近來各式各樣的虛擬實境（VR）及擴增實境（AR）近眼顯示器（near-eye display; NED）已進入緊鑼密鼓的研發階段，實現數位內容與實體世界無縫結合的視覺饗宴指日可待。本文將深入探討，設計引人入勝並「無縫」結合數位與實體世界的穿透式（see-through）近眼顯示解決方案將會面臨的主要挑戰與相應解決之道。
在許多情況下，發展高階近眼顯示器技術的意義並不在於產品的噱頭，而是其對提升實用度的重要性。舉例來說，外科醫師或急救人員可以藉助於近眼顯示器對病患進行治療，然而在這樣的環境下，清晰而無阻礙的視覺體驗是相當重要的；而對電玩遊戲玩家來說，縮短顯示器的遲滯時間（lag）才能確保無縫接軌的即時體驗。
要在上述兩種情況下實現優質的視覺體驗，取決於是否能將影像顯示的延遲（latency）降至最低、提升光學對比度至最高，並且將顯示資訊的視野（FOV）達到最佳化。
顯示延遲 — 打造即時體驗的關鍵
首先考量的是系統延遲的部分。許多系統級元件與使用者的延遲體驗息息相關。接下來我們先著重於與顯示引擎相關的部分，而這又可分為兩大元件：
顯示（畫素）延遲 = 畫素資料更新時間 + 畫素轉換時間
第一個元件稱為「畫素資料更新時間」，也就是顯示裝置將新資料值「載入」顯示畫素所花費的時間。對許多顯示引擎架構來說，這代表從輸入到引擎所測量出來的一個或多個畫面時間（frame time）。假設延遲了一個畫面時間，也就代表來源頻率為60Hz時的延遲約為16.67毫秒（ms），而這種情況算是相當普遍的，因為現在許多顯示技術都包含了一個畫面暫存記憶體（frame memory）以利影像處理。對某些顯示引擎來說，畫素資料更新時間可能相當於兩個或兩個以上的畫面（frame）。
顯示延遲的第二個元件則是「畫素轉換時間」，也就是畫素從現有狀態（開啟或關閉）轉換至相反狀態所需的時間。畫素轉換時間的結束就是當畫素趨於穩定，足以讓使用者清楚看見最新資料的狀態。
畫素資料更新時間加上畫素轉換時間，就是使用者所感受到的顯示延遲時間。一般認為16.67毫秒的顯示延遲時間已經算非常好，但某些顯示器的延遲時間可能超過60毫秒。
德州儀器（Texas Instruments；TI）DLP Pico晶片的畫素速度是藉由數位微型反射鏡（畫素）每秒數千次的翻轉，縮短顯示延遲，最高可支援120Hz顯示幀率，維持極高的影像品質。
對比 — 在視覺上結合數位內容與實體世界體驗的關鍵
除了提供低延遲的即時體驗外，理想的近眼顯示器解決方案要能夠提供高度透明的內容，並具備高清晰度且不致阻礙使用者觀看實體物件的性能。舉例來說，如果顯示資料時只運用了20%的顯示裝置畫素陣列，剩下的80%就應該對使用者完全隱形，實現數位內容與真實世界的無縫結合。
但是必須注意的是，在穿透式近眼顯示光學系統當中，影像並非顯示於半透明的表面上（亦即眼鏡鏡片）。由於顯示表面原本就非常接近使用者眼睛，眼睛因而無法在舒適的狀況下聚焦於距離太近的物體，半透明表面因此不能有效地顯示影像。光學系統並非在顯示表面上製造影像，而是形成一個光學瞳孔，而人眼則為整個光學作用鏈當中的最後一個元件 — 藉此在眼睛網膜上生成最後影像。
一般的穿透式近眼顯示器光學系統都會包含一個波導光學元件，它能收集導入端的光線，再轉送至使用者的眼部。這種作法不只提供了不可或缺的光學瞳孔，也讓微顯示、光學與照明能夠正確定位，不致阻擋使用者視線。
在了解光學系統之後，如何確保顯示影像的透明部分不會阻礙使用者視線是另一項課題。最佳解決之道就是讓光學系統的對比度達到最大值。透過下列圖片即可說明，對比度對近眼顯示器使用者所看到的影像會造成什麼樣的影響。
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圖三 : 對比度對近眼顯示器使用者所看到的影像造成的影響。（註：此為模擬圖，並非近眼顯示器實際影像）
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近眼顯示器設計過程中有數不清的環節都會影響對比度。主要的影響因素包括光學設計的光圈數（F-number），以及是否採用高階影像處理演算法。對部分微顯示裝置來說，填充係數（fill-factor）也會影響對比度，但通常影響較小。
光學設計中的光圈數，指的就是鏡片焦距相對於入射光瞳（entrance pupil）直徑的比值。光圈數越高對比度就越高，同時也會降低光學複雜度並縮小光學元件尺寸。雖然光圈數越高可以提升對比度，但也必須配合視野上的需求 — 因為高光圈數不只增強對比，同時也會縮小視野。
高階影像處理也能提升對比度，藉由智慧化管理RGB照明（亦即LED亮度）並配合每個影像畫面的數位增益（digital gain）達成所需效果。舉例來說，德州儀器DLP產品部新推出的TRP晶片組便採用IntelliBright演算法套件，具有內容自適應照明控制（CAIC）的功能。這套演算法能根據影像內容與周圍光線狀況，聰明地調整影像亮度，不僅達到最佳影像亮度及對比，更能優化在近眼顯示器中最重要的元素之一 —系統能耗。
開闊視野下維持自然的穿透式體驗
人眼的水平視野幾乎可達180度。擴增實境所使用的頭戴式顯示器，視野通常在20到60度之間，足夠提供效果自然的視覺體驗。相較之下，一般智慧眼鏡解決方案視野通常較小，使用者必須極不自然地定期盯著它看。目前多數穿透式近眼顯示應用的趨勢是採用較大視野。在視野更寬廣的情況下，顯示器就能在使用者觀看真實世界時覆蓋上更多內容，藉此提供更高品質的視覺體驗。
視野受三大設計因素所控制：微顯示陣列的對角線尺寸、光學光圈數，以及波導終端的瞳孔大小。必須在這幾項因素中權衡下列考量：在大多數的案例中，陣列對角線尺寸越長，視野就會越大且解析度更高，然而系統尺寸也會隨之增大，這是因為對角線尺寸越長，通常光學元件就會越大。光圈數越低的光學設計，視野就會隨之增大；然而這也會增加光學元件尺寸並降低對比度。而瞳孔尺寸越大，視野也隨之縮小。舉例來說，5毫米的瞳孔能達到45度的視野，相同光圈數的10毫米瞳孔，視野則不到25度。
隨著多種穿透式近眼顯示解決方案的發展，實現數位內容與實體世界無縫接軌的視覺體驗已成當務之急。要解決設計上的各種難題，就必須權衡足以直接影響終端使用者體驗的各項因素。
（本文作者Carlos Lope為德州儀器DLP Pico 產品部策略行銷經理；Dan Morgan為德州儀器DLP Pico產品部系統工程師）
資料來源: CTIMES
