近眼顯示設計 如何提供逼真的視覺(jué)體驗

　　各種各樣的虛擬現實(shí)（VR）和增強現實(shí)（AR）近眼顯示（NED）解決方案目前正在研發(fā)中，而數字內容與物理世界無(wú)縫融合帶來(lái)的視覺(jué)體驗的可行性也在持續增加。讓我們深入考察一下在設計令人震撼的透視型近眼顯示器，以將數字世界與物理世界無(wú)縫融合時(shí)所面臨的一些最具挑戰性的問(wèn)題。

　　在許多情況下，對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(wèn)題，而是能夠決定其可用性的重要問(wèn)題。設想 一位外科醫生或內科急救專(zhuān)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(jué)體驗至關(guān)重要?；蛘?，想象視頻游戲播放機，要想提供無(wú)縫、實(shí)時(shí)的體驗，就要求顯示延遲非常低。

　　在這兩種情況中，逼真的視覺(jué)體驗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)體驗的關(guān)鍵

　　首先考慮系統延遲，許多系統層面的元件都會(huì )產(chǎn)生延遲，整合在一起就是用戶(hù)所體驗到的延遲。為此，我們著(zhù)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：

　　顯示（像素）延遲=像素數據更新時(shí)間+像素切換時(shí)間

　　第一部分稱(chēng)為“像素數據更新時(shí)間”，是顯示設備將新數據值“載入”顯示像素所用時(shí)間。對于許多顯示引擎結構，這是一個(gè)或多個(gè)幀像周期，從輸入至引擎開(kāi)始測量。假如延遲一幀，對于60Hz源就是約16.67毫秒，這對許多現代顯示技術(shù)是稀松平常的事，其包含了一個(gè)便于圖像處理的幀內存。對于有些顯示引擎，像素數據更新時(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(kāi)或關(guān)）切換為反態(tài)所用時(shí)間。當像素充分沉淀，人類(lèi)觀(guān)察者可清楚察覺(jué)新數據的時(shí)候，像素切換時(shí)間結束。

　　像素數據更新時(shí)間和像素切換時(shí)間是人類(lèi)觀(guān)察者察覺(jué)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，有些顯示情況會(huì )達到60毫秒或更高。

　　德州儀器 DLP® Pico 芯片具有現有最快的像素速度，每秒可翻轉每個(gè)數字微鏡（像素）數千次，從而降低了顯示延遲，支持高達120Hz的顯示幀速率，同時(shí)，保持高畫(huà)質(zhì)。

　　對比度-數字內容與真實(shí)世界視覺(jué)融合的關(guān)鍵

　　除了提供低延遲的實(shí)時(shí)體驗外，理想的近眼顯示解決方案應提供透明的內容，具有高清晰度，不阻礙終端用戶(hù)的真實(shí)世界觀(guān)感。例如，如果要顯示的數據只采用20%的顯示設備像素陣列，那么，其余80%對用戶(hù)就實(shí)際不可見(jiàn)，進(jìn)而將數字內容與真實(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(wú)效的，人眼無(wú)法舒適地聚焦于如此近的事物。光學(xué)系統沒(méi)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)鏈路中充當最后的元件-從而將最終圖像創(chuàng )建于眼球的視網(wǎng)膜上。

　　照明系統—DLP數字微鏡設備（DMD）—光學(xué)系統—人眼

　　普通透視型NED光學(xué)系統包括一個(gè)波導光學(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，那么，我們如何確保被顯示的圖像的透明區域不妨礙使用者的視域呢？實(shí)現這一目的的最佳途徑是，最大程度地增大光學(xué)系統的對比度。下面這張圖片說(shuō)明了對比度所能帶來(lái)的顯示沖擊力，這是近眼顯示器使用者所看到的。

　　注：照片是模擬的，非實(shí)際近眼顯示器的圖像

　　低對比度 高對比度

　　近眼顯示設計中的許多要素都能影響對比度，主要包括光學(xué)設計的光圈數（f值）和是否具備先進(jìn)的圖像處理算法。對于一些微顯示設備，填充系數也會(huì )影響對比度，但通常影響程度要低一些。

　　光學(xué)設計的f值說(shuō)明透鏡焦距與入射通孔的直徑的比。更高的f值能得到更高的對比度-并降低光學(xué)復雜度和縮小尺寸。雖然高f值能帶來(lái)更高的對比度，它也必須與要求的視角進(jìn)行平衡-因為更高的f值不僅增加對比度，同時(shí)也降低了視角。

　　通過(guò)對RGB背光源（即LED亮度）的智能管理，結合各圖像幀獲得的數字增益，先進(jìn)圖像處理技術(shù)也可以改善對比度。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(chēng)之為內容適配性照度控制（CAIC）功能。根據圖象內容和環(huán)境照明條件，該算法可以智能地調節圖像的亮度。這不僅產(chǎn)生最佳圖象亮度和對比度，還使系統電力消耗最優(yōu)；這是近眼顯示技術(shù)的另一個(gè)重要優(yōu)勢。

　　數字微鏡設備（DMD） 微鏡陣列 前像素 新TRP

　　通過(guò)更大的視角保持自然的透視型視覺(jué)體驗

　　人眼具有差不多180度的水平視角。增強現實(shí)頭戴設備通常具有20-60(＄1.3500)度的視角，這足以產(chǎn)生自然的觀(guān)看體驗。與之對比的是，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。大多數透視型近眼顯示應用的趨勢是更大的視角。更大的視角也可以允許更多內容與使用者對真實(shí)世界的自然觀(guān)察重疊顯示，從而提供了更高質(zhì)量的視覺(jué)體驗。

　　視角通常受三個(gè)關(guān)鍵設計要素控制：微顯示陣列對角線(xiàn)尺寸、光學(xué)f值和波導端的瞳孔尺寸。這些因素間要考慮權衡幾個(gè)關(guān)系：更大的陣列對角尺寸會(huì )提供更高的視角，并且在大多數情況下也提供更高的解析度，但這也會(huì )增加系統的體積，因為對角線(xiàn)尺寸通常要轉化為更大的光學(xué)器件。更低f值光學(xué)設計會(huì )產(chǎn)生更大的視角，但也會(huì )增加光學(xué)尺寸和降低對比度。隨著(zhù)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。

　　對于仍處于開(kāi)發(fā)中的許多透視型近眼顯示解決方案，提供數字內容與物理世界無(wú)縫融合的視覺(jué)體驗至為重要。設計難題要求對直接影響終端用戶(hù)的體驗諸項因素做出取舍平衡。有關(guān)這些平衡關(guān)系的更多情況，請查閱近眼顯示DLP技術(shù)白皮書(shū)，和訪(fǎng)問(wèn)TI E2E™社區DLP產(chǎn)品和MEMS論壇，與德儀專(zhuān)家一起探索設計解決方案。