近眼显示设计-如何提供逼真的视觉体验

  【天极网家电频道】各种各样的虚拟现实(VR)和增强现实(AR)近眼显示(NED)解决方案目前正在研发中，而数字内容与物理世界无缝融合带来的视觉体验的可行性也在持续增加。让我们深入考察一下在设计令人震撼的透视型近眼显示器，以将数字世界与物理世界无缝融合时所面临的一些最具挑战性的问题。

  在许多情况下，对近眼显示解决方案的技术优化不只是一个“有了更好”的问题，而是能够决定其可用性的重要问题。设想 一位外科医生或内科急救专家在治病时佩戴了近眼显示器作为辅助工具。在这种环境中，一个清晰、不突兀的视觉体验至关重要。或者，想象视频游戏播放机，要想提供无缝、实时的体验，就要求显示延迟非常低。

  在这两种情况中，逼真的视觉体验取决于最大程度地降低显示图像的等待时间(延迟)，最大程度地提高光学对比度和增加被显示信息的视角(FOV)。

  显示延迟-打造实时体验的关键

  首先考虑系统延迟，许多系统层面的元件都会产生延迟，整合在一起就是用户所体验到的延迟。为此，我们着眼于与显示引擎相关的部分，并可将其划分为以下两部分：

  显示(像素)延迟=像素数据更新时间+像素切换时间

  第一部分称为“像素数据更新时间”，是显示设备将新数据值“载入”显示像素所用时间。对于许多显示引擎结构，这是一个或多个帧像周期，从输入至引擎开始测量。假如延迟一帧，对于60Hz源就是约16.67毫秒，这对许多现代显示技术是稀松平常的事，其包含了一个便于图像处理的帧内存。对于有些显示引擎，像素数据更新时间可能是两个或更多帧。

  显示延迟的第二部分是“像素切换时间”，这是一个像素从电流态(开或关)切换为反态所用时间。当像素充分沉淀，人类观察者可清楚察觉新数据的时候，像素切换时间结束。

  像素数据更新时间和像素切换时间是人类观察者察觉的 显示总延迟时间。16.67毫秒的延迟时间通常被视为很好的表现，有些显示情况会达到60毫秒或更高。

  德州仪器 DLP® Pico 芯片具有现有最快的像素速度，每秒可翻转每个数字微镜(像素)数千次，从而降低了显示延迟，支持高达120Hz的显示帧速率，同时，保持高画质。

  对比度-数字内容与真实世界视觉融合的关键

  除了提供低延迟的实时体验外，理想的近眼显示解决方案应提供透明的内容，具有高清晰度，不阻碍终端用户的真实世界观感。例如，如果要显示的数据只采用20%的显示设备像素阵列，那么，其余80%对用户就实际不可见，进而将数字内容与真实世界融合在一起。

  重要的是，在透视型近眼显示光学系统中，图像不显示在半透明表面(即眼镜片上)。由于该表面按定义非常接近使用者的眼睛，在半透明表面上的显示就是无效的，人眼无法舒适地聚焦于如此近的事物。光学系统没有在一个表面上创建图像，而是形成了光瞳，人眼在光学链路中充当最后的元件-从而将最终图像创建于眼球的视网膜上。

  照明系统—DLP数字微镜设备(DMD)—光学系统—人眼

  普通透视型NED光学系统包括一个波导光学元件，收集输入的光，传递给人眼。这种安排不仅形成必要的光瞳，还可以定位微显示、光学和照明，不妨碍使用者的视域。

  既然我们理解了光学系统，那么，我们如何确保被显示的图像的透明区域不妨碍使用者的视域呢？实现这一目的的最佳途径是，最大程度地增大光学系统的对比度。下面这张图片说明了对比度所能带来的显示冲击力，这是近眼显示器使用者所看到的。

   注：照片是模拟的，非实际近眼显示器的图像

  低对比度 高对比度

  近眼显示设计中的许多要素都能影响对比度，主要包括光学设计的光圈数(f值)和是否具备先进的图像处理算法。对于一些微显示设备，填充系数也会影响对比度，但通常影响程度要低一些。

  光学设计的f值说明透镜焦距与入射通孔的直径的比。更高的f值能得到更高的对比度-并降低光学复杂度和缩小尺寸。虽然高f值能带来更高的对比度，它也必须与要求的视角进行平衡-因为更高的f值不仅增加对比度，同时也降低了视角。

  通过对RGB背光源(即LED亮度)的智能管理，结合各图像帧获得的数字增益，先进图像处理技术也可以改善对比度。例如，德州仪器DLP产品公司的TRP芯片具备IntelliBright™算法，其中包括被称之为内容适配性照度控制(CAIC)功能。根据图象内容和环境照明条件，该算法可以智能地调节图像的亮度。这不仅产生最佳图象亮度和对比度，还使系统电力消耗最优;这是近眼显示技术的另一个重要优势。

   数字微镜设备(DMD) 微镜阵列 前像素 新TRP

  通过更大的视角保持自然的透视型视觉体验

  人眼具有差不多180度的水平视角。增强现实头戴设备通常具有20-60度的视角，这足以产生自然的观看体验。与之对比的是，典型的穿透式智能眼睛解决方案的 视角很小，使得使用者必须周期性不自然地去关注它。大多数透视型近眼显示应用的趋势是更大的视角。更大的视角也可以允许更多内容与使用者对真实世界的自然观察重叠显示，从而提供了更高质量的视觉体验。

  视角通常受三个关键设计要素控制：微显示阵列对角线尺寸、光学f值和波导端的瞳孔尺寸。这些因素间要考虑权衡几个关系：更大的阵列对角尺寸会提供更高的视角，并且在大多数情况下也提供更高的解析度，但这也会增加系统的体积，因为对角线尺寸通常要转化为更大的光学器件。更低f值光学设计会产生更大的视角，但也会增加光学尺寸和降低对比度。随着瞳孔尺寸增加，视角会减小。例如，5毫米的瞳孔可以获得45度的视角，而10毫米的瞳孔在相同f值的情况下获得的视角不到25度。

  对于仍处于开发中的许多透视型近眼显示解决方案，提供数字内容与物理世界无缝融合的视觉体验至为重要。设计难题要求对直接影响终端用户的体验诸项因素做出取舍平衡。有关这些平衡关系的更多情况，请查阅近眼显示DLP技术白皮书，和访问TI E2E™社区DLP产品和MEMS论坛，与德仪专家一起探索设计解决方案。