运用近眼显示器建构更趋真实的VR体验

htc Vive为近期相当热门的VR头戴显示器产品。htc

显示品质是虚拟实境应用能否建构使用沉浸体感的重要关键，在用户所配戴的头戴式显示器所提供VR视觉重现，虚考量的重点与常规显示器大不相同，除在显示品质的要求外，针对VR应用所需的变形修正、与针对VR影像处理的画面优化。

虚拟实境(Virtual reality；VR)应用日趋热门，不仅开发VR硬件设备的业者争相投入抢食市场，游戏软件、VR影片等娱乐素材内容亦持续增，VR应用生态系已俨然成形。但实践更趋真实体感的VR应用，最重要的关键在于近眼显示器模块的显示性能，这部份的技术与加值应用，也是这波VR热潮备下受关注的重点项目。

近眼显示器为左右AR/VR应用体验关键

对VR硬件设备而言，显示系统应为左右使用体验最关键的设计，不管是VR还是增实境(Augmented Reality；AR)应用，其显示系统为由近眼显示器(near-eye display；NED)组成，NED元件模块相关的品质、性能优化各厂商也正积极进行，同时NED开发由于仍为新颖的前端技术，也存在许多技术瓶颈尚待克服。

由于NED近眼显示器尚在发展初期，目前开发重点多着重在显示器的画面分辨率、画面更新率等基本显示规格提升方面，同时，为了提升头戴显示器(head-mounted display；HMD)的配戴舒适度，NED元件的轻量化设计与模块简化设计，同时也是显示模块的优化重点。

NED近眼显示器主要为提供配戴者眼睛在VR世界中重建「视野(Field of View；FOV)」的重要元件，透过重现模拟视野影像达到更趋逼真的VR使用体验。尤其是VR应用不只是用于游戏用途，也可针对教育训练、科学学习等用途发展进阶应用，例如，医学系所的解剖、手术等VR影像学习，就可以透过e化工具优化学习成效，同时也能在增可重复操作的常规训练，避免每次实作都需要在实验室对实验体进行操作，增加操作熟练度同时也能降低训练成本。

NEDm元件优化 提升VR教育应用价值

但对于专业VR训练用途，NED近接显示器就必须能提供高分辨率、低延迟的显示效果，同时VR画面播放需达到清晰、稳定与无延迟的呈现效果，显示器本身需要最大程度提升光学对比度、同时降低画面延迟，并增显示画面的视野等。在众多显示器要求项目中，第一优先为显示延迟的改善，因为近眼显示器更接近眼球，人眼对极细像素的差异表现并不容易察觉，但对于画面呈现是否流畅、却可以很容易发现，因此改善近眼显示器的显示延迟问题，成为打造优质VR用户体验的第一步。

基本上近眼显示器产生的延迟问题，其实并不全然是显示器所造成，影响画面延迟的问题相当多，而最终显示画面延迟不过是众多因素影响下的结果罢了。首先，可能先找出影响画面延迟的问题来源，逐一改善优化效能才能收到降低延迟的改善效益。

在屏幕表现力的部分，延迟的肇因可能是显示像素本身的延迟造成，这部分可以改善单一像素的数据更新时间、像素切换时间，动到较多的显示器面板设计方面。

图像延迟将影响VR使用体验

若不计显示技术本身导致的延迟问题，在系统方面也仍存在许多影响图像延迟的设计问题，例如，系统效能处理图像运算所造成的延迟，可能在系统架构、存储器速度、传输路径与图像处理器效能等硬件影响，而在图像处理方面的软件设计也可能会有部分影响，处理显示图像的绘图引擎软？硬件整合设计，都会导致整个图像的顺畅表现能力。

而图像延迟的问题严重度，可以从一些数据理解其差异程度，例如，当图像素材导入图像引擎如果仅延迟1frame图像周期，以每秒60frame的显示系统估算其图像处理即滞延至少16ms，如果图像系统、硬件再估计延迟1frame，整个图像处理即产生至少2frame相当于30ms的延迟。

以人眼能察觉的顺畅动画表现，画面更新率大约只要在每秒24frame就足以达到顺畅动画表现的成效，但近眼显示器在画面位置更接近肉眼，图像更新率提升超过一倍、以60frame更新率呈现也能提升动画品质，即便在每秒60祯图像稍稍滞延1？2祯图像肉眼亦不容易察觉，但整体图像系统仅滞延2frame是以最佳化系统架构的最好表现，实际上显示器可能的系统滞延表现多会超过2frame以上，一般显示器的画面滞延可能会达到50？60ms左右。

NED朝高分辨率、更新速度提升改善

除了图像显示速度外，对于最佳化的近眼显示器来说还需要提供高清晰度的图像内容，提升清晰度可自升级显示器分辨率与提升画面图像对比两方面着手，分辨率提升部分属于材料方面的改善，对比改善的部分则取决于所导入不同显示技术的图像对比呈现能力。也有采行不妨碍配戴者原有视野的设计方案，即利用光学结构将影像投射于眼前的光学素材成像，这类图像系统可融合真实环境视野与虚拟的视野，为实现AR增实境的应用场合为主。

基本上人类肉眼的视野状态，大致可以达到180度的视野水准，若再配戴头戴式显示器的状态下，视野状态会限缩至仅有60~100度以下的水准，在兼顾既有视野与虚拟图像的AR应用中，例如智能眼镜产品，设计趋势为增更多视野，亦即增视野的同时也增加的信息内容可呈现空间，使用者也不用紧盯局部位置检视内容，提供更舒适的使用体验。

对于VR应用的近眼显示器，由于图像呈现为使用光学机构模拟VR视野，设计复杂度相较AR应用需兼顾原有视野的设计更简单许多，只要关注近眼显示器的更新率、显示速度、屏幕分辨率、对比度等数值，同时检视图像系统的影像处理效能等，便可建构极佳的VR视觉体验。