【AR专家测评】Karl Guttag测评微软HoloLens 2——LBS光机
上期《AR专家测评》，为大家解读了近眼显示专家Karl Guttag（卡尔·古塔格）对微软HoloLens 2所做的整体测评分析。今天，小编将为大家带来卡尔对HoloLens 2的LBS光机部分的深入测评。
本文将集中讨论HoloLens 2的LBS（激光束扫描）光机是如何工作的。通过解析它的工作方式，可帮助我们更好地理解为什么LBS光机投射出的画面会存在伪影、闪烁问题。
LBS光机体积过大，水平方向会失真
图源：卡尔博客
上图是从HoloLens 2拆卸下来的连接着光波导的LBS光机，可以看到光机大致上是一个长方体，大小为24.4mm × 29mm ×19mm，或约为13.4立方厘米。卡尔认为，这对于头戴式AR眼镜的光机来说是非常大的。
同时还可以看到，输出孔径的高度大于宽度。这表明图像会在水平方向上发生失真。
微软采用扩瞳技术，防止快速扫描镜变形
通过将微软的“显示系统扩瞳”专利（专利号：US2019/0278076）与拆机视频截图结合来看，可以得知：为了让快速扫描镜可以足够小，所以快速扫描镜的孔径就必须很小，才能使其在快速扫描时不发生形变。
图5-2（图源：卡尔博客）
如图5-2所示，随着快速扫描弧338的增加，快速扫描镜310的频率需要增大到10kHz、20kHz或30kHz以上，而这可能会导致快速扫描镜310扭曲变形。因此，需要通过扩瞳来减小快速扫描镜310的尺寸，进而限制或防止快速扫描镜310发生变形。
图5-2侧视图（图源：卡尔博客）
另外，通过图5-2的侧视图可以看到光线的整个传播路径。激光先进入常规二向合色器(图中并未标记)，然后再进入一个镜面旋转镜，将光线向上引导至快速扫描镜(410)。
每种颜色都配备了2个激光器
2020年2月，微软的Bernard Kress做过一次演讲，其中提到HoloLens 2的每种颜色都配备了2个垂直叠加、间隔1个像素的激光器。
图源：卡尔博客
卡尔通过测试，证实了这一说法。
图源：卡尔博客
上图是1像素和2像素宽的水平线和垂直线的特写图片，左侧是通过PS处理得到的单绿显示效果，右侧是测试原图。
1像素宽的线与单条激光扫描线的高度相同。在2像素宽的水平线中，我们可以看到2个垂直叠加的绿线会被一条细黑线分隔开。
2像素宽的垂直线每隔2个像素对会呈锯齿状发生偏移，偏移量大约是半个像素。测试图中画出的小红方框是单个像素的大小。
由此可见，激光扫描显示仅在水平线上能以“像素对齐”的方式显示，垂直线上会呈现锯齿状。
HoloLens 2开启了双向激光扫描
图源：卡尔博客
上图是同一画面中的左侧和中心区域，可以看到，左侧区域会产生明亮中心线和扫描间隙，中心区域显示的线条则更为均匀。卡尔觉得，明亮中心线和扫描间隙是由于开启双向激光扫描导致的。
图源：卡尔博客
上图中的青色部分，在测试原图中实际应该是白色。在这张彩色特写照片中，每隔一对扫描线都会看到青色部分，而这是因为缺少红色造成的（红色激光器开启速度较缓慢，有时需要十多个像素才能开启）。这种情况在HoloLens 2亮度较低的情况下会更加明显。这也进一步证明HoloLens 2开启了双向激光扫描。
每个场周期大约有854行扫描线
卡尔认为，当HoloLens 2显示图像中的像素与扫描线匹配度较高时，通过观察测试图可以算出扫描线总数。
通过计算得出，HoloLens 2的每一个场周期约有854行可见的扫描线。值得注意的是扫描线并不等同于像素，而且HoloLens 2激光扫描显示器的有效垂直分辨率（以“像素”为单位）要小于扫描线的数量。
扫描镜频率为27kHz
经过卡尔测试，HoloLens 2的场频率确实如官方报道的那样为120Hz（每秒有120个场周期）。而扫描镜频率却不是官方所说的54kHz。
通过上一部分可知，HoloLens 2的每个场周期约有854行扫描线，将2个叠加的激光器和双向扫描计算在内可以推算出，扫描镜每帧扫描854÷4=213.5个周期。213.5×120Hz=25.6kHz（或约27kHz），其中包含约5%的垂直回程。因此，HoloLens 2的扫描镜频率实际约为27kHz。
弓形曲线扫描
HoloLens 2的扫描过程非常复杂，卡尔认为它的快速扫描镜移动速度仍不够快，尽管HoloLens 2配备了双激光器，使扫描线的数量增加了一倍，但它的速度也只有微软宣称的水平扫描速度的一半，因此还会产生新的图像问题。
微软在专利US2018/0255278中，讨论了关于双激光器会在扫描过程中产生交叉光线的问题。下图右侧是专利图，左侧是简化后的彩色图。
图源：卡尔博客
图的左上方，显示的是双激光器在单个场周期中的扫描过程。单激光器扫描轨迹呈现出一种正弦波的弓形扭曲，而这种扭曲是由于一面或多面镜子弯曲导致的。而且需要注意的一个关键问题是，在水平方向进行反向扫描时，双激光轨迹会发生交叉重叠（如图中黄色标记所示）。
图的左下方，是卡尔用红色和洋红色添加的交错扫描场。通过将交错扫描场向下移动2个像素，可在一定程度上填补绿色和淡蓝色扫描场两侧的间隙。
四向交错摆动扫描
微软采用的不是常见的双向交错扫描，而是四向交错扫描，这一点令卡尔有些惊讶。似乎双激光器必须采用四向交错，因为在弓形双向扫描过程中，如果不用四向交错摆动，画面就会出现明显的间隙。
图源：卡尔博客
上图是卡尔从4个不同的场周期中获取的4张具有代表性变化的图片。通过比较发现，场周期1和场周期3每隔一对垂直像素就会向左或向右移动1/2像素，呈现锯齿状。而场周期2和场周期4会在相反方向呈现锯齿状。
经过PS平均处理，场周期1和3，以及场周期2和4能够合成出较为合理的图像。卡尔提示到，仅合成2个场周期仍然会出现较大的锯齿状。
为了验证上述的平均过程，卡尔还用不同的快门速度拍了一系列照片。
图源：卡尔博客
当以1/30秒拍摄时，相当于相机对4个场周期进行平均，此时在图像中仍能看到类似波浪似的抖动条纹。当以1/8秒（15个场周期）拍摄时，可以看到图像中心较为平滑，没有波动，而且线条纹理的大小也不明显。
图源：卡尔博客
另外，通过对同一场周期的图像对比发现，即便是同一类型的场周期之间也会有较小的变化。例如：上图中，同样是场周期3，红色箭头所指的水平线虽然位置相同，但粗细上存在细微差别。
由此可以得知，HoloLens 2通过四向交错摆动对激光双向扫描所产生的间隙进行了一定程度的修复，使图像锐利的边缘变得模糊，缓解了纱窗效应。
HoloLens 2存在闪烁现象
由于HoloLens 2采用四向交错摆动扫描，所以需要4帧才能获得大致完整的图像，而当人们移动眼睛时，就会看到“短暂的伪影”，即闪烁现象。
在交错扫描过程中，随着黑色间隙的出现与消失，闪烁现象在显示器两侧表现得最为明显。因此，人们通常更容易在周边视觉感受到闪烁。
卡尔还注意到，当移动头部或者眼睛时，人们看到的实心区域会变成条纹。
HoloLens 2存在周期性分布的斜线
最后，卡尔还在HoloLens 2的高分辨率照片中看到一些周期性分布的斜线。
图源：卡尔博客
图源：卡尔博客
通过上图可以发现屏幕左侧的斜线向右偏转，屏幕中心的斜线呈椭圆状，屏幕右侧的斜线向左偏转。至于这些斜线是如何产生的，卡尔还不清楚。
总结
经过卡尔对HoloLens 2的LBS光机方面的调研和测试，我们可以得知，为了防止快速扫描镜发生变形，微软采用了扩瞳技术，并且为每种颜色都配备了2个激光器，同时还开启了双向激光扫描。
在画面显示上，HoloLens 2通过四向交错摆动对激光双向扫描所产生的间隙进行了优化，缓解了纱窗效应，但同时也会使用户在移动眼睛时看到“短暂的伪影”。
卡尔表示，微软在HoloLens 2中使用的所有技术都令人印象深刻，尤其是激光对准的精确性。然而对于头戴式AR眼镜来说，HoloLens 2的LBS光机体积显然过大，并且在画面显示方面也未达到令人满意的理想效果。
本文内容整理自卡尔博客
参考文章：
https://kguttag.com/2020/07/04/hololens-2-display-evaluation-part-1-lbs-visual-sausage-being-made/
https://kguttag.com/2020/07/17/hololens-2-display-evaluation-part-4-lbs-optics/
