運用近眼顯示器建構更趨真實的VR體驗

htc Vive為近期相當熱門的VR頭戴顯示器產品。htc

顯示品質是虛擬實境應用能否建構使用沉浸體感的重要關鍵，在用戶所配戴的頭戴式顯示器所提供VR視覺重現，虛考量的重點與常規顯示器大不相同，除在顯示品質的要求外，針對VR應用所需的變形修正、與針對VR影像處理的畫面優化。

虛擬實境(Virtual reality；VR)應用日趨熱門，不僅開發VR硬體設備的業者爭相投入搶食市場，遊戲軟體、VR影片等娛樂素材內容亦持續擴增，VR應用生態系已儼然成形。但實踐更趨真實體感的VR應用，最重要的關鍵在於近眼顯示器模組的顯示性能，這部份的技術與加值應用，也是這波VR熱潮備下受關注的重點項目。

近眼顯示器為左右AR/VR應用體驗關鍵

對VR硬體設備而言，顯示系統應為左右使用體驗最關鍵的設計，不管是VR還是擴增實境(Augmented Reality；AR)應用，其顯示系統為由近眼顯示器(near-eye display；NED)組成，NED元件模組相關的品質、性能優化各廠商也正積極進行，同時NED開發由於仍為新穎的前端技術，也存在許多技術瓶頸尚待克服。

由於NED近眼顯示器尚在發展初期，目前開發重點多著重在顯示器的畫面解析度、畫面更新率等基本顯示規格提升方面，同時，為了提升頭戴顯示器(head-mounted display；HMD)的配戴舒適度，NED元件的輕量化設計與模組簡化設計，同時也是顯示模組的優化重點。

NED近眼顯示器主要為提供配戴者眼睛在VR世界中重建「視野(Field of View；FOV)」的重要元件，透過重現模擬視野影像達到更趨逼真的VR使用體驗。尤其是VR應用不只是用於遊戲用途，也可針對教育訓練、科學學習等用途發展進階應用，例如，醫學系所的解剖、手術等VR影像學習，就可以透過e化工具優化學習成效，同時也能在擴增可重複操作的常規訓練，避免每次實作都需要在實驗室對實驗體進行操作，增加操作熟練度同時也能降低訓練成本。

NEDm元件優化 提升VR教育應用價值

但對於專業VR訓練用途，NED近接顯示器就必須能提供高解析度、低延遲的顯示效果，同時VR畫面播放需達到清晰、穩定與無延遲的呈現效果，顯示器本身需要最大程度提升光學對比度、同時降低畫面延遲，並擴增顯示畫面的視野等。在眾多顯示器要求項目中，第一優先為顯示延遲的改善，因為近眼顯示器更接近眼球，人眼對極細畫素的差異表現並不容易察覺，但對於畫面呈現是否流暢、卻可以很容易發現，因此改善近眼顯示器的顯示延遲問題，成為打造優質VR用戶體驗的第一步。

基本上近眼顯示器產生的延遲問題，其實並不全然是顯示器所造成，影響畫面延遲的問題相當多，而最終顯示畫面延遲不過是眾多因素影響下的結果罷了。首先，可能先找出影響畫面延遲的問題來源，逐一改善優化效能才能收到降低延遲的改善效益。

在屏幕表現力的部分，延遲的肇因可能是顯示像素本身的延遲造成，這部分可以改善單一像素的資料更新時間、像素切換時間，動到較多的顯示器面板設計方面。

圖像延遲將影響VR使用體驗

若不計顯示技術本身導致的延遲問題，在系統方面也仍存在許多影響圖像延遲的設計問題，例如，系統效能處理圖像運算所造成的延遲，可能在系統架構、記憶體速度、傳輸路徑與圖像處理器效能等硬體影響，而在圖像處理方面的軟體設計也可能會有部分影響，處理顯示圖像的繪圖引擎軟？硬體整合設計，都會導致整個圖像的順暢表現能力。

而圖像延遲的問題嚴重度，可以從一些數據理解其差異程度，例如，當圖像素材導入圖像引擎如果僅延遲1frame圖像週期，以每秒60frame的顯示系統估算其圖像處理即滯延至少16ms，如果圖像系統、硬體再估計延遲1frame，整個圖像處理即產生至少2frame相當於30ms的延遲。

以人眼能察覺的順暢動畫表現，畫面更新率大約只要在每秒24frame就足以達到順暢動畫表現的成效，但近眼顯示器在畫面位置更接近肉眼，圖像更新率提升超過一倍、以60frame更新率呈現也能提升動畫品質，即便在每秒60禎圖像稍稍滯延1？2禎圖像肉眼亦不容易察覺，但整體圖像系統僅滯延2frame是以最佳化系統架構的最好表現，實際上顯示器可能的系統滯延表現多會超過2frame以上，一般顯示器的畫面滯延可能會達到50？60ms左右。

NED朝高解析度、更新速度提升改善

除了圖像顯示速度外，對於最佳化的近眼顯示器來說還需要提供高清晰度的圖像內容，提升清晰度可自升級顯示器解析度與提升畫面圖像對比兩方面著手，解析度提升部分屬於材料方面的改善，對比改善的部分則取決於所導入不同顯示技術的圖像對比呈現能力。也有採行不妨礙配戴者原有視野的設計方案，即利用光學結構將影像投射於眼前的光學素材成像，這類圖像系統可融合真實環境視野與虛擬的視野，為實現AR擴增實境的應用場合為主。

基本上人類肉眼的視野狀態，大致可以達到180度的視野水準，若再配戴頭戴式顯示器的狀態下，視野狀態會限縮至僅有60~100度以下的水準，在兼顧既有視野與虛擬圖像的AR應用中，例如智慧眼鏡產品，設計趨勢為擴增更多視野，亦即擴增視野的同時也增加的訊息內容可呈現空間，使用者也不用緊盯局部位置檢視內容，提供更舒適的使用體驗。

對於VR應用的近眼顯示器，由於圖像呈現為使用光學機構模擬VR視野，設計複雜度相較AR應用需兼顧原有視野的設計更簡單許多，只要關注近眼顯示器的更新率、顯示速度、屏幕解析度、對比度等數值，同時檢視圖像系統的影像處理效能等，便可建構極佳的VR視覺體驗。