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近眼显示器设计—如何实现引人入胜的视觉体验
 

【作者: Carlos Lope、Dan Morgan】2015年04月09日 星期四

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近来各式各样的虚拟实境(VR)及扩增实境(AR)近眼显示器(near-eye display; NED)已进入紧锣密鼓的研发阶段,实现数位内容与实体世界无缝结合的视觉飨宴指日可待。本文将深入探讨,设计引人入胜并「无缝」结合数位与实体世界的穿透式(see-through)近眼显示解决方案将会面临的主要挑战与相应解决之道。



图一
图一

在许多情况下,发展高阶近眼显示器技术的意义并不在于产品的噱头,而是其对提升实用度的重要性。举例来说,外科医师或急救人员可以借助于近眼显示器对病患进行治疗,然而在这样的环境下,清晰而无阻碍的视觉体验是相当重要的;而对电玩游戏玩家来说,缩短显示器的迟滞时间(lag)才能确保无缝接轨的即时体验。


要在上述两种情况下实现优质的视觉体验,取决于是否能将影像显示的延迟(latency)降至最低、提升光学对比度至最高,并且将显示资讯的视野(FOV)达到最佳化。


显示延迟 — 打造即时体验的关键

首先考量的是系统延迟的部分。许多系统级元件与使用者的延迟体验息息相关。接下来我们先着重于与显示引擎相关的部分,而这又可分为两大元件:


显示(画素)延迟 = 画素资料更新时间 + 画素转换时间


第一个元件称为「画素资料更新时间」,也就是显示装置将新资料值「载入」显示画素所花费的时间。对许多显示引擎架构来说,这代表从输入到引擎所测量出来的一个或多个画面时间(frame time)。假设延迟了一个画面时间,也就代表来源频率为60Hz时的延迟约为16.67毫秒(ms),而这种情况算是相当普遍的,因为现在许多显示技术都包含了一个画面暂存记忆体(frame memory)以利影像处理。对某些显示引擎来说,画素资料更新时间可能相当于两个或两个以上的画面(frame)。


显示延迟的第二个元件则是「画素转换时间」,也就是画素从现有状态(开启或关闭)转换至相反状态所需的时间。画素转换时间的结束就是当画素趋于稳定,足以让使用者清楚看见最新资料的状态。


画素资料更新时间加上画素转换时间,就是使用者所感受到的显示延迟时间。一般认为16.67毫秒的显示延迟时间已经算非常好,但某些显示器的延迟时间可能超过60毫秒。


德州仪器(Texas Instruments;TI)DLP Pico晶片的画素速度是藉由数位微型反射镜(画素)每秒数千次的翻转,缩短显示延迟,最高可支援120Hz显示帧率,维持极高的影像品质。


对比 — 在视觉上结合数位内容与实体世界体验的关键

除了提供低延迟的即时体验外,理想的近眼显示器解决方案要能够提供高度透明的内容,并具备高清晰度且不致阻碍使用者观看实体物件的性能。举例来说,如果显示资料时只运用了20%的显示装置画素阵列,剩下的80%就应该对使用者完全隐形,实现数位内容与真实世界的无缝结合。


但是必须注意的是,在穿透式近眼显示光学系统当中,影像并非显示于半透明的表面上(亦即眼镜镜片)。由于显示表面原本就非常接近使用者眼睛,眼睛因而无法在舒适的状况下聚焦于距离太近的物体,半透明表面因此不能有效地显示影像。光学系统并非在显示表面上制造影像,而是形成一个光学瞳孔,而人眼则为整个光学作用链当中的最后一个元件 — 借此在眼睛网膜上生成最后影像。



图二
图二

一般的穿透式近眼显示器光学系统都会包含一个波导光学元件,它能收集导入端的光线,再转送至使用者的眼部。这种作法不只提供了不可或缺的光学瞳孔,也让微显示、光学与照明能够正确定位,不致阻挡使用者视线。


在了解光学系统之后,如何确保显示影像的透明部分不会阻碍使用者视线是另一项课题。最佳解决之道就是让光学系统的对比度达到最大值。透过下列图片即可说明,对比度对近眼显示器使用者所看到的影像会造成什么样的影响。



图三 :  对比度对近眼显示器用户所看到的影像造成的影响。(注:此为仿真图,并非近眼显示器实际影像)
图三 : 对比度对近眼显示器用户所看到的影像造成的影响。(注:此为仿真图,并非近眼显示器实际影像)

近眼显示器设计过程中有数不清的环节都会影响对比度。主要的影响因素包括光学设计的光圈数(F-number),以及是否采用高阶影像处理演算法。对部分微显示装置来说,填充系数(fill-factor)也会影响对比度,但通常影响较小。


光学设计中的光圈数,指的就是镜片焦距相对于入射光瞳(entrance pupil)直径的比值。光圈数越高对比度就越高,同时也会降低光学复杂度并缩小光学元件尺寸。虽然光圈数越高可以提升对比度,但也必须配合视野上的需求 — 因为高光圈数不只增强对比,同时也会缩小视野。


高阶影像处理也能提升对比度,藉由智慧化管理RGB照明(亦即LED亮度)并配合每个影像画面的数位增益(digital gain)达成所需效果。举例来说,德州仪器DLP产品部新推出的TRP晶片组便采用IntelliBright演算法套件,具有内容自适应照明控制(CAIC)的功能。这套演算法能根据影像内容与周围光线状况,聪明地调整影像亮度,不仅达到最佳影像亮度及对比,更能优化在近眼显示器中最重要的元素之一 —系统能耗。



图四
图四

开阔视野下维持自然的穿透式体验

人眼的水平视野几乎可达180度。扩增实境所使用的头戴式显示器,视野通常在20到60度之间,足够提供效果自然的视觉体验。相较之下,一般智慧眼镜解决方案视野通常较小,使用者必须极不自然地定期盯着它看。目前多数穿透式近眼显示应用的趋势是采用较大视野。在视野更宽广的情况下,显示器就能在使用者观看真实世界时覆盖上更多内容,借此提供更高品质的视觉体验。


视野受三大设计因素所控制:微显示阵列的对角线尺寸、光学光圈数,以及波导终端的瞳孔大小。必须在这几项因素中权衡下列考量:在大多数的案例中,阵列对角线尺寸越长,视野就会越大且解析度更高,然而系统尺寸也会随之增大,这是因为对角线尺寸越长,通常光学元件就会越大。光圈数越低的光学设计,视野就会随之增大;然而这也会增加光学元件尺寸并降低对比度。而瞳孔尺寸越大,视野也随之缩小。举例来说,5毫米的瞳孔能达到45度的视野,相同光圈数的10毫米瞳孔,视野则不到25度。


随着多种穿透式近眼显示解决方案的发展,实现数位内容与实体世界无缝接轨的视觉体验已成当务之急。要解决设计上的各种难题,就必须权衡足以直接影响终端使用者体验的各项因素。


(本文作者Carlos Lopez为德州仪器DLP Pico 产品部策略行销经理;Dan Morgan为德州仪器DLP Pico产品部系统工程师)


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