運用近眼顯示器建構更趨真實的VR體驗 智慧應用 影音
長庚大學
IC975

運用近眼顯示器建構更趨真實的VR體驗

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htc Vive為近期相當熱門的VR頭戴顯示器產品。htc
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。

VR頭戴式顯示器搭配動態感測模組,整合後可以營造更真實的VR應用感受。leapmotion

VR頭戴式顯示器搭配動態感測模組,整合後可以營造更真實的VR應用感受。leapmotion

VR頭戴式顯示器營造的視野效果,與肉眼觀看真實世界的視野表現仍有段差距。facebook

VR頭戴式顯示器營造的視野效果,與肉眼觀看真實世界的視野表現仍有段差距。facebook

透過頭戴顯示器、動作感應操作桿等配件,可營造更趨真實的VR遊戲體驗,圖為htc Vive VR設備與配件。htc

透過頭戴顯示器、動作感應操作桿等配件,可營造更趨真實的VR遊戲體驗,圖為htc Vive VR設備與配件。htc

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。

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