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VR/AR显示技术的过去、现在和未来

  • 来源:87870
  • 发布者:josh
  • 共阅407次
  • 2018-12-05 12:16:49
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今年对于VR来说似乎很平淡,消费级头显除了HTC Vive Pro以及Oculus Go的推出再无其他动静。这两款设备在屏幕分辨率上相比先前的VR头显均有小幅度的提升,分辨率达到了2880×1600与2560×1440,然而分辨率的提升依然没有帮助消费者们摆脱纱窗效应的困扰。

另一边的AR虽然在企业市场炙手可热,也也依然在显示的问题上饱受诟病——色散、分辨率低、视场角小。为何VR/AR显示技术迟迟没有取得突破?各家显示技术供应商在这一年里到底取得了怎样的进展?未来又是怎样的?要知道这个问题的答案,首先你要了解VR/AR到底是如何显示图像的。

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VR/AR的光学原理

按照光学原理的不同,我们可以将VR/AR的显示技术分为两个大类:非瞳孔成像结构与瞳孔成像结构。

非瞳孔成像结构常被用于我们熟悉的HTC Vive、Oculus Rift与PSVR等沉浸式设备。这种成像结构只用单个放大镜直接显示来自显示面板的光线。非瞳孔成像结构在结构上更轻便更紧凑,但是当光线透过透镜时会产生显著的枕型失真。

在瞳孔成像结构中,则会使用另一片镜片来矫正图像的失真。瞳孔成像结构通常用于非沉浸式的设备,例如Google Glass以及微软的HoloLens。

除此之外AR眼镜在光学结构中还需要波导(Waveguide)结构来将光波引导到用户的眼睛里。这通常需要在设备内部设置反射结构来控制光在入口和出口之间的轨迹,目前AR行业用的波导结构可以分为四种:全息波导、衍射波导、偏振波导以及反射波导。

全息波导是一种相对简单的波导类型,其在反射结构的出口与入口处通常会有如镜片之类的光学元件。这种结构被用于索尼的Smart Eyeglass上。

衍射波导则需要通过精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。这种结构被用在了Vuzix以及微软的HoloLens上。

偏振波导则是当光进入波导结构后经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继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组成。反射波导被用在爱普生的Moverio以及Google Glass上。

这四种波导结构中应用最广泛的是全息波导与衍射波导,几乎占据了全部的AR市场,未来也依然是这两种波导结构平分天下,全息波导占比略高于衍射波导。


VR/AR的显示技术

VR/AR的显示技术可以分为三种:完全沉浸式、光学透视以及视频透视。

顾名思义,完全沉浸式显示是标准的VR显示器,其与传感器组合来追踪位置和方向,能够完全阻断外界的画面,就像《头号玩家》电影中展示的一样。

光学透视眼镜允许用户透过光学元件看到周围的环境,通常采用全息波导等能够在现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周围现实世界,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头显就是这一类型的设备。


VR/AR的成像技术

LCD显示屏在高清晰度电视中很常见,自20世纪80年代以来一直被用作VR/AR头显中的显示器。LCD的优点在于技术较成熟,生产工艺难度相对较低,良品率高,缺点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由一层包含存储电容的薄晶体管组成,可以更好的控制每个像素,实现单个像素的开关,从而实现更深的黑色和更高的对比度。

相比LCD,AMOLED的结构相对简单,并且不需要背光,因此厚度上更薄。此外,AMOLED消耗功率显著低于LCD,刷新率更快、对比度更高、色彩还原更好、分辨率更高。缺点则是生产过程中的良品率较低导致价格一直居高不下。不过随着京东方的AMOLED显示屏量产,AMOLED的屏幕价格正在逐渐下降,三星在屏幕的垄断一定程度上被打破。

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,是一种被广泛用于投影仪的技术。DLP芯片中包含了一种被称为数字微镜的设备(Dightal micromirror device DMD)。DMD由大约200万个独立控制的微型镜子组成,每个微型镜子可用于表示一个像素,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,因此可以改变反射的颜色,在视网膜上产生各种光影。

DLP微型显示器是目前显示速度最快的技术,有颜色变换快、延迟低、功耗低以及超高分辨率(对角线长0.3英寸的阵列就可以生成1280×720分辨率的图像)等优点,是构建头戴式显示器的理想选择,唯一的缺点是其成本较高。

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颜色。与DLP显示器类似,LCoS显示器也可以做到非常小巧,可以被集成进一些小型设备中。微软HoloLens、Google Glass与Magic Leap One都集成了LCoS显示器。


VR/AR显示屏的发展现状

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分辨率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分辨率VR专用屏幕。如此高密度的像素即使通过透镜也很难在观察到像素之间的空隙,如果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。

除了更高分辨率的屏幕,柔性屏幕技术的成熟也将为VR带来更好的体验,其中一个最重要的改善就是视场角。目前采用平面屏幕的主流VR设备的视场角在110°左右,而柔性屏幕有望让VR头显的视场角接近人眼。同时柔性屏幕的应用还可以减小画面的畸变,最终甚至可以让人们告别VR头显中厚重的镜片,让VR头显变得更加小巧。

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,虽然说专利未必都会实现,但是我们还是可以期待一下明年诞生一款使用了柔性屏幕的VR头显,实际检验一下柔性屏幕的效果与未来。

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观察屏幕中显示的画面。可以预见这种全新的显示屏将来能够大幅度提升AR体验,即使设备不动,人的位置发生变化也可以看到一个物体的不同角度,让现实与虚拟更加难以区分。

另一种新屏幕则是透明OLED。虽然透明程度无法做到普通玻璃那样,但依然可以达到80%以上。这种新屏幕的潜在应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因为瞄一眼手机导航而导致分心了。说句题外化,车联网目前也是一个巨头们争夺的领域,用于前挡风玻璃的透明OLED将和AR技术深度结合,将成为汽车与互联网的交互入口。

至于目前AR眼镜所用的DLP与LCoS技术,已经非常成熟,在今年并没有太大的发展。


潜在的新霸主——Micro LED屏幕

一种新的Micro LED近眼显示系统(Near Eye Displays)正在兴起,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,它的结构是微型化LED阵列,也就是将LED结构设计进行薄膜化、微小化以及阵列化后,巨量的转移到电路基板上,再利用物理沉积技术生成保护层,形成微小间距的LED。其体积约为目前主流LED大小的1%。同时它还能够实现每个像素单独定址、单独驱动发光(自发光),也将像素点的距离由原来的毫米级别降到了纳米级。

Micro LED这一概念其实早在2000年就已经被提出。2009年一家名为Luxvue公司在美国成立,专注于Micro LED技术。这家公司于2014年被苹果收购,让Micro-LED技术引起大家的广泛关注,随后2015年4月苹果在台湾桃园龙潭设厂,秘密研发包含Micro LED在内的先进显示技术。

目前苹果尚未在自家产品中使用自研的Micro LED屏幕,不过这里可以大胆猜测一下,苹果自研的Micro LED很可能会和传言中的苹果AR眼镜一同发布。

索尼在LED领域的投入仅次于苹果,不过其早期主要以大型LED屏幕为主攻方向。从2016来索尼开始转型主攻Mirco LED技术,2017年索尼展示了名为CLEDIS的显示器,该显示器由144块Micro LED屏组成的。

LG集团目前由LG Electronic主导Micro LED技术,已经完成了3英寸大小拥有高达3000ppi的屏幕。

加拿大的初创企业VueReal拥有10μm以下高效率Micro LED和巨量转移工艺的专利,被称为“连续像素(Continuous Pixelation)”技术,能以高产量和实惠价格实现ppi大于4,000的显示屏。基于该技术,VueReal开发出一款4K微型LED显示屏,像素密度高达6,000 ppi,有助于缩小头戴式显示器(HMD)和抬头显示器(HUD)等AR设备体积。

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。不过到目前已经两年的时间过去了,这项技术是否会出现在明年发布的Oculus Quest上依然是个未知数。

除了上面提到的公司,包括三星、京东方、三安光电、錼创科技等企业均在布局Micro LED产业链,2019年将是各家公司争夺市场上首批Micro LED用户的重要一年。

Micro LED和Micro OLED技术相比,拥有更高的亮度与对比度,更紧密的色谱、更高的能效比。根据资料显示,Micro LED的功率消耗量约为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的近眼显示系统将能够帮助VR/AR设备节省电量,缩小体积,提供更好的体验。

根据nTech的预测,2019年Micro LED市场将会爆发,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设备使用Micro LED设备。考虑到随着技术进步Micro LED的生产成本将逐步降低,Micro LED在VR/AR领域的普及速度可能比预测的还要快。


总结

明年的VR设备在显示技术上可能不会有太大的变化,主要还是采用更高分辨率的OLED屏幕来应对消费者们对于清晰度的追求。VR消费市场的主要趋势还是提高性价比——用更少的价格提供更高品质的体验。

AR设备则存在着巨大的变数,AR目前的主要市场在企业应用,而企业客户对于价格不敏感,这给了AR设备尝试新显示技术的空间。一直有消息称明年微软将会发布第二代HoloLens,针对第一代HoloLens被诟病的显示问题,微软是否会寻求Micro LED这样的新技术来实现更好的显示效果呢?即使Micro LED在成本上确实较高,但HoloLens目前的客户对价格并没有那么敏感,而且微软刚刚拿下了美国军方的大额订单,是时候考虑用更先进的技术来改进自己的产品了。

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