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近眼顯示器設計—如何實現引人入勝的視覺體驗
 

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

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近來各式各樣的虛擬實境(VR)及擴增實境(AR)近眼顯示器(near-eye display; NED)已進入緊鑼密鼓的研發階段,實現數位內容與實體世界無縫結合的視覺饗宴指日可待。本文將深入探討,設計引人入勝並「無縫」結合數位與實體世界的穿透式(see-through)近眼顯示解決方案將會面臨的主要挑戰與相應解決之道。



圖一
圖一

在許多情況下,發展高階近眼顯示器技術的意義並不在於產品的噱頭,而是其對提升實用度的重要性。舉例來說,外科醫師或急救人員可以藉助於近眼顯示器對病患進行治療,然而在這樣的環境下,清晰而無阻礙的視覺體驗是相當重要的;而對電玩遊戲玩家來說,縮短顯示器的遲滯時間(lag)才能確保無縫接軌的即時體驗。


要在上述兩種情況下實現優質的視覺體驗,取決於是否能將影像顯示的延遲(latency)降至最低、提升光學對比度至最高,並且將顯示資訊的視野(FOV)達到最佳化。


顯示延遲 — 打造即時體驗的關鍵

首先考量的是系統延遲的部分。許多系統級元件與使用者的延遲體驗息息相關。接下來我們先著重於與顯示引擎相關的部分,而這又可分為兩大元件:


顯示(畫素)延遲 = 畫素資料更新時間 + 畫素轉換時間


第一個元件稱為「畫素資料更新時間」,也就是顯示裝置將新資料值「載入」顯示畫素所花費的時間。對許多顯示引擎架構來說,這代表從輸入到引擎所測量出來的一個或多個畫面時間(frame time)。假設延遲了一個畫面時間,也就代表來源頻率為60Hz時的延遲約為16.67毫秒(ms),而這種情況算是相當普遍的,因為現在許多顯示技術都包含了一個畫面暫存記憶體(frame memory)以利影像處理。對某些顯示引擎來說,畫素資料更新時間可能相當於兩個或兩個以上的畫面(frame)。


顯示延遲的第二個元件則是「畫素轉換時間」,也就是畫素從現有狀態(開啟或關閉)轉換至相反狀態所需的時間。畫素轉換時間的結束就是當畫素趨於穩定,足以讓使用者清楚看見最新資料的狀態。


畫素資料更新時間加上畫素轉換時間,就是使用者所感受到的顯示延遲時間。一般認為16.67毫秒的顯示延遲時間已經算非常好,但某些顯示器的延遲時間可能超過60毫秒。


德州儀器(Texas Instruments;TI)DLP Pico晶片的畫素速度是藉由數位微型反射鏡(畫素)每秒數千次的翻轉,縮短顯示延遲,最高可支援120Hz顯示幀率,維持極高的影像品質。


對比 — 在視覺上結合數位內容與實體世界體驗的關鍵

除了提供低延遲的即時體驗外,理想的近眼顯示器解決方案要能夠提供高度透明的內容,並具備高清晰度且不致阻礙使用者觀看實體物件的性能。舉例來說,如果顯示資料時只運用了20%的顯示裝置畫素陣列,剩下的80%就應該對使用者完全隱形,實現數位內容與真實世界的無縫結合。


但是必須注意的是,在穿透式近眼顯示光學系統當中,影像並非顯示於半透明的表面上(亦即眼鏡鏡片)。由於顯示表面原本就非常接近使用者眼睛,眼睛因而無法在舒適的狀況下聚焦於距離太近的物體,半透明表面因此不能有效地顯示影像。光學系統並非在顯示表面上製造影像,而是形成一個光學瞳孔,而人眼則為整個光學作用鏈當中的最後一個元件 — 藉此在眼睛網膜上生成最後影像。



圖二
圖二

一般的穿透式近眼顯示器光學系統都會包含一個波導光學元件,它能收集導入端的光線,再轉送至使用者的眼部。這種作法不只提供了不可或缺的光學瞳孔,也讓微顯示、光學與照明能夠正確定位,不致阻擋使用者視線。


在了解光學系統之後,如何確保顯示影像的透明部分不會阻礙使用者視線是另一項課題。最佳解決之道就是讓光學系統的對比度達到最大值。透過下列圖片即可說明,對比度對近眼顯示器使用者所看到的影像會造成什麼樣的影響。



圖三 :  對比度對近眼顯示器使用者所看到的影像造成的影響。(註:此為模擬圖,並非近眼顯示器實際影像)
圖三 : 對比度對近眼顯示器使用者所看到的影像造成的影響。(註:此為模擬圖,並非近眼顯示器實際影像)

近眼顯示器設計過程中有數不清的環節都會影響對比度。主要的影響因素包括光學設計的光圈數(F-number),以及是否採用高階影像處理演算法。對部分微顯示裝置來說,填充係數(fill-factor)也會影響對比度,但通常影響較小。


光學設計中的光圈數,指的就是鏡片焦距相對於入射光瞳(entrance pupil)直徑的比值。光圈數越高對比度就越高,同時也會降低光學複雜度並縮小光學元件尺寸。雖然光圈數越高可以提升對比度,但也必須配合視野上的需求 — 因為高光圈數不只增強對比,同時也會縮小視野。


高階影像處理也能提升對比度,藉由智慧化管理RGB照明(亦即LED亮度)並配合每個影像畫面的數位增益(digital gain)達成所需效果。舉例來說,德州儀器DLP產品部新推出的TRP晶片組便採用IntelliBright演算法套件,具有內容自適應照明控制(CAIC)的功能。這套演算法能根據影像內容與周圍光線狀況,聰明地調整影像亮度,不僅達到最佳影像亮度及對比,更能優化在近眼顯示器中最重要的元素之一 —系統能耗。



圖四
圖四

開闊視野下維持自然的穿透式體驗

人眼的水平視野幾乎可達180度。擴增實境所使用的頭戴式顯示器,視野通常在20到60度之間,足夠提供效果自然的視覺體驗。相較之下,一般智慧眼鏡解決方案視野通常較小,使用者必須極不自然地定期盯著它看。目前多數穿透式近眼顯示應用的趨勢是採用較大視野。在視野更寬廣的情況下,顯示器就能在使用者觀看真實世界時覆蓋上更多內容,藉此提供更高品質的視覺體驗。


視野受三大設計因素所控制:微顯示陣列的對角線尺寸、光學光圈數,以及波導終端的瞳孔大小。必須在這幾項因素中權衡下列考量:在大多數的案例中,陣列對角線尺寸越長,視野就會越大且解析度更高,然而系統尺寸也會隨之增大,這是因為對角線尺寸越長,通常光學元件就會越大。光圈數越低的光學設計,視野就會隨之增大;然而這也會增加光學元件尺寸並降低對比度。而瞳孔尺寸越大,視野也隨之縮小。舉例來說,5毫米的瞳孔能達到45度的視野,相同光圈數的10毫米瞳孔,視野則不到25度。


隨著多種穿透式近眼顯示解決方案的發展,實現數位內容與實體世界無縫接軌的視覺體驗已成當務之急。要解決設計上的各種難題,就必須權衡足以直接影響終端使用者體驗的各項因素。


(本文作者Carlos Lope為德州儀器DLP Pico 產品部策略行銷經理;Dan Morgan為德州儀器DLP Pico產品部系統工程師)


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