کالبدشکافی Magic Leap One؛ سفر به دنیای واقعیت ترکیبی و لنزهای جادویی

این گجت کلی چیز برای کشف کردن داره. اول بیا یه نگاهی به مشخصات فنی خفنش بندازیم تا دستمون بیاد با چی طرفیم:

← پردازنده Nvidia Tegra X2 با دو هسته 64 بیتی Denver 2.0 و چهار هسته ARM Cortex A57

← پردازنده گرافیکی یکپارچه بر پایه معماری Pascal با 256 هسته CUDA

← 8 گیگابایت حافظه رم

← 128 گیگابایت حافظه داخلی

بلوتوث 4.2، وای‌فای، پورت USB-C و جک 3.5 میلی‌متری هدفون

جالبه بدونی این پردازنده انویدیا در اصل برای صنعت خودرو و ماشین‌های خودران مثل تسلا طراحی شده! اولش عجیب به نظر می‌رسه، اما وقتی به سنسورهای متعدد این هدست برای نقشه‌برداری و درک محیط اطراف نگاه می‌کنی، می‌بینی که کارکردش دقیقا مثل یه ماشین خودرانه.

بعد از این همه ادعا درباره تجربه بی‌نظیر این هدست، وقتش بود خودمون دست به کار بشیم و ببینیم واقعا چقدر حرف برای گفتن داره.

با کمک دوربین مادون قرمز، تونستیم یه پروژکتور IR رو دقیقا بالای پل بینی هدست پیدا کنیم که کارش تشخیص عمق محیطه. این تکنولوژی تقریبا مشابه همون چیزیه که تو سیستم‌های تشخیص چهره پیشرفته استفاده می‌شه.

اگه با دقت بیشتری نگاه کنی، چهار تا ال‌ای‌دی مادون قرمز دیگه هم داخل هر کدوم از لنزها پنهان شدن. اینا به صورت نامرئی چشم‌هات رو روشن می‌کنن تا مسیر نگاهت رو ردیابی کنن. جلوتر حتما این ردیاب‌ها رو دقیق‌تر بررسی می‌کنیم.

قبل از اینکه دل و روده دستگاه رو بریزیم بیرون، بیا اول ببینیم سیستم کلی چطور کار می‌کنه و وظیفه هر بخش چیه:

همه‌چیز از اون کامپیوتر جیبی یا همون Lightpack شروع می‌شه. این بخش هم باتری رو تو خودش جا داده و هم وظیفه پردازش سنگین تصویر و صدا رو بر عهده داره و دیتا رو به هدست می‌فرسته.

از اون طرف، خود هدست (Lightwear) موقعیت و زاویه کنترلر رو ردیابی می‌کنه و محیط اطرافت رو اسکن می‌کنه تا بتونه المان‌های مجازی رو دقیقا سر جای درستشون تو دنیای واقعی قرار بده. اینکه چطور این المان‌های مجازی به این شکل طبیعی تولید و پخش می‌شن، خودش یه داستان مفصل و به‌شدت مهندسی‌شده است.

واقعیت ترکیبی کار به شدت سختیه. اینکه یه تصویر رو روی یه صفحه نمایش ترکیب کنی یه بحثه، اما اینکه بخوای دنیای واقعی رو مستقیما جلوی چشمت تغییر بدی، یه چالش کاملا متفاوته.

برای اینکه این توهم به بهترین شکل ممکن ایجاد بشه، Magic Leap One از چند تا تکنولوژی واقعا جذاب و پیچیده استفاده کرده که در ادامه بررسیشون می‌کنیم.

صفحه نمایش موج‌بر (Waveguide): این در واقع یه شیشه شفافه که به صورت نامرئی از لبه‌ها نورپردازی می‌شه. چیپ نوری مجیک لیپ، تصویر رو به داخل این لایه نازک شیشه‌ای می‌فرسته، بزرگش می‌کنه و با زاویه درست مستقیم می‌تابونه تو چشم تو.

سطوح فوکوس (Focus planes): تو هدست‌های VR معمولی همه‌چیز همیشه واضحه. اما تو دنیای واقعی اینطور نیست؛ وقتی به یه چیز نزدیک نگاه می‌کنی، پس‌زمینه تار می‌شه. این هدست برای شبیه‌سازی این حالت طبیعی، چند لایه از این شیشه‌های موج‌بر رو روی هم قرار داده تا بتونه تصاویر رو تو عمق‌های مختلف (واضح و تار) تفکیک کنه.

بریم سراغ گنجینه نوری این دستگاه! یه تست سریع نشون داد که این لنزها پلاریزه نیستن، پس برای فهمیدن راز و رمزشون باید عمیق‌تر بشیم و قطعات رو باز کنیم.

وقتی قاب رو برمی‌داریم، ظاهر داخلی لنزها اصلا به قشنگی بیرونشون نیست. ال‌ای‌دی‌های مادون قرمز کاملا مشخصن، لایه‌های صفحه‌نمایش موج‌بر با خطوط شیاردار دیده می‌شن و چسب‌کاری‌ها هم یه کم نامرتب به نظر می‌رسه.

این قطعه موج‌بر از شش لایه شیشه‌ای تشکیل شده که با فاصله‌های هوایی خیلی کم و به شکل نه‌چندان زیبایی روی هم پرس شدن تا اون افکت‌های نوری رو بسازن.

لبه‌های این شیشه‌ها با دست رنگ مشکی خورده. این کار احتمالا برای اینه که از بازتاب نور اضافی و تداخل نوری داخل خود لنزها جلوگیری بشه.

داخل هدبند یه برچسب هشدار لیزر کلاس 1 می‌بینیم. شاید اولش ترسناک به نظر برسه که لیزر نزدیک چشمت باشه، اما این استاندارد برای استفاده‌های روزمره کاملا ایمنه و خطرش از یه دستگاه پخش CD هم بیشتر نیست.

با باز کردن پیچ‌های تورکس و برداشتن پنل، به اولین اسپیکر می‌رسیم. این اسپیکر با اتصال‌های فنری سر جاش نشسته و واشرهای رنگی داره که نشون می‌ده تا اینجای کار تعمیرپذیری بدی نداره!

زیر این پنل‌ها، دو سر بالایی کابل اصلی دستگاه و چند تا قطعه آهنربایی هم قایم شدن که به تنظیم بهتر هدست روی سرت کمک می‌کنن. اما اون جعبه سیاه کوچیک و عجیبی که از سمت راست هدبند زده بیرون دقیقا چیه؟ بریم ببینیم.

بررسی‌ها نشون می‌ده که این قطعه در واقع یه سیم‌پیچ سنسور با 6 درجه آزادیه که وظیفه‌اش ردیابی دقیق موقعیت مکانی کنترلر تو فضا است.

شدت سه میدان مغناطیسی عمود بر هم اندازه‌گیری می‌شه تا زاویه و موقعیت دقیق کنترلر نسبت به هدست مشخص بشه.

وقتی خود کنترلر رو باز می‌کنیم، یه باتری 8.4 وات‌ساعتی و بخش ساطع‌کننده این سیستم ردیابی رو می‌بینیم که اندازه خیلی بزرگتری داره.

اون پوشش مسی که روی محفظه سیم‌پیچ اسپری شده، احتمالا برای جلوگیری از تداخل امواج رادیویی (RF) استفاده می‌شه، ولی در عین حال اجازه می‌ده امواج مغناطیسی راحت عبور کنن.

همین مسئله تداخل امواج می‌تونه دلیل قرارگیری عجیب این سنسور روی هدست باشه. این یه تکنولوژی نسبتا قدیمیه و احتمالا برای کسانی که چپ‌دست هستن، دقت کمتری خواهد داشت.

تو عکس‌ها نیست، اما ما یه قطعه عجیب دایره‌ای با کلی ال‌ای‌دی هم پیدا کردیم که احتمالا برای سخت‌افزارهای آینده و ردیابی نوری طراحی شده.

بعد از جدا کردن هدبند و قاب داخلی، حالا می‌تونیم ساطع‌کننده‌های مادون قرمز ردیاب چشم رو خیلی واضح‌تر ببینیم. نکته جالب اینه که همه اینا به صورت سری سیم‌کشی شدن و کنترل تکی ندارن. بالاخره رسیدیم به قلب تپنده مجیک لیپ: مجموعه کامل لنزها، اپتیک و صفحه‌نمایش که همه این جادوها رو ممکن می‌کنه. قراره تا آخرش بریم و همه‌چیز رو باز کنیم، پس کمربندها رو ببند که قسمت هیجان‌انگیزش شروع شد.

با بلند کردن یکی از آرایه‌های سنسور خارجی، سیستم نوری اصلی رو می‌بینیم که وظیفه تزریق تصاویر به داخل لایه‌های موج‌بر رو داره.

این رنگ‌های درخشان به خاطر بازتاب نور محیط از روی شبکه‌های پراش نوری به وجود اومدن و ربطی به کانال‌های رنگی خاص ندارن.

هر کدوم از این نقاط رنگی تو یه عمق مشخص قرار دارن که دقیقا متناظر با یکی از همون لایه‌های شیشه‌ای موج‌بره. تو قسمت پشتی، خود قطعه نمایشگر رو پیدا کردیم: یه پنل LCOS رنگی مدل OmniVision OP02222. به احتمال زیاد این یه نسخه شخصی‌سازی‌شده برای این هدسته.

قبلا خیلی از متخصص‌ها بر اساس پتنت‌های ثبت‌شده تو سال 2016، دقیقا حدس زده بودن که مجیک لیپ قراره از همین سیستم استفاده کنه و حالا می‌بینیم که حدسشون کاملا درست بوده.

بیا یه نگاه دقیق‌تر به پروژکتور و سیستم نوری موج‌بر بندازیم تا بفهمیم اون تو چه خبره. قضیه اون شش لایه شیشه چی بود؟ تو این سیستم، برای هر رنگ اصلی (قرمز، سبز و آبی) تو دو سطح فوکوس مختلف، یه لایه موج‌بر جداگانه در نظر گرفته شده.

اگه موج‌برهای مخصوص هر رنگ وجود نداشتن، رنگ‌های مختلف تو نقطه‌های متفاوتی فوکوس می‌شدن و تصویر نهایی کاملا به هم می‌ریخت و دفرمه می‌شد.

تصاویری که از پتنت مجیک لیپ منتشر شده، به خوبی نشون می‌ده که این سیستم اپتیکال پیچیده چطور کار می‌کنه و نور رو هدایت می‌کنه.

ما هم برای اینکه موضوع رو خیلی ساده‌تر و جذاب‌تر توضیح بدیم، یه دیاگرام اختصاصی با حضور گربه‌ها آماده کردیم که روند کار رو راحت‌تر درک کنی!

یه بلوک از جنس آلیاژ منیزیم تمام قطعات نوری و سنسورها رو نگه می‌داره و برای یه هدست، به طرز عجیبی سنگینه. بقیه هدست‌هایی که تا حالا باز کرده بودیم معمولا از پلاستیک سبک استفاده می‌کردن.

اما فلز یه مزیت بزرگ داره: یه هیت‌سینک عالیه! قطعات الکترونیکی و چراغ‌های مادون قرمز کلی گرما تولید می‌کنن و این قاب فلزی به خنک شدنشون کمک می‌کنه. اون پد صورتی رنگی که می‌بینی، یه پد حرارتیه که وظیفه‌اش انتقال گرمای سنسور تشخیص عمق به فریم آلومینیومیه.

فلز همچنین به خاطر استحکام بالاش، باعث می‌شه لنزها بعد از کالیبراسیون دقیق کارخونه، کاملا سر جای خودشون ثابت بمونن و فوکوسشون به هم نریزه.

البته همیشه هم محکم بودن خوب نیست؛ بعضی از این قطعات با چسب فوم وصل شدن تا وقتی دستگاه به خاطر گرما کمی منبسط می‌شه، انعطاف‌پذیری لازم رو داشته باشن و چیزی نشکنه.

حالا که همه‌چیز رو از جای دقیقش خارج کردیم، بد نیست قاب سنسورها رو هم برداریم تا یه نگاه از نزدیک بهشون بندازیم. این دو تا مجموعه سنسور دقیقا روی شقیقه‌هات قرار می‌گیرن و سنسور تشخیص عمق مادون قرمز هم درست وسطشون نشسته. سنسورهای حرکتی از برندهای AKM و TDK (Invensense سابق) هم به احتمال زیاد بالای این برد دوربین قرار گرفتن.

وقتی به سنسور تشخیص عمق روی بینی نگاه می‌کنیم، می‌فهمیم که سخت‌افزار نقشه‌برداری اتاق از این قطعات تشکیل شده:

← دوربین تشخیص مادون قرمز

← پروژکتور نقطه‌ای مادون قرمز

با این سیستم، دیگه نیازی نیست تو گوشه‌های اتاق ایستگاه‌های ردیاب بذاری؛ خود هدست همه‌چیز رو به تنهایی می‌تابونه و اسکن می‌کنه!

برای اینکه این همه سنسور و دوربین به هدبند وصل بشن، از فلت‌های چندلایه و گرون‌قیمتی استفاده شده که این چیپ‌ها رو روی خودشون جا دادن:

← واحد پردازش بینایی Movidius Myriad 2

← گیرنده SlimPort 4 کیلواهم DisplayPort

← پل سنسور OmniVision برای پردازش همزمان تصویر از چند دوربین

← چیپ FPGA از Altera/Intel برای مدیریت لاجیک و دیتای دوربین‌ها

درایور USB 3.0 دوطرفه ساخت Parade Technologies

آمپلی‌فایر صوتی NXP

← آیسی مدیریت تغذیه (PMIC) از Texas Instruments

با برداشتن یکی از حلقه‌های فرستنده مادون قرمز، دوربین مخفی ردیاب چشم رو که پشت یه فیلتر تیره قایم شده بود پیدا کردیم. به نظر می‌رسه اینا دوربین‌های CameraCubeChip باشن که فیلترهای خارجی روشون نصب شده.

ردیابی چشم تو هدست‌های واقعیت مجازی و افزوده، هم برای واقعی‌تر شدن تعاملات و هم برای بهینه‌سازی رندر گرافیکی به‌شدت کاربردیه.

گذاشتن فقط یه دوربین زیر هر چشم ممکنه دقت و محدوده ردیابی رو محدود کنه، چون وقتی کاربر به پایین نگاه می‌کنه دوربین خیلی بهتر از موقعیه که به بالا نگاه می‌کنه چشم رو می‌بینه.

خب، از اینجا به بعد کارمون یکم تخریبی می‌شه، ولی برای اینکه بفهمیم این سیستم نوری دقیقا چطور کار می‌کنه، می‌ارزید!

← همه‌چیز از یه حلقه کوچیک با 6 تا ال‌ای‌دی شروع می‌شه: قرمز، سبز و آبی (دو تا از هر کدوم برای دو سطح فوکوس).

← این ال‌ای‌دی‌ها نور رو روی میکرو نمایشگر LCOS می‌تابونن تا تصویر ساخته بشه. این نمایشگر به اون قاب پلاستیکی مشکی کناری وصله.

← از داخل اون قاب، یه لنز موازی‌کننده، نور خامی که از ال‌ای‌دی‌ها میاد رو هم‌راستا می‌کنه و اون رو به یه شکافنده پرتو پلاریزه می‌فرسته.

← پرتوهای پلاریزه‌شده بعدش از چند تا لنز دیگه رد می‌شن تا تصویر دقیقا روی شبکه‌های ورودی لنزهای موج‌بر فوکوس بشه.

خود این شبکه‌های ورودی مثل نقطه‌های ریزی به نظر می‌رسن که داخل اون شش لایه شیشه‌ای (که حالا یکم خرد شدن) جاسازی شدن.

وقتی بخش تزریق نور رو دقیق‌تر بررسی کردیم، رنگ‌های مربوط به هر ورودی رو دیدیم: دو تا قرمز، دو تا سبز و دو تا آبی.

حالا که حسابی تو دل لنزها و سیستم‌های نوری گشتیم، وقتشه بریم سراغ مغز متفکر این مجموعه، یعنی Lightpack! محاله اون دریچه‌های خنک‌کننده بزرگش رو نبینی. یعنی این کامپیوتر جیبی فن و سیستم خنک‌کننده فعال داره؟ الان می‌فهمیم.

برچسب‌های FCC اطلاعات زیادی بهمون نمی‌دن، جز اینکه طراحیش کار مجیک لیپ بوده و تو مکزیک مونتاژ شده. ظاهرا می‌خوان اسم سازنده اصلی قطعات سخت‌افزاری رو مثل یه راز بزرگ پیش خودشون نگه دارن.

باز کردن قاب Lightpack اصلا کار راحتی نبود، اما با کلی گرما دادن و اهرم کردن بالاخره تونستیم بازش کنیم. بیشتر هدست‌های VR شبیه کامپیوترها پر از کابل‌های مختلفن، اما اینجا فقط یه کابل دائمی و ضخیم داریم که زیر یه نوار ال‌ای‌دی وضعیت، چند تا پیچ و کلی نوار مسی گیر افتاده.

داشتن فقط یه کابل برای هدست از نظر ارگونومی خیلی عالیه و کار رو راحت می‌کنه، اما وای به روزی که حیوان خونگیت این کابل رو بجوه؛ اون موقع کل دستگاهت مرخص می‌شه.

یه شیلد آلیاژ منیزیم ضخیم دیگه رو هم از سر راه برداشتیم و بالاخره چشممون به جمال مادربرد روشن شد!

برد دکمه‌ها و جک هدفون ماژولار رو فعلا بی‌خیال می‌شیم تا بریم سراغ اون دریای سیلیکون و شیلدهای فلزی روی مادربرد. یه فن خنک‌کننده از برند معروف Cooler Master روی این برد خودنمایی می‌کنه که دلیل اون دریچه‌های روی قاب رو کاملا توجیه می‌کنه.

فقط باز کردن پیچ‌ها برای جدا کردن هیت‌سینک کافی نبود؛ این قطعه با چسب به‌شدت محکمی سر جاش چسبیده بود. بعد از ده دقیقه گرما دادن و فشار آوردن، بالاخره کوتاه اومد و جدا شد.

این حجم از سیستم خنک‌کننده برای یه گجت پوشیدنی کوچیک خیلی زیاده، اما با توجه به کار سنگینی که انجام می‌ده منطقیه. چیپ‌های روی این برد گرمای شدیدی تولید می‌کنن و قرار گرفتنشون تو یه فضای بسته مثل جیب، نیاز به خنک‌کاری قوی رو بیشتر می‌کنه.

بعد از برداشتن چند تا شیلد فلزی، وقتشه ببینیم چه چیپ‌هایی این جادو رو پردازش می‌کنن:

← پردازنده اصلی NVIDIA Tegra X2 همراه با پردازنده گرافیکی انویدیا

← دو تا رم LPDDR4 سامسونگ (در مجموع 8 گیگابایت)

← ماژول Murata 1KL (احتمالا برای وای‌فای و بلوتوث)

← چیپ RF از Nordic Semiconductor

آیسی شارژ باتری از Renesas Electronics

چیپ FPGA از Altera (متعلق به اینتل)

← آیسی مدیریت تغذیه Maxim و درایور دوطرفه USB 3.0 از Parade Technologies

بریم ببینیم اون روی برد چه خبره و چیپ‌ها رو بررسی کنیم:

← حافظه فلش 128 گیگابایتی توشیبا (NAND UFS)

← حافظه فلش SPI NOR با ظرفیت 128 مگابیت از Spansion

← کنترلر USB Type-C و انتقال توان (PD) از Texas Instruments

← کنترلر باک دوفاز uPI Semiconductor

مانیتور ولتاژ دوطرفه از Texas Instruments

شتاب‌سنج Invensense (TDK)

← حافظه فلش 8 مگابیتی سریال NOR از Winbond

ادامه بررسی آیسی‌ها روی مادربرد:

← کدک صوتی استریو TLV320AIC3206 از Texas Instruments

← سوییچ آنالوگ ON Semiconductor

← سوییچ‌های آنالوگ Texas Instruments و ON Semiconductor

← درایور ال‌ای‌دی نه‌کاناله LP5523 از Texas Instruments

مترجم سطح ولتاژ و ترانسیور باس دو بیتی از Texas Instruments

ردیاب ولتاژ 2.25 ولت و رفرنس ولتاژ LDO از Texas Instruments

← مبدل بوست 4 آمپری TPS630252 از Texas Instruments

در نهایت بخش رویی قاب رو جدا کردیم تا دستمون به محفظه باتری برسه. رسیدن به باتری اینقدر سخت بود که دیدن نوار چسب‌های کششی (Pull-tabs) برای درآوردن باتری، شبیه یه شوخی به نظر می‌رسید! ولی خب، باز هم بودنشون از نبودنشون بهتره.

همه این لایه‌ها و چسب‌کاری‌ها به احتمال زیاد برای بالا بردن مقاومت دستگاه در برابر ضربه و شوک استفاده شدن. اما وقتی عمر باتری تموم بشه، یا باید کل دستگاه رو عوض کنی یا یه تعمیر وحشتناک سخت رو به جون بخری.

مجیک لیپ از یه باتری دولوله‌ای با ظرفیت 36.77 وات‌ساعت و ولتاژ 3.83 ولت تو این بخش استفاده کرده که ظرفیت قابل‌توجهیه.

کاملا مشخصه که Magic Leap One یه سخت‌افزار گرون‌قیمت با تولید محدوده. تمام بخش‌های طراحیش طوری ساخته شده که کالیبراسیون دقیقش در طول عمر دستگاه به هم نریزه. حدس ما اینه که شرکت سازنده بدون توجه به هزینه نهایی، فقط می‌خواسته هرطور شده یه محصول قابل‌قبول رو سریع‌تر به بازار برسونه.

امیدواریم اگه نسخه مصرف‌کننده و عمومی این دستگاه هم ساخته شد، همین کیفیت ساخت و دوام رو داشته باشه، ولی از نظر تعمیرپذیری بهتر عمل کنه.

ما برای این کالبدشکافی از کمک‌های چند نفر از متخصصین حوزه VR هم استفاده کردیم که تجربیاتشون تو درک این سخت‌افزار پیچیده خیلی بهمون کمک کرد. قطعا اگه اشتباهی تو تحلیل قطعات و معماری برد وجود داشته باشه، مسئولیتش با ماست.

موقع باز کردن این دستگاه‌ها، خصوصا بخش‌های اپتیکال، بی‌احتیاطی می‌تونه خسارت‌های جبران‌ناپذیری به بار بیاره.

خب، رسیدیم به آخر خط. وقتشه نمره تعمیرپذیری این گجت عجیب رو بدیم.

با توجه به تمام دردسرهایی که داشتیم، Magic Leap One نمره تعمیرپذیری '''3 از 10''' رو می‌گیره (نمره 10 یعنی راحت‌ترین حالت تعمیر):

← اسپیکرها طراحی ماژولار خوبی دارن و خیلی راحت با یه پیچ‌گوشتی باز و تعویض می‌شن.

← خوشبختانه پیچ‌های استفاده شده از نوع استاندارد تورکس و چهارسو هستن و پیچ عجیبی تو دستگاه نیست.

← باز کردن دستگاه روی کاغذ غیرمخربه، اما به خاطر حجم وحشتناک چسب و قطعات فوق‌العاده ظریف، به صبر ایوب و دست‌های بدون لرزش نیاز داری.

← تعویض باتری کابوسه! باید کل مادربرد رو باز کنی و از چند لایه سد چسبی محکم رد بشی تا تازه به باتری برسی.

← هیچ راهی برای ارتقای پردازنده یا سیستم اپتیکال وجود نداره، که برای یه گجت با این قیمت نجومی یکم ناامیدکننده‌ست. در کل، این هدست یه شاهکار مهندسیه که برای تعمیر شدن ساخته نشده. ممنون که تا آخر این کالبدشکافی نفس‌گیر با مجله آیسی‌مدار همراه بودی! اگه این آموزش برات جذاب بود، حتما اپلیکیشن آیسی‌مدار رو به دوستای فنیت معرفی کن تا اونا هم از این مطالب استفاده کنن.