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VR/AR显示技术的过去、现在和未来 |
珠江路在线
2018年12月7日
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今年关于VR来说 仿佛很平淡,消费级头显除了HTC Vive Pro以及Oculus Go的推出再无 其余动静 。这两款 设施在屏幕分辩率上相比先前的VR头显均有小幅度的 晋升,分辩率达到了2880×1600与2560×1440,然而分辩率的 晋升依旧没有协助用户们 开脱纱窗效应的困扰 。
另一边的AR 固然在企业市场炙手可热,也也依旧在显示的问题上饱受诟病——色散、分辩率低、视场角小 。为什么VR/AR显示技术迟迟没有 获得 打破?各家显示技术供给商在这一年里到底 获得了 怎么的进展? 将来又是 怎么的?要晓得这个问题的答案,首先你要了解VR/AR到底是如何显示图像的 。

依照光学原理的不同,我们 可以将VR/AR的显示技术分为两个大类:非瞳孔成像 构造与瞳孔成像 构造 。

非瞳孔成像 构造常被用于我们 相熟的HTC Vive、Oculus Rift与PSVR等沉醉式 设施 。这种成像 构造只用单个放大镜直接显示来自显示面板的光线 。非瞳孔成像 构造在 构造上更轻便更紧凑,然而当光线透过透镜时会产生卓著的枕型失真 。
在瞳孔成像 构造中,则会 使用另一片镜片来 改正图像的失真 。瞳孔成像 构造通常用于非沉醉式的 设施,例如Google Glass以及微软的HoloLens 。
除此之外AR眼镜在光学 构造中还需求波导(Waveguide) 构造来将光波 疏导到用户的眼睛里 。这通常需求在 设施内部设置反射 构造来操纵光在入口和出口中间的轨迹,当前AR行业用的波导 构造 可以分为四种:全息波导、衍射波导、偏振波导以及反射波导 。

全息波导是一种 绝对 方便的波导类型,其在反射 构造的出口与入口处通常会有如镜片之类的光学元件 。这种 构造被用于索尼的Smart Eyeglass上 。

衍射波导则需求通过准确的表面浮雕光栅来实现内部反射,以通过显示屏无缝叠加3D图形 。这种 构造被用在了Vuzix以及微软的HoloLens上 。

偏振波导则是当光进入波导 构造后 通过一系列的反射来到会反射 部分光线的偏振表面 。被选中的光波将被反射到观看者眼中,其余的则穿过该表面 接续射向下一个偏振表面 。

反射波导和全息波导很 类似,由一个波导平面以及一个或多个半反射镜面构成 。反射波导被用在爱普生的Moverio以及Google Glass上 。
这四种波导 构造中 利用最 宽泛的是全息波导与衍射波导, 几乎占领了所有的AR市场, 将来也依旧是这两种波导 构造平分天下,全息波导占比略高于衍射波导 。

VR/AR的显示技术 可以分为三种: 彻底沉醉式、光学透视以及视频透视 。

顾名思义, 彻底沉醉式显示是 标准的VR显示器,其与传感器组合来追踪位置和方向, 可以 彻底阻断外界的画面,就像《 头等发烧友》电影中 展示的一样 。
光学透视眼镜同意用户透过光学元件看到 四周的环境,通常采纳全息波导等 可以在 事实世界中实现图形叠加的系统 。微软的HoloLens、Magic Leap One和Google Glass都是这一类型的眼镜 。
视频透视让用户 可以通过安装在头显上的一个或两个摄像头来观看 四周 事实世界,这些摄像头的图像 可以与计算机生成的图像组合,为用户提供AR体验 。HTC Vive头显便是这一类型的 设施 。
LCD显示屏在高清楚度电视中很常见,自20世纪80年代以来向来被用作VR/AR头显中的显示器 。LCD的 长处在于技术较成熟,生产工艺难度 绝对较低,良品率高,缺陷在于高刷新率下切换画面时产生图像残留 。

AMOLED显示屏则是现在主流消费级头显的首选 。AMOLED由一层包括存储电容的薄晶体管构成, 可以更好的操纵每个像素,实现单个像素的开关,从而实现更深的黑色和更高的对照度 。

相比LCD,AMOLED的 构造 绝对 方便,而且不需求背光, 因此厚度上更薄 。此外,AMOLED 消费功率卓著低于LCD,刷新率更快、对照度更高、 色彩还原更好、分辩率更高 。缺陷则是生产过程中的良品率较低招致价格向来居高不下 。不过随着京东方的AMOLED显示屏量产,AMOLED的屏幕价格正在逐渐 降落,三星在屏幕的垄断 定然程度上被 攻破 。
AR眼镜则主要通过微型数字光投影仪(DLP)以及微型硅基液晶(LCoS)这两种近眼显示系统来显示图像 。

DLP最初由德州仪器公司研发,是一种被 宽泛用于投影仪的技术 。DLP芯片中包括了一种被称为数字微镜的 设施(Dightal micromirror device DMD) 。DMD由大概200万个独立操纵的微型镜子构成,每个微型镜子可用于 示意一个像素,每个尺寸约为5.4微米,这些镜子将视网膜当作显示平面 。光源发出的RGB三色光被这些微型镜子反射入眼球中 。这些微型镜子每一个都可在一秒内重定向数千次, 因此 可以转变反射的 色彩,在视网膜上产生各种光影 。
DLP微型显示器是当前显示速度最快的技术,有 色彩变换快、延迟低、功耗低以及超高分辩率(对角线长0.3英寸的阵列就 可以生成1280×720分辩率的图像)等 长处,是构建头戴式显示器的 事实 取舍,唯一的缺陷是其成本较高 。

微型硅基液晶(LCoS)则是LCD与DLP的折中技术 。LCD 可以生成图像并将其传输给用户,而DLP则是一种反射技术,其各个次级像素通过微型镜子反射 。当光源被反射后会通过一系列的次级过滤器来调整光线的强度与 色彩 。与DLP显示器 类似,LCoS显示器也 可以做到十分 玲珑, 可以被集成进一些小型 设施中 。微软HoloLens、Google Glass与Magic Leap One都集成了LCoS显示器 。
在今年的SID大会中,三星SDI、JDI、LG等各家厂商都 展示了具备4K分辩率AMOLED显示屏,其中三星 展示了一块尺寸仅有2.43寸,ppi高达1200的4K屏幕,而LG则 展示了其与谷歌合作的4.3英寸1443ppi 5K分辩率VR专用屏幕 。如此高密度的像素 即便通过透镜也很难在 视察到像素中间的空隙,假如CPU与GPU的性能足够驱动这块4K的显示屏,那么困扰大家多年的纱窗效应自然就会不告而别了 。

除了更高分辩率的屏幕,柔性屏幕技术的成熟也将为VR带来更好的体验,其中一个最主要的改善便是视场角 。当前采纳平面屏幕的主流VR 设施的视场角在110°左右,而柔性屏幕有望让VR头显的视场角接近人眼 。同时柔性屏幕的 利用还 可以减小画面的畸变,最后甚至 可以让人们告辞VR头显中厚重的镜片,让VR头显变得更加 玲珑 。
早在今年三月份三星就已经注册了 使用柔性屏幕的VR头显专利, 固然说专利未必都会实现,然而我们还是 可以等待一下明年诞生一款 使用了柔性屏幕的VR头显,实际 测验一下柔性屏幕的 动机与 将来 。
今年SID大会中还 展示了两种新的屏幕——透明OLED显示屏与光场显示屏 。

光场显示屏 可以在不同的角度显示不同的图像,让用户 可以通过多个角度来 视察屏幕中显示的画面 。 可以 预感这种崭新的显示屏 将来 可以大幅度 晋升AR体验, 即便 设施不动,人的位置 产生 变迁也 可以看到一个物体的不同角度,让 事实与 虚构更加难以 划分 。
另一种新屏幕则是透明OLED 。 固然透明程度 无奈做到一般玻璃那样,但依旧 可以达到80%以上 。这种新屏幕的潜在 利用主要是商店的 展示橱窗以及汽车前挡风玻璃 。

搭配上AR技术与透明OLED,汽车前挡风玻璃将 可以显示导航、汽车运行状态等多种信息,人们在开车时再也不用由于瞄一眼手机导航而招致分心了 。说句题外化,车联网当前也是一个巨头们 抢夺的领域,用于前挡风玻璃的透明OLED将和AR技术深度 联合,将成为汽车与互联网的交互入口 。

至于当前AR眼镜所用的DLP与LCoS技术,已经十分成熟,在今年并没有太大的进展,
一种新的Micro LED近眼显示系统(Near Eye Displays)正在 崛起,这一系统将能同时惠及VR/AR市场 。
什么是Micro LED?Micro LED屏全称为微发光二极体显示屏,它的 构造是微型化LED阵列,也便是将LED 构造设计进行薄膜化、弱小化以及阵列化后,巨量的转移到电路基板上,再利用物理沉积技术生成 掩护层, 构成弱小间距的LED 。其体积约为当前主流LED大小的1% 。同时它还 可以实现每个像素 径自定址、 径自驱动发光(自发光),也将像素点的 间隔由原来的毫米级别降到了纳米级 。
Micro LED其实早在2000年就已经浮现 。2009年一家名为Luxvue公司在美国成立, 专一于Micro LED技术 。这家公司于2014年被苹果收购,让Micro-LED技术引起大家的 宽泛关注,随后2015年4月苹果在台湾桃园龙潭设厂, 机密研发包括Micro LED在内的先进显示技术 。

当前苹果尚未在自家产品中 使用自研的Micro LED屏幕,不过这里 可以大胆推测一下,苹果自研的Micro LED很可能会和传言中的苹果AR眼镜一起公布 。
索尼在LED领域投入也众多,不过其早期主要以大型LED屏幕为主攻方向,近年来开始转型主攻Mirco LED屏幕 。
今年6月份,索尼在SID大会上 展示了其研发的4032ppi Micro-OLED屏幕——一块0.5英寸分辩率达到1600×1200的屏幕 。 可以看到, 即便通过透镜拍摄,画面依旧清楚,也没有浮现纱窗效应 。

Oculus也于2016年10月收购了爱尔兰的LED初创公司InfiniLED,来攻克VR面临的显示技术难题 。不过到当前已经两年的 工夫过去了,这项技术是不是会浮现在明年公布的Oculus Quest上依旧是个未知数 。

Micro LED和Micro OLED技术相比, 占有更高的亮度与对照度,更密切的色谱、更高的能效比 。依据 材料显示,Micro LED的功率 消费量约为LCD的10%,OLED的50% 。与同样是自发光的OLED相 比较,亮度高了30倍 。基于Micro LED的近眼显示系统将 可以协助VR/AR 设施 节俭电量,缩短体积,提供更好的体验 。

依据nTech的预测,2019年Micro LED市场将会迸发,销售额达到27亿美元,其中VR/AR市场的销售额占比为3.7% 。而到2025年,将有18%的AR 设施 使用Micro LED 设施 。考量到随着技术 普及Micro LED的生产成本将逐渐减低,Micro LED在VR/AR领域的 遍及速度可能比预测的还要快 。

明年的VR 设施在显示技术上可能不会有太大的 变迁,主要还是采纳更高分辩率的OLED屏幕来 应答用户们关于清楚度的 谋求 。VR消费市场的主要趋向还是 普及性价比——用更少的价格提供更高品质的体验 。
AR 设施则存在着 硕大的变数,AR当前的主要市场在企业 利用,而企业客户关于价格不敏感,这给了AR 设施尝试新显示技术的空间 。向来有 信息称明年微软将会公布第二代HoloLens,针对第一代HoloLens被诟病的显示问题,微软是不是会寻求Micro LED这样的新技术来实现更好的显示 动机呢? 即便Micro LED在成本上 确切较高,但HoloLens当前的客户对价格并没有那么敏感,而且微软方才拿下了美国军方的大额订单,是时候考量用更先进的技术来改良自己的产品了 。