虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器圖像顯示性能測試評價

張 培

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 201114）

引言

頭戴式顯示器（HMD，Head Mounted Display），即頭顯。通過一組光學(xué)系統(tǒng)（主要是精密光學(xué)透鏡）放大傳統(tǒng)微型平板顯示屏上的圖像，將影像投射于視網(wǎng)膜上,進(jìn)而呈現(xiàn)于觀看者眼中大屏幕圖像或立體圖像，可以實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality,簡稱VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）、混合現(xiàn)實（Mixed Reality,簡稱MR）等不同效果。頭戴顯示器可以分為兩種類型：一種是用于增強(qiáng)現(xiàn)實的穿透式顯示器，另一種是用于虛擬現(xiàn)實的非穿透式顯示器。用于AR的頭戴式顯示器可以令使用者在觀察到內(nèi)部像源顯示的圖像的同時，還可以看到外部環(huán)境；增強(qiáng)現(xiàn)實顯示器中的圖像是對外部環(huán)境的補(bǔ)充與說明，能夠大幅度提升用戶的判斷力。虛擬現(xiàn)實顯示器只能令用戶觀察到內(nèi)部像源顯示的圖像，外部場景光線不能夠穿透設(shè)備進(jìn)入人眼，故稱其為“非穿透式顯示器”。虛擬現(xiàn)實利用電腦技術(shù)模擬出一個立體、高度模擬的3D空間，當(dāng)使用者穿戴VR頭顯時，會產(chǎn)生好像處在現(xiàn)實中一般的錯覺。在這空間中，操作者可以使用控制器或鍵盤在這個虛擬的環(huán)境下穿梭或互動，顯示的內(nèi)容可來自個人電腦、游戲機(jī)或手機(jī)[1]。

頭戴顯示器的原理是將小型平板顯示屏所產(chǎn)生的影像藉由光學(xué)系統(tǒng)放大。具體而言，小型顯示器所發(fā)射的光線經(jīng)過凸?fàn)钔哥R使影像因折射產(chǎn)生類似遠(yuǎn)方效果，利用此效果將近處物體放大至遠(yuǎn)處觀賞而達(dá)到所謂的全像視覺。凸?fàn)钔哥R即是用于放大的光學(xué)系統(tǒng)，透鏡表面設(shè)計有平凸（非球面）、雙凸和凹凸效果，透鏡邊緣薄，中心厚。凸透鏡能修正晶狀體的光源的角度，使其重新被人眼讀取，達(dá)到增大視角、將畫面放大、增強(qiáng)立體效果的作用。顯示器件的像素（pixel）與灰度（grey level）決定視覺影像的解析度與色彩度。

1 虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器基本結(jié)構(gòu)

虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器主要包含2個基本元素：顯示器和透鏡。它們需要連接計算機(jī)（PC），使用PC的CPU和顯卡來進(jìn)行運算。一體機(jī)就是自帶顯示器、陀螺儀、計算模塊的機(jī)型，使用移動芯片來進(jìn)行圖像和定位計算，脫離了 PC等外部設(shè)備的連線束縛，即開即用，非常方便。如圖1所示，VR眼鏡的構(gòu)成與分類。

圖1 VR眼鏡的構(gòu)成與分類

處理器是計算的核心，用來生成圖像和定位計算等。為了防止眩暈，VR眼鏡要求圖像刷新率達(dá)到90 Hz，這對運算速度要求很高。所以，一個VR眼鏡的處理器芯片性能指標(biāo)至關(guān)重要。

顯示器向左右眼睛分別顯示圖像，一般為一塊或兩塊顯示屏，對于屏幕顯示來說，雙眼4K屏幕已經(jīng)能滿足8K視頻的顯示需求，能使人們充分感受到VR視頻的深度沉浸效果。

凸透鏡片通過折射光線將顯示器上的畫面成像拉近到視網(wǎng)膜位置，使人的眼睛能輕松看清幾乎貼在眼前的顯示屏。使用較輕薄的透鏡，透鏡與顯示屏間的距離就會增大，頭顯的大小也隨之增大。使用更厚的透鏡，會縮短與顯示屏間的距離。屏幕和鏡片之間需要保持一定的距離，以保證正確的成像。這種光學(xué)結(jié)構(gòu)也決定了VR眼鏡當(dāng)前很難小型化。如圖2所示，VR光學(xué)結(jié)構(gòu)。

圖2 VR光學(xué)結(jié)構(gòu)

陀螺儀用來檢測定位，使顯示器里的景象隨著人頭部的運動而實時產(chǎn)生變化。

故虛擬現(xiàn)實頭戴顯示器的顯示性能由設(shè)備整體決定。

點評 在研究了探究一的基礎(chǔ)上，探究二加大了探究力度，問題進(jìn)一步開放，難度進(jìn)一步加大．教者在引導(dǎo)學(xué)生分析的過程中，對在探究一中所形成的經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)用、辨析，產(chǎn)生新的認(rèn)知，使培養(yǎng)能力這個看似“務(wù)虛”的目標(biāo)真正得到了“落實”．同時，教者通過最后一個問題的設(shè)置讓學(xué)生對各種不同圖形之間的關(guān)系產(chǎn)生“頓悟”，有了“九九歸一”的感覺．

2 圖像顯示性能試驗方法

2.1 VR眼鏡的分辨率

VR眼鏡，相當(dāng)于用一個放大鏡看屏幕，導(dǎo)致容易出現(xiàn)“紗窗效應(yīng)”。屏幕達(dá)到60 PPD 的圖像，人眼此時無法分辨像素顆粒度。PPD（ Pixel Per Degree），即每一度視場角的像素數(shù)。60 PPD的標(biāo)準(zhǔn)，人眼可以觀察到邊緣銳利的靜止文字， 30 PPD左右時，人眼觀看動態(tài)視頻就注意不到像素顆粒了。

VR眼鏡的分辨率，一般標(biāo)稱幾K屏幕，分辨率越大，顯示越清晰。一般VR眼鏡擁有一塊或兩塊顯示屏，對于雙眼4 K屏，其實是單眼2 K屏。目前VR眼鏡的普遍視場角（Fov，F(xiàn)ield of view）在100 °左右。雙眼4 K 100 °Fov的VR眼鏡，利用公式（1）計算它的PPD = 2 K/100 = 20（這里簡化處理，用雙目Fov代替單目計算）。

式中：

Px—像素數(shù)；

Fov—視場角。

被測設(shè)備（EUT）基本參數(shù)如表1。

表1 被測設(shè)備基本參數(shù)

實際VR眼鏡裸露出的透鏡面積多為不規(guī)則圖形，并非理想化的橢圓形，如圖3所示。

圖3 VR眼睛光學(xué)透鏡外露面積

這些因素都影響VR眼鏡整體顯示效果。

2.2 試驗環(huán)境和方法

測量在不受來自外界電磁場干擾的室內(nèi)進(jìn)行。測量時暗室照度不高于1 lx。進(jìn)行測試前被測樣品進(jìn)行預(yù)熱15 min。測試設(shè)備垂直被測樣品表面，測試點位于被測物品中心。測試儀器使用二維成像光測量裝置。測量位置為眼點位置，眼點距離約為20 mm。測試圖像使用VR眼鏡分辨率。

使用全白場圖像，分別測量VR眼鏡左右眼中心點及±30 °視場范圍五點的亮度，即距離屏幕中心tan30 °×20 mm=11.5 mm處，如圖4所示。

圖4 基于視場角的五點測試位置

2.3 亮度及均勻性

分別測的左右眼中心點亮度和水平垂直30 °視場處四點亮度，用坎德拉每平方米（cd/m2）表示，五點分布圖如圖4所示，用公式（2）計算亮度均勻性N：

通過測量3個產(chǎn)品，對比可得左右眼中心點亮度基本一致，五點亮度均勻性較好，數(shù)據(jù)見表2所示。

表2 被測設(shè)備五點亮度及均勻性

2.4 相關(guān)色溫和白色色度不均勻性

被測設(shè)備調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)，顯示全白場圖像，測量左右眼屏幕中心P0點的色溫值，用開爾文（K）表示。

分別測的左右眼五點處的色坐標(biāo)值u′、v′，表示為（u0′，v0′）～（u4′，v4′），用以下公式計算 P0～P4點的色度差，

白色色度不均勻性：

式中：

i-1-5點中的任意一個位置[2]。

分別測量3個產(chǎn)品，產(chǎn)品間設(shè)計色溫有區(qū)別，左右眼中心點色溫基本一致，但是色溫普遍偏高，藍(lán)光分量高，容易使眼疲勞。屏幕中心與邊緣色坐標(biāo)基本一致，色度差較小，1#樣品色度差最大為0.012 2，位于右眼，2#樣品色度差最大為0.003 1，位于左眼，3#樣品色度差最大為0.013 2，位于右眼，測量值及計算值見表3所示。

表3 被測設(shè)備相關(guān)色溫和白色色度不均勻性

3 結(jié)論

VR眼鏡作為近眼顯示設(shè)備的一種，運用其顯示系統(tǒng)實現(xiàn)了立體顯示效果；VR眼鏡顯示性能指標(biāo)影響著VR產(chǎn)品實際的體驗效果。因此，客觀評價VR眼鏡顯示技術(shù)指標(biāo)尤為重要。本文中重點關(guān)注VR眼鏡的光學(xué)顯示性能，測量了光學(xué)顯示性能指標(biāo)中的單目亮度、色度指標(biāo)，以及雙目亮度差異、色度差異。

本文使用眼點位置作為測量位置，在該位置上使用者能夠獲得最好的光學(xué)顯示性能及觀看效果，使檢測設(shè)備在光學(xué)顯示技術(shù)指標(biāo)方面的測量結(jié)果真實還原人眼的觀感體驗。分別在左右眼屏幕中心點及±30 °角度處測量白場圖像，測量單目5點位置亮度、色度，以及中心點色溫，有以下結(jié)論：

1）在亮度技術(shù)指標(biāo)方面，左右眼亮度基本一致，五點亮度均勻性較好；

2）產(chǎn)品間色溫差異較大，左右眼色溫基本一致，高色溫容易引起使用者眼疲勞，宜選用低藍(lán)光分量的產(chǎn)品。

3）白色色度不均勻性較低，即屏幕中心與邊緣色坐標(biāo)基本一致，色度差較小。

VR眼鏡產(chǎn)品的光學(xué)顯示性能不錯，應(yīng)注意降低顯示藍(lán)光分量，讓使用者不易眼疲勞。