Nykyaikaisten lähinäyttöjen käyttömukavuutta ja niiden tarjoamaa immersiivistä kokemusta heikentävät niiden tekniset vajavaisuudet. Lähinäytöt tuottavat ristiriitaisia visuaalisia vihjeitä, jotka vaikuttavat käyttäjän silmän liikkeisiin aiheuttaen vergenssi-akkommodaatioristiriitana tunnetun tilan. Vergenssi tarkoittaa silmien kääntymistä kohti toisiaan, kun katsomme lähellä olevaa kohdetta. Akkommodaatio taas tarkoittaa linssin muodon muutosta, joka auttaa meitä katseen tarkentamisessa. Vergenssi-akkommodaatioristiriidassa nämä silmän mekanismit eivät toimi luonnollisesti yhdessä. Tästä johtuu lähinäytön käyttäjän kokema epämukavuus, silmien väsyminen ja jopa pahoinvointi.
Vergenssi-akkommodaatioristiriidan ratkaisemiseen on kaksi merkittävää tapaa. Ensimmäinen tapa on käyttää akkommodaatioinvarianttia näyttöä. Näytössä akkommodaatio ja epätarkentuminen erotetaan toisistaan, jolloin katsoja näkee kuvan tarkkana akkommodaatiosta riippumatta. Kun vergenssi ohjaa akkommodaatiota, niiden välinen ristiriita poistuu.
Toinen tapa on käyttää akkommodaation mahdollistavaa näyttöä, jossa kaikki visuaaliset vihjeet esitetään tarkasti ja johdonmukaisesti suhteessa toisiinsa. Näyttö luo epätarkentumisen luonnollisella tavalla, mikä mahdollistaa akkommodaation ja vergenssin toiminnan yhdessä ilman ristiriitaa.
Diplomi-insinööri Jani Mäkinen osoittaa väitöskirjassaan, että molemmat tavat tehostuvat ja vähentävät paremmin vergenssi-akkommodaatioristiriitaa, kun näytöt valaistaan koherentilla valolla. Koherentti valo sisältää ajallisesti muuttumattomia valoaaltoja ainoastaan yhdellä aallonpituudella. Tällaista valoa voidaan tuottaa esimerkiksi laserilla.
Koherentin valon hyödyt ja haitat
Koherentin valon käyttö lähinäytöissä voi parantaa niiden syvätarkkuusaluetta, mikä tukee näytön tarkkuuden säilyttämistä eri etäisyyksillä. Tämä on hyödyllistä akkommodaatioinvariantissa näytössä. Lisäksi koherentti valo mahdollistaa luonnollisemmalta näyttävien 3D-kuvien luomisen akkommodaation mahdollistavassa näytössä.
Koherentin valon käyttö näytöissä voi aiheuttaa myös ongelmia. Kuvaan voi ilmaantua korkean kontrastin pilkkukohinaa ja 3D-kuvien luominen voi olla laskennallisesti vaativaa.
3D-kuvia luodaan holografisen kuvantamisen avulla. Sen nykyiset menetelmät usein heikentävät tarkoituksellisesti hologrammien muodostamiseen käytettävien aaltomallien tarkkuutta, jotta tietokoneen laskennallinen taakka kevenisi ja suorituskyky paranisi. Tästä syystä kuvan resoluutio kaukana näytöstä heikkenee. Myös heijastavien ja osittain läpinäkyvien kohteiden pintojen mallintamisessa voi esiintyä epätarkkuutta. Mäkinen ehdottaa väitöstutkimuksessaan uudenlaista menetelmää visuaalisesti tarkan hologrammin laskemiseen minimaalisilla valon mallinnusapproksimaatioilla. Lisäksi hän tarkastelee menetelmän nopeuttamista koneoppimisen avulla.
Mäkisen kehittämillä menetelmillä pilkkukohinaa pystytään vähentämään, jolloin havaittu kuvan laatu paranee. Menetelmissä hyödynnetään koherentin valon aaltomallinnusta yhdessä signaalinkäsittelyn kanssa. Mäkinen esittelee myös koneoppimispohjaisen lähestymistavan koherentisti valaistun akkommodaatioinvariantin näytön optisten elementtien suunnitteluun.
–Koherentin valon käyttö akkommodaatioinvariantissa näytössä on lupaava ratkaisu, joka vähentää laskennan tarvetta ja ratkaisee vergenssi-akkommodaatioristiriidan. Lisäksi neuroverkkojen avulla voidaan tuottaa visuaalisesti tarkkoja hologrammeja tehokkaasti reaaliajassa. Nämä tulokset ovat merkittäviä uuden sukupolven immersiivisten lähinäyttöjen kehittämisessä, Mäkinen summaa.
Väitöstilaisuus torstaina 21. joulukuuta
Diplomi-insinööri Jani Mäkisen signaalinkäsittelyn alaan kuuluva väitöskirja Coherent and Holographic Imaging Methods for Immersive Near-Eye Displays tarkastetaan Tampereen yliopiston Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunnassa torstaina 21. joulukuuta 2023 kello 12 alkaen Sähkötalon salissa SA203 (osoite: Korkeakoulunkatu 3, Tampere).
Vastaväittäjinä toimivat professori Tomasz Kozacki Varsovan teknillisestä yliopistosta Puolasta ja tohtori Ali Özgür Yöntem Cambridgen yliopistosta Isosta-Britanniasta. Kustoksena toimii professori Atanas Gotchev Tampereen yliopiston Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunnasta.
Kuva: Robert Bregovic