们的技术相较于衍射波导具有明显的光效优势，尽管我无法验证这一说法，但我认为这是可信的。所有三款头显都使用LCOS，而它们应具有相似的反射率，但我怀疑ML1是由于双焦平面的存在而丢失了一定的效率。如果你只是在LED上提升功率，它们会变得更热，效率更低，这反过来导致需要更多的热量管理，从而增加了体积和重量，而且很快就会失控。
DK-Vision和ML1都使用外置电池组，而Hololens则内置电池，但我不认为这是亮度产生差异的主要因素。我认为原因在于光损耗和热量管理。
10. 基本论点
简而言之，虽然并不完美，但在将虚拟信息叠加在现实世界这方面，Lumus光学系统更符合我对“增强现实”显示器的期望。
我不知道为什么Magic Leap和微软都决定采用衍射波导，我欢迎他们回应这篇分析文。Magic Leap和微软都知道Lumus的波导，也许他们存在各自的业务或技术原因。ML1和Hololens的问题与我见过的其他十几种衍射波导都一致。在主要方面上，包括透明（并且不会造成伪影），分辨率，色彩均匀性和亮度（光学效率），Lumus似乎都优于另外两款设备。
