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解決近眼顯示技術(shù)存在哪些挑戰(zhàn)?聽小編一一道來

發(fā)布時(shí)間:2015-06-16 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】各種各樣的虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)近眼顯示(NED)解決方案目前正在研發(fā)中,而數(shù)字內(nèi)容與物理世界無縫融合帶來的視覺體驗(yàn)的可行性也在持續(xù)增加。讓我們深入考察一下在設(shè)計(jì)令人震撼的透視型近眼顯示器,以將數(shù)字世界與物理世界無縫融合時(shí)所面臨的一些最具挑戰(zhàn)性的問題。
 
在許多情況下,對(duì)近眼顯示解決方案的技術(shù)優(yōu)化不只是一個(gè)“有了更好”的問題,而是能夠決定其可用性的重要問題。設(shè)想一位外科醫(yī)生或內(nèi)科急救專家在治病時(shí)佩戴了近眼顯示器作為輔助工具。在這種環(huán)境中,一個(gè)清晰、不突兀的視覺體驗(yàn)至關(guān)重要。或者,想象視頻游戲播放機(jī),要想提供無縫、實(shí)時(shí)的體驗(yàn),就要求顯示延遲非常低。在這兩種情況中,逼真的視覺體驗(yàn)取決于最大程度地降低顯示圖像的等待時(shí)間(延遲),最大程度地提高光學(xué)對(duì)比度和增加被顯示信息的視角(FOV)。
顯示延遲打造實(shí)時(shí)體驗(yàn)的關(guān)鍵
顯示延遲打造實(shí)時(shí)體驗(yàn)的關(guān)鍵
 
首先考慮系統(tǒng)延遲,許多系統(tǒng)層面的元件都會(huì)產(chǎn)生延遲,整合在一起就是用戶所體驗(yàn)到的延遲。為此,我們著眼于與顯示引擎相關(guān)的部分,并可將其劃分為以下兩部分:第一部分稱為“像素?cái)?shù)據(jù)更新時(shí)間”,是顯示設(shè)備將新數(shù)據(jù)值“載入”顯示像素所用時(shí)間。對(duì)于許多顯示引擎結(jié)構(gòu),這是一個(gè)或多個(gè)幀像周期,從輸入至引擎開始測(cè)量。假如延遲一幀,對(duì)于60Hz源就是約16.67毫秒,這對(duì)許多現(xiàn)代顯示技術(shù)是稀松平常的事,其包含了一個(gè)便于圖像處理的幀內(nèi)存。對(duì)于有些顯示引擎,像素?cái)?shù)據(jù)更新時(shí)間可能是兩個(gè)或更多幀。顯示延遲的第二部分是“像素切換時(shí)間”,這是一個(gè)像素從電流態(tài)(開或關(guān))切換為反態(tài)所用時(shí)間。當(dāng)像素充分沉淀,人類觀察者可清楚察覺新數(shù)據(jù)的時(shí)候,像素切換時(shí)間結(jié)束。像素?cái)?shù)據(jù)更新時(shí)間和像素切換時(shí)間是人類觀察者察覺的顯示總延遲時(shí)間。16.67毫秒的延遲時(shí)間通常被視為很好的表現(xiàn),有些顯示情況會(huì)達(dá)到60毫秒或更高。
 
對(duì)比度數(shù)字內(nèi)容與真實(shí)世界視覺融合的關(guān)鍵
 
除了提供低延遲的實(shí)時(shí)體驗(yàn)外,理想的近眼顯示解決方案應(yīng)提供透明的內(nèi)容,具有高清晰度,不阻礙終端用戶的真實(shí)世界觀感。例如,如果要顯示的數(shù)據(jù)只采用20%的顯示設(shè)備像素陣列,那么,其余80%對(duì)用戶就實(shí)際不可見,進(jìn)而將數(shù)字內(nèi)容與真實(shí)世界融合在一起。重要的是,在透視型近眼顯示光學(xué)系統(tǒng)中,圖像不顯示在半透明表面(即眼鏡片上)。由于該表面按定義非常接近使用者的眼睛,在半透明表面上的顯示就是無效的,人眼無法舒適地聚焦于如此近的事物。光學(xué)系統(tǒng)沒有在一個(gè)表面上創(chuàng)建圖像,而是形成了光瞳,人眼在光學(xué)鏈路中充當(dāng)最后的元件-從而將最終圖像創(chuàng)建于眼球的視網(wǎng)膜上。
對(duì)比度數(shù)字內(nèi)容與真實(shí)世界視覺融合的關(guān)鍵
照明系統(tǒng)—DLP數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)—光學(xué)系統(tǒng)—人眼
 
普通透視型NED光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)波導(dǎo)光學(xué)元件,收集輸入的光,傳遞給人眼。這種安排不僅形成必要的光瞳,還可以定位微顯示、光學(xué)和照明,不妨礙使用者的視域。既然我們理解了光學(xué)系統(tǒng),那么,我們?nèi)绾未_保被顯示的圖像的透明區(qū)域不妨礙使用者的視域呢?實(shí)現(xiàn)這一目的的最佳途徑是,最大程度地增大光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)比度。下面這張圖片說明了對(duì)比度所能帶來的顯示沖擊力,這是近眼顯示器使用者所看到的。
數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)微鏡陣列前像素新TRP
低對(duì)比度高對(duì)比度
 
近眼顯示設(shè)計(jì)中的許多要素都能影響對(duì)比度,主要包括光學(xué)設(shè)計(jì)的光圈數(shù)(f值)和是否具備先進(jìn)的圖像處理算法。對(duì)于一些微顯示設(shè)備,填充系數(shù)也會(huì)影響對(duì)比度,但通常影響程度要低一些。光學(xué)設(shè)計(jì)的f值說明透鏡焦距與入射通孔的直徑的比。更高的f值能得到更高的對(duì)比度-并降低光學(xué)復(fù)雜度和縮小尺寸。雖然高f值能帶來更高的對(duì)比度,它也必須與要求的視角進(jìn)行平衡-因?yàn)楦叩膄值不僅增加對(duì)比度,同時(shí)也降低了視角。
 
通過對(duì)RGB背光源(即LED亮度)的智能管理,結(jié)合各圖像幀獲得的數(shù)字增益,先進(jìn)圖像處理技術(shù)也可以改善對(duì)比度。例如,德州儀器DLP產(chǎn)品公司的TRP芯片具備IntelliBright™算法,其中包括被稱之為內(nèi)容適配性照度控制(CAIC)功能。根據(jù)圖象內(nèi)容和環(huán)境照明條件,該算法可以智能地調(diào)節(jié)圖像的亮度。這不僅產(chǎn)生最佳圖象亮度和對(duì)比度,還使系統(tǒng)電力消耗最優(yōu);這是近眼顯示技術(shù)的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。
數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)微鏡陣列前像素新TRP
數(shù)字微鏡設(shè)備(DMD)微鏡陣列前像素新TRP
 
通過更大的視角保持自然的透視型視覺體驗(yàn)
 
人眼具有差不多180度的水平視角。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備通常具有20-60($1.3500)度的視角,這足以產(chǎn)生自然的觀看體驗(yàn)。與之對(duì)比的是,典型的穿透式智能眼睛解決方案的視角很小,使得使用者必須周期性不自然地去關(guān)注它。大多數(shù)透視型近眼顯示應(yīng)用的趨勢(shì)是更大的視角。更大的視角也可以允許更多內(nèi)容與使用者對(duì)真實(shí)世界的自然觀察重疊顯示,從而提供了更高質(zhì)量的視覺體驗(yàn)。視角通常受三個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素控制:微顯示陣列對(duì)角線尺寸、光學(xué)f值和波導(dǎo)端的瞳孔尺寸。這些因素間要考慮權(quán)衡幾個(gè)關(guān)系:更大的陣列對(duì)角尺寸會(huì)提供更高的視角,并且在大多數(shù)情況下也提供更高的解析度,但這也會(huì)增加系統(tǒng)的體積,因?yàn)閷?duì)角線尺寸通常要轉(zhuǎn)化為更大的光學(xué)器件。更低f值光學(xué)設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生更大的視角,但也會(huì)增加光學(xué)尺寸和降低對(duì)比度。隨著瞳孔尺寸增加,視角會(huì)減小。例如,5毫米的瞳孔可以獲得45度的視角,而10毫米的瞳孔在相同f值的情況下獲得的視角不到25度。
 
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