可用于micro OLED,FRL研发高速屏幕旋转方案降低VR纱窗效应

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纱窗效应是现有VR头显技术需要解决的一大痛点之一,这个问题自Oculus Rift DK1在2013年推出以来就一直存在,而Oculus和Facebook多年来也在一直致力于解决该问题。造成纱窗效应的原因跟次像素排列密度有关,次像素之间的间距并不发光,因此间距越大,不发光的部分越明显,在VR中看起来就像是在眼前蒙了纱窗一般有种模糊感,大大干扰视觉效果,影响VR的沉浸感和视觉清晰度。

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OLED屏幕的纱窗效应

就拿Quest和Quest 2来讲,Quest 2用细腻的LCD屏幕取代Quest的OLED方案,纱窗效应就明显降低。因为相对于LCD屏幕,OLED屏幕的次像素间距更大,纱窗效应更加明显。

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Half Dome

近年来,Facebook Reality Labs一直在提升VR相似效果领域不断探索,此前就已经研发基于眼球追踪的机械式可变焦VR原型机Half Dome。而近期,FRL与亚利桑那大学合作,将机械控制屏幕方案又用在解决VR纱窗效应上。

据了解,FRL与亚利桑那大学发布的论文中,描述了一种可高速移动的机械显示屏模组,号称可降低VR头显中常出现的纱窗效应。不过,论文重点探索高速移动屏幕方案的功效,而不是实际应用开发。

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高速移动模组

论文中写道,提升VR显示屏像素密度是解决纱窗问题的一个方向,但这对于显示屏要求极高。比如:台湾显示屏厂商INT为了降低纱窗效应,开发出2228ppi超高像素密度AMOLD屏幕,相比之下HTC Vive Pro屏幕的ppi也仅为615;Varjo VR第二代的主屏采用Micro OLED,ppi已达到3148,而前不久刚发布的VR-3同样采用Micro OLED面板,像素密度进一步提升。然而,Varjo系列VR头显售价昂贵,用户主要是B端企业,大大超出普通消费者接受范围。相比之下,市面上大多数C端头显并不具备这样的配置(单目分辨率2K的惠普Reverb G2采用LCD屏幕,凭借标准的RGB次像素排列,观感更清晰、没有纱窗效应、相对功耗也更低)。

除了提升像素密度外,一些VR头显通过降低FOV的方式来让纱窗效应看起来不是那么明显。此外,还有一些在显示屏上叠加漫射器来柔和像素光线的方式,模糊像素之间的间距和光线差异,比如:Valve Index、三星Odyssey+。实际效果来看,采用了漫射器的Odyssey+画质观感不如Odyssey清晰,但在Index中影响不大。

而FRL想到的方法更加巧妙,即:通过高速移动显示屏,来从视觉上用像素去填补不发光的部分。有点类似于全息风扇,虽然它看起来显示了一个完整的图像,但实际上是通过高速旋转的发光扇叶在空间中营造出全息显示的效果,根据人眼视觉暂留原理,当风扇移动速度大于人眼刷新率,你就难以察觉风扇移动,而是看到完整图像。

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其实,此前惠普就曾探索过用高速移动像素方案来提升显示效果,他们高速移动副帧图像来提升空间光调节系统的分辨率,并称之为Wobulation技术,利用这种技术来提升电视的显示效果。具体来讲,这种方式其实是将每一帧图像分成多个副帧,并以特定的顺序快速移动来填补显示画面的细节,同时也能降低填充系数问题,降低纱窗效应。

也就是说,实践证明高速移动发光像素的位置不会让画面抖动,能够显示出稳定的画面。

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细节方面,科研人员打造了一个由两个压电传动装置组成的固定模组,它能够以120Hz的刷新率去转动VR屏幕。这块屏幕为正方形micro OLED显示屏(RGBW像素排列方案),像素间距9.4μmx9.4μm,次像素间距4.7μmx4.7μm,实验中实际采用的像素部分仅为640x120,刷新率为480Hz。

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非冗余模式vs冗余模式

同时还设计了非冗余和冗余两种模式。在非冗余模式中,屏幕上的每颗像素以10μm为半径画圈,每秒旋转120次。旋转半径的长度可根据屏幕像素密度来调整,以达到最佳的填充像素效果。而在冗余模式采用另一种旋转方式,视觉看起来就像是有四块屏幕叠加在一起。除此之外,你也可以根据显示屏的特性去探索其他的屏幕移动方式。

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次像素旋转路径

科研人员表示:像素移动的路线并不仅限于圆形,也可以是椭圆形、八字形(通过改变转轴振幅)等等,不同的显示屏适合不同的移动路径。对于micro OLED来讲,旋转的圆形路径足以填充次像素间距的空缺,同时对压电传动装置运行速度的要求也最小。

那么,这种高速旋转屏幕具体能降低多少纱窗效应呢?为了测量高速移动屏幕对于纱窗效应的优化程度,科研人员最初利用摄像头来捕捉次像素间距的观感,不过发现摄像头采样率不够高,无法清除捕捉到每颗次像素的位置。

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于是决定通过测量和对比显示屏高速移动前后的差距,如果对比率低则意味着纱窗效应更小、图像观感更饱和。不过,这只是一种推断纱窗效果变化的侧面对比方式,并不能直接反应实际观感。

而从整体画面来看,非冗余模式和冗余模式均降低了纱窗效应,不过前者几乎未改变图像清晰度,而后者肉眼可见地让图像看起来更清晰,可以看到更多细节。也就是说,这种旋转屏幕的方式,不仅能够缓解纱窗效应,还能在不增加像素数量的同时提升分辨率观感。

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屏幕未高速移动以及不同移动规律呈现的显示效果对比

科研人员还为各种纱窗效应优化方式推荐了一种测量效果的方式,即:多倍放大,直到纱窗效应伪影变得明显。采用高速移动方案非冗余模式显示的画面最高放大60%才能注意到纱窗效应,比冗余模式和未使用高速移动方案的画面更清晰。

总之,与同样降低纱窗效应的像素密度提升方案相比,高速移动屏幕的方案可提升显示效率,节省成本,从而优化显示模组的设计,降低对屏幕像素数量的要求。目前,实验中采用micro OLED显示屏幕,科研人员计划未来将高速移动方案用于LCD等其他相似方案中。尽管LCD屏幕的像素间距比较大,但从放大效果来看,高速移动方案依然明显缩短了像素之间的距离。参考:Road to VRfb

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