近眼顯示設(shè)計(jì) 如何提供逼真的視覺體驗(yàn)

　　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?；蛘撸胂笠曨l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

　　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：

　　顯示（像素）延遲=像素?cái)?shù)據(jù)更新時(shí)間+像素切換時(shí)間

　　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量。假如延遲一幀，對于60Hz源就是約16.67毫秒，這對許多現(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。

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

　　對比度-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。

　　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)的對比度。下面這張圖片說明了對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。

　　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(shè)計(jì)中的許多要素都能影響對比度，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。對于一些微顯示設(shè)備，填充系數(shù)也會(huì)影響對比度，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叩膄值不僅增加對比度，同時(shí)也降低了視角。

　　通過對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。

　　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蔷€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。

　　對于仍處于開發(fā)中的許多透視型近眼顯示解決方案，提供數(shù)字內(nèi)容與物理世界無縫融合的視覺體驗(yàn)至為重要。設(shè)計(jì)難題要求對直接影響終端用戶的體驗(yàn)諸項(xiàng)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，和訪問TI E2E™社區(qū)DLP產(chǎn)品和MEMS論壇，與德儀專家一起探索設(shè)計(jì)解決方案。