近眼顯示設計：打造身歷其境的視覺體驗

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近來各式各樣的虛擬實境(VR)和擴增實境(AR)近眼顯示器(near-eye display；NED)解決方案正緊鑼密鼓地研發中，實現無縫融合數位內容與實體世界的視覺體驗能力也正持續提升。然而，在設計令人震撼且無縫融合數位世界與實體世界的穿透式(see-through)近眼顯示器解決方案時，也面臨著各種別具挑戰性的問題。


近眼顯示器也就是眾所週知的「頭戴式顯示器」(HMD)或穿戴式顯示器，能夠在配載者的眼睛(單眼或雙眼)視野(FOV)範圍內創造虛擬的影像。

在許多情況下，近眼顯示解決方案的技術精進並不只是為了‘加分效果’，而是能夠提高其實用性的重要問題。設想一位外科醫生或急救人員(EMT)在進行醫療救護時佩戴了近眼顯示器作為輔助工具。在這樣的環境下，一個清晰、無礙的流暢視覺體驗至關重要。或者，想像電玩玩家的視訊遊戲播放器，為了實現無縫、即時的體驗，就需要非常低的顯示延遲。

針對這兩種應用情況，逼真的視覺體驗取決於如何使顯示影像的等待時間(延遲)降至最低、最大程度地提高光學對比度，以及增加顯示資訊的視野。

顯示延遲：打造即時體驗的關鍵

首先考慮系統的延遲部份，許多系統級元件都會產生延遲，整合在一起共同形成用戶所體驗到的延遲。為此，本文將著眼於探討與顯示引擎有關的部份，它可分為以下兩部份：

顯示(畫素)延遲=畫素資料更新時間+畫素切換時間

第一部份稱為「畫素資料更新時間」，這是指顯示裝置將新資料值「載入」顯示畫素所花費的時間。對於許多顯示引擎架構而言，這是指顯示一格(frame)或多格影像的週期，從輸入至引擎開始測量。如果延遲了一格，對於60Hz訊號源來說就是大約16.67毫秒(ms)，而這對於內建訊號格記憶體以利影處理的許多現代顯示技術而言，這是稀鬆平常的事。然而，對於有些顯示引擎，畫素資料更新時間可能需要2格或更多格畫面。

顯示延遲的第二部份是「畫素切換時間」，這是指畫素從現有狀態(開啟或關閉)切換為相反狀態所需的時間。當畫素充份穩定後，使用者可清楚察覺最新資料時，畫素切換時間結束。

畫素資料更新時間加上畫素切換時間，就是人類觀察者察覺到的全部顯示延遲時間。一般認為16.67毫秒的延遲時間通常已是不錯的表現，有些顯示器甚至達到60毫秒或更高的延遲。

德州儀器(Texas Instruments；TI) DLP Pico晶片具有最快的畫素速度，可讓每個數位微鏡(畫素)每秒翻轉達數千次，從而降低了顯示延遲，最高可支援120Hz的顯示畫面播放速率，同時還保有高畫質。





對比度：數位內容與真實世界視覺融合的關鍵

除了提供低延遲且即時的體驗，理想的近眼顯示解決方案還必須提供具有高清晰度的透明內容，而且不至於阻礙終端使用者的真實世界觀感。例如，如果要顯示的資料只採用20%的顯示裝置畫素陣列，那麼，其餘的80%實際上應該讓用戶完全不可視，從而無縫融合數位內容與真實世界。

值得注意的另一重點是，在穿透式近眼顯示光學系統中，影像並不會顯示在半透明的表面(即眼鏡鏡片)。依其定義來看，由於半透明表面非常接近使用者的眼睛，而人眼聚焦於過近的事物時並不舒適，因此無法在半透明表面上有效顯示影像。這種光學系統並非在顯示表面上創造影像，而是形成了一種光瞳，人眼就是這一光學鏈路中的最後元素——由此在人眼的視網膜上創造最終影像。





一般的穿透式NED光學系統包括一個波導光學元件，它可收集輸入的光並傳遞至人眼。這種安排不僅形成了必要的光瞳，還可以定位微顯示、光學和照明，而不妨礙使用者的視野。

至今我們已經瞭解光學系統了，那麼，如何才能確保被顯示影像的透明區域不妨礙使用者的視野呢？實現這一目的的最佳途徑是盡可能地提高光學系統的對比度。如圖3說明近眼顯示器使用者可看到對比度在顯示器上所帶來的顯示衝擊力。






近眼顯示設計中的許多要素都可能影響對比度，主要包括光學設計的光圈數(f值)以及是否具備先進的影像處理演算法。對於一些微顯示裝置，填充係數(fill-factor)也會影響對比度，但通常影響程度要低一些。

光學設計的f值說明透鏡焦距與入射光瞳的直徑比值。更高的f值能得到更高的對比度，並降低光學複雜度和縮小尺寸。雖然較高的f值帶來更高的對比度，它也必須配合視野的要求——因為更高的f值不僅增加對比度，同時也縮小了視野。

透過智慧化管理RGB照明(即LED亮度)，結合各影像畫面的數位增益(digital gain)等先進影像處理技術也可以改善對比度。例如，TI DLP產品系列的高畫質Tilt & Roll Pixel (TRP)晶片組配備IntelliBright演算法，其中並包括被稱之為內容自適應照明控制(CAIC)功能。該演算法能根據影像內容和環境照明條件，智慧地調節影像的亮度。這不僅能達到最佳影像亮度和對比度，還可使系統電力功耗最佳化——近眼顯示技術的另一個重要優勢。




透過更廣視野維持透明的視覺體驗

人眼具有差不多180度的水平視野。擴增實境頭戴式顯示器通常擁有20-60度的視野，這足以產生自然的觀看體驗。相形之下，典型的智慧眼鏡解決方案視野很小，迫使使用者必須不自然地定期盯著它看。目前大多數穿透式近眼顯示應用的趨勢是提供更大的視野。在視野更廣大的情況下，顯示器就能在使用者自然觀看真實世界時覆蓋更多的內容，從而提供更高品質的視覺體驗。

視野通常受三項關鍵設計要素控制：微顯示陣列對角線尺寸、光學f值和波導端的瞳孔尺寸。在設計時必須在這些因素間權衡幾種關係：更大尺寸的陣列對角尺寸可提供更高的視野，並且在大多數情況下提供更高的解析度，但這也會增加系統的尺寸，因為對角線尺寸通常會使用更大的光學元件。更低f值光學設計會產生更大的視野，但也會增加光學尺寸和降低對比度。隨著瞳孔尺寸增加，視野隨之減小。例如，5毫米的瞳孔可以達到45度的視野，而10毫米的瞳孔在相同f值的情況下所獲得的視野不到25度。

隨著各種穿透式近眼顯示解決方案持續發展，提供無縫融合數位內容與實體世界的視覺體驗至為重要。為了克服設計面臨的挑戰，必須權衡各種直接影響終端使用者體驗的諸多因素。