盤點近眼顯示技術解決方案存在的挑戰

　　各種各樣的虛擬現實（VR）和增強現實（AR）近眼顯示（NED）解決方案目前正在研發中，而數字內容與物理世界無縫融合帶來的視覺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縫融合時所面臨的一些最具挑戰性的問題。

　　在許多情況下，對近眼顯示解決方案的技術優化不只是一個“有了更好”的問題，而是能夠決定其可用性的重要問題。設想一位外科醫生或內科急救專家在治病時佩戴了近眼顯示器作為輔助工具。在這種環境中，一個清晰、不突兀的視覺體驗至關重要?；蛘?，想象視頻游戲播放機，要想提供無縫、實時的體驗，就要求顯示延遲非常低。在這兩種情況中，逼真的視覺體驗取決于最大程度地降低顯示圖像的等待時間（延遲），最大程度地提高光學對比度和增加被顯示信息的視角（FOV）。

　　顯示延遲打造實時體驗的關鍵

　　首先考慮系統延遲，許多系統層面的元件都會產生延遲，整合在一起就是用戶所體驗到的延遲。為此，我們著眼于與顯示引擎相關的部分，并可將其劃分為以下兩部分：第一部分稱為“像素數據更新時間”，是顯示設備將新數據值“載入”顯示像素所用時間。對于許多顯示引擎結構，這是一個或多個幀像周期，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，這對許多現代顯示技術是稀松平常的事，其包含了一個便于圖像處理的幀內存。對于有些顯示引擎，像素數據更新時間可能是兩個或更多幀。顯示延遲的第二部分是“像素切換時間”，這是一個像素從電流態（開或關）切換為反態所用時間。當像素充分沉淀，人類觀察者可清楚察覺新數據的時候，像素切換時間結束。像素數據更新時間和像素切換時間是人類觀察者察覺的顯示總延遲時間。16.67毫秒的延遲時間通常被視為很好的表現，有些顯示情況會達到60毫秒或更高。

　　對比度數字內容與真實世界視覺融合的關鍵

　　除了提供低延遲的實時體驗外，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，不阻礙終端用戶的真實世界觀感。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%對用戶就實際不可見，進而將數字內容與真實世界融合在一起。重要的是，在透視型近眼顯示光學系統中，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效的，人眼無法舒適地聚焦于如此近的事物。光學系統沒有在一個表面上創建圖像，而是形成了光瞳，人眼在光學鏈路中充當最后的元件-從而將最終圖像創建于眼球的視網膜上。

　　照明系統—DLP數字微鏡設備（DMD）—光學系統—人眼

　　普通透視型NED光學系統包括一個波導光學元件，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、光學和照明，不妨礙使用者的視域。既然我們理解了光學系統，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？實現這一目的的最佳途徑是，最大程度地增大光學系統的對比度。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。

　　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，主要包括光學設計的光圈數（f值）和是否具備先進的圖像處理算法。對于一些微顯示設備，填充系數也會影響對比度，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-并降低光學復雜度和縮小尺寸。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行平衡-因為更高的f值不僅增加對比度，同時也降低了視角。

　　通過對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，先進圖像處理技術也可以改善對比度。例如，德州儀器DLP產品公司的TRP芯片具備IntelliBright?算法，其中包括被稱之為內容適配性照度控制（CAIC）功能。根據圖象內容和環境照明條件，該算法可以智能地調節圖像的亮度。這不僅產生最佳圖象亮度和對比度，還使系統電力消耗最優；這是近眼顯示技術的另一個重要優勢。

　　數字微鏡設備（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

　　人眼具有差不多180度的水平視角。增強現實頭戴設備通常具有20-60度的視角，這足以產生自然的觀看體驗。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世界的自然觀察重疊顯示，從而提供了更高質量的視覺體驗。視角通常受三個關鍵設計要素控制：微顯示陣列對角線尺寸、光學f值和波導端的瞳孔尺寸。這些因素間要考慮權衡幾個關系：更大的陣列對角尺寸會提供更高的視角，并且在大多數情況下也提供更高的解析度，但這也會增加系統的體積，因為對角線尺寸通常要轉化為更大的光學器件。更低f值光學設計會產生更大的視角，但也會增加光學尺寸和降低對比度。隨著瞳孔尺寸增加，視角會減小。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。