CN107870425A - 降低动态模糊的方法以及头戴式显示装置 - Google Patents

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Abstract

降低动态模糊的方法以及头戴式显示装置。一种在头戴式显示装置的视频信号中降低动态模糊的方法，此方法包括以下步骤。接收视频信号，视频信号包括第一画面及第二画面。追踪使用者的眼球移动以决定使用者观赏区域。产生介于第一画面及第二画面之间的中间画面。显示第一画面、中间画面、及第二画面。其中产生中间画面的步骤包括仅合成中间画面于使用者观赏区域的像素值。

Description

降低动态模糊的方法以及头戴式显示装置
技术领域
本发明涉及显示视频信号，且特别涉及头戴式显示装置及应用于其的降低动态模糊方法。
背景技术
随着虚拟现实(virtual reality，VR)的应用需求增加，头戴式显示装置近来逐渐受到欢迎。头戴式显示装置(head mounted display，HMD)指戴于头上的显示装置，头戴式显示装置具有小型显示面板于单眼或双眼前方，液晶显示器(liquid crystal display，LCD)为常用的头戴式显示面板。由于液晶显示是“保持类型”(hold-type)显示器，相对于例如阴极射线管(cathode ray tube，CRT)的“脉冲类型”(impulse-type)显示器，液晶显示面板容易出现动态模糊(motion blur)问题。而因为下列两个原因，动态模糊问题在头戴式显示装置更加严重，第一，头戴式显示装置非常靠近使用者眼睛，第二，虚拟现实应用显示的影片常是对应于使用者频繁的头部移动。因此，如何设计一种在头戴式显示装置降低动态模糊的方法，乃目前业界致力的课题之一。
发明内容
本发明涉及降低动态模糊的方法以及头戴式显示装置。
根据本发明的一实施例，提出一种在头戴式显示装置的视频信号中降低动态模糊的方法，此方法包括以下步骤。接收视频信号，视频信号包括第一画面及第二画面。追踪使用者的眼球移动以决定使用者观赏区域。产生介于第一画面及第二画面之间的中间画面。显示第一画面、中间画面、及第二画面。其中产生中间画面的步骤包括仅合成中间画面于使用者观赏区域的像素值。
根据本发明的一实施例，提出一种头戴式显示装置，包括图形处理单元、眼球追踪装置、显示驱动器、以及显示面板。图形处理单元用以提供视频信号，视频信号包括第一画面及第二画面。眼球追踪装置用以追踪使用者的眼球移动以决定使用者观赏区域。显示驱动器用以合成中间画面仅在使用者观赏区域的像素值，中间画面插入于第一画面及第二画面之间。显示面板由显示驱动器驱动以显示第一画面、中间画面、以及第二画面。
根据本发明的一实施例，提出一种在头戴式显示装置的视频信号中降低动态模糊的方法，此方法包括以下步骤。接收视频信号。追踪使用者的眼球移动以决定使用者观赏区域。根据使用者观赏区域，调整背光模块的启动时间，以将视频信号显示于显示面板。
根据本发明的一实施例，提出一种头戴式显示装置，包括显示面板、眼球追踪装置、以及背光模块。眼球追踪装置用以追踪使用者的眼球移动以决定使用者观赏区域。背光模块周期性地启动及关闭以照亮显示面板，并根据使用者观赏区域调整启动时间。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举多个实施例，并配合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1绘示依照本发明一实施例于视频信号中降低动态模糊的方法流程图。
图2绘示依照本发明一实施例头戴式显示装置的示意图。
图3绘示使用者眼睛以及具有眼球追踪装置的头戴式显示装置示意图。
图4绘示依照本发明一实施例头戴式显示装置的一种范例图像数据流示意图。
图5绘示依照本发明一实施例头戴式显示装置的一种范例图像数据流示意图。
图6绘示依照本发明一实施例于视频信号中降低动态模糊的方法流程图。
图7A及图7B绘示于液晶显示面板的范例鬼影图像示意图。
图8绘示将背光模块的启动时间提前的范例示意图。
图9绘示将背光模块的启动时间延后的范例示意图。
图10绘示依照本发明一实施例头戴式显示装置的示意图。
图11绘示控制背光时间的一种范例实作示意图。
图12绘示具有两个分别用于不同眼睛的背光单元的头戴式显示装置的示意图。
【符号说明】
1、2：头戴式显示装置
140：图形处理单元
142、162、242、262：眼球追踪装置
144：显示驱动器
146、166、246、266：显示面板
163、165、263、265：透镜
173、273：左眼图像
175、275：右眼图像
223：左眼背光模块
225：右眼背光模块
243：背光模块
249：多工器
251、252、291、292：周期
271、272：平行四边形
281、281_L、281_R、282：方块
903、905：眼睛
f1：第一画面
f2：第二画面
f3：第三画面
fi、fi’、fi”：中间画面
S100：接收视频信号，视频信号包括第一画面及第二画面
S102：追踪使用者的眼球移动以决定使用者观赏区域
S104：产生介于第一画面及第二画面之间的中间画面
S105：仅合成中间画面于使用者观赏区域的像素值
S106：显示第一画面、中间画面、及第二画面
S200：接收视频信号
S204：追踪使用者的眼球移动以决定使用者观赏区域
S206：根据使用者观赏区域，调整背光模块的启动时间，以显示视频信号
VAL、VA’L、VA”L：左眼观赏区域
VAR、VA’R、VA”R：右眼观赏区域
具体实施方式
数字视频及现代的显示科技引入数个可能会造成动态模糊的因子，例如液晶显示的像素反应时间(response time)，以及眼睛追踪在保持类型液晶显示器上快速移动的物体所造成的模糊。由于液晶显示器采样及保持的特性，动态模糊成为一个严重的问题，由采样保持所造成的动态模糊可藉由缩短一个图像画面(frame)显示的时间而降低。一种可能方式为增加画面率(或称画面更新率、更新率)，例如将更新率从60Hz提高到120Hz。另一种可能方式为降低液晶显示像素被点亮的时间，可藉由于部分的更新期间关闭背光或是减少背光点亮的时间而达成(频闪背光、扫描背光、背光闪烁控制、插黑画面技术)。
对于第一种方式(增加更新率)，可使用图像插补(frame interpolation)技术以在原本的画面之间插入一个介于其间的画面，图像插补可由动态插补以达成，例如包括对于两个图像画面执行动态估计(motion estimation)以及动态补偿(motioncompensation)，动态插补使得视频看起来更加流畅以降低动态模糊。在头戴式显示装置中，由于嵌有透镜以放大显示器的像素，头戴式显示装置的解析度要求很高以能够产生清楚的图像，而高更新率以及高图像解析度增加了所需图形处理单元(graphics processingunit，GPU)的运算处理能力以及图形处理单元与显示面板之间的频率需求。举例而言，一个具有4K解析度(3840x2160)的显示器，相较于具有FHD解析度(1920x1080)的显示器，需要四倍的运算处理能力以及带宽。此外，具有120Hz更新率的显示器相较于具有60Hz更新率的显示器，亦需要两倍的运算处理能力。如上所述，对于高更新率以及高解析度可能需要大量的硬件资源，而为了减少需要的硬件资源，以下提出一种头戴式显示装置以其使用的降低动态模糊的方法。
图1绘示依照本发明一实施例在视频信号中降低动态模糊的方法流程图，此方法包括下列步骤。步骤S100：接收视频信号，视频信号包括第一画面及第二画面。步骤S102追踪使用者的眼球移动以决定使用者观赏区域。步骤S104：产生介于第一画面及第二画面之间的中间画面。步骤S106：显示第一画面、中间画面、及第二画面。产生中间画面的步骤S104包括步骤S105：仅合成中间画面于使用者观赏区域的像素值。
图2绘示依照本发明一实施例头戴式显示装置的示意图。头戴式显示装置1包括图形处理单元140、眼球追踪装置142、显示驱动器144、以及显示面板146。图形处理单元140用以提供视频信号，视频信号包括第一画面f1及第二画面f2。眼球追踪装置142用以追踪使用者的眼球移动以决定使用者观赏区域VA。显示驱动器144用以合成中间画面fi仅于使用者观赏区域VA的像素值，中间画面fi插入于第一画面f1及第二画面f2之间。显示面板146由显示驱动器144驱动以显示第一画面f1、中间画面fi、以及第二画面f2。
步骤S100可由显示驱动器144执行，图形处理单元140提供视频信号至显示驱动器144，视频信号包括第一画面f1以及第二画面f2。举例而言，视频信号可包括多个时间间隔的图像画面，其中包括连续的第一画面f1以及第二画面f2。步骤S102可由眼球追踪装置142执行，眼球追踪装置142可测量目光关注焦点以感测使用者目前观看的位置。眼球追踪装置142可以有多种实作方式，包括测量贴附于眼睛的物体(一般而言是特殊类型的隐形眼镜)的移动量、无直接接触眼睛的光学追踪法(基于图像处理的方法)、以及测量置于眼睛周围电极的电位。眼球追踪装置142的实作方式在此并不加以限制。眼球追踪装置142可决定使用者目前正在观看的使用者观赏区域VA。
在提取出使用者观赏区域VA之后，显示驱动器144可执行步骤S105，使用图像插补以合成中间画面fi于使用者观赏区域VA的像素值。图像插补可藉由对第一画面f1及第二画面f2执行动态估计及动态补偿以达成。举例而言，在计算出相关于第一画面f1及第二画面f2的移动向量之后，中间画面fi可使用一半强度的移动向量而获得。动态估计及动态补偿需要大量的运算能力，而由于在此实施例中，仅部分的图像(仅使用者观赏区域VA)需要插补，能够大幅减少所需的运算能力。
由于目前使用者关注的是使用者观赏区域VA，在使用者观赏区域VA以外的区域所发生的动态模糊可以被忽略，因此可以仅针对使用者观赏区域VA执行图像插补相关的程序。如此对于计算工作的简化，可以节省显示驱动器144的硬件成本，并且能够增加处理速度。在一实施例中，由眼球追踪装置142所取得的初步使用者观赏区域可以在显示驱动器144被适当放大，以产生一个较安全具有防护带的使用者观赏区域VA，以确保在使用者视野中的动态模糊现象被降到最低。
在执行使用者观赏区域VA的图像插补之后，显示驱动器144可提供第一画面f1、中间画面fi、以及第二画面f2至显示面板146以显示(步骤S106)。显示面板146可以是液晶显示面板或有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示面板。亦即，前述使用图像插补的降低动态模糊的方法，可应用至液晶显示面板以及有机发光二极管显示面板。
图3绘示使用者眼睛以及具有眼球追踪装置的头戴式显示装置示意图，以清楚说明一个使用图1所示的方法以及如图2所示的头戴式显示装置的范例。如图3所示的例子，头戴式显示装置的显示面板166前方有透镜163及透镜165，眼球追踪装置162设置于使用者的眼睛903及905附近。在此实施例中，显示面板166对于使用者左眼903显示左眼图像173，并对于使用者右眼905显示右眼图像175。眼球追踪装置162追踪使用者的眼球移动以获得使用者观赏区域VA，在此例中使用者观赏区域VA包括左眼观赏区域VAL以及右眼观赏区域VAR。显示驱动器(未绘示于此图中)可仅合成于左眼观赏区域VAL及右眼观赏区域VAR的像素值。亦即，动态插补(包括动态估计及动态补偿)可分别对左眼观赏区域VAL及右眼观赏区域VAR进行处理。在另一实施例中，显示面板166可包括两个分开的面板，分别用于显示两眼的图像。
而对于中间画面fi在使用者观赏区域VA以外的区域，这些像素值可以是从第一画面f1复制(前向复制)或是从第二画面f2复制(后向复制)，如此直接复制像素值可以避免产生中间画面fi时额外的计算花费。关于产生中间画面fi的步骤S104，在一实施例中，中间画面fi与第一画面f1在使用者观赏区域VA以外的像素值相同；在另一实施例中，中间画面fi与第二画面f2在使用者观赏区域VA以外的像素值相同。
复制像素的工作(插入复制画面)可以是由显示驱动器144或是图形处理单元140执行。图4绘示依照本发明一实施例头戴式显示装置的一种范例图像数据流示意图。图形处理单元140提供视频信号至显示驱动器144，视频信号包括画面f1、f2、f3。在显示驱动器144从眼球追踪装置142取得使用者观赏区域VA(此例中包括左眼观赏区域VAL及右眼观赏区域VAR)之后，显示驱动器144合成使用者观赏区域VA内的像素值，并且复制不在使用者观赏区域VA内的像素值。在此例中，显示驱动器144从中间画面的前一个画面复制像素值(对于中间画面fi而言，除了使用者观赏区域VA，像素值是从第一画面f1复制)。
图5绘示依照本发明一实施例头戴式显示装置的一种范例图像数据流示意图。在此例中，图形处理单元140执行插入复制画面的工作。亦即，提供至显示驱动器144的视频信号已经插入复制画面(此例中为前向复制)。在显示驱动器144取得使用者观赏区域VA之后，显示驱动器144使用图像插补以修改中间画面fi在使用者观赏区域VA内的像素值。虽然图4及图5使用前向复制作为例子，在实作中也可使用后向复制(对于中间画面fi，从第二画面f2复制像素值)。如图5所示的例子，产生中间画面fi的步骤S104可由图形处理单元140搭配显示驱动器144共同执行。图5所示的实施例，相较于图4的实施例，在图形处理单元140与显示驱动器144之间需要较高的带宽(在图形处理单元140与显示驱动器144之间传送的画面数量，图5为图4的两倍)。
对于第二种降低动态模糊的方式(背光闪烁控制)，显示面板的背光模块可以周期性地启动及关闭以从液晶显示面板的背后照亮显示面板。背光模块的光源可以是发光二极管或是冷阴极荧光灯管(cold cathode fluorescent lamp，CCFL)。此背光闪烁控制的方式，背光模块切换于启动及关闭的速度快于人眼能察觉的程度。
图7A及图7B绘示在液晶显示面板的范例鬼影图像示意图。在液晶显示器显示图像时，如图7B所示，像素是由画面顶部往底部依序扫描，而液晶需要一定的反应时间以显示正确的图像内容。图7A中，周期251及周期252代表面板更新时间，平行四边形271代表显示第一画面f1的液晶反应时间，类似地，平行四边形272代表显示第二画面f2的液晶反应时间，斜线方块281及282代表背光模块启动的时间。如图7A所示，在时间周期291内，对应于画面底边像素的液晶尚未准备好显示正确的第一画面f1，这些像素目前仍显示前一个画面的内容，因而会在显示面板靠近底边处形成前鬼影(pre-ghost)图像。另一方面，在时间周期292内，对应于画面顶边像素的液晶依据第二画面f2内容开始旋转，这些像素目前显示下一个画面的内容，因而会在显示面板靠近顶边处形成后鬼影(post-ghost)图像。
图8绘示将背光模块的启动时间提前的范例示意图。与图7A相比，背光模块的启动时间被提前了(向左移的方块281)，在此情况下，周期291增加，使得前鬼影图像的范围变大，然而，周期292减少或甚至整个移除，因此减少或甚至消除了后鬼影图像。
图9绘示将背光模块的启动时间延后的范例示意图。与图7A相比，背光模块的启动时间被延后了(向右移的方块281)，在此情况下，周期292增加，使得后鬼影图像的范围变大，然而，周期291减少或甚至整个移除，因此减少或甚至消除了前鬼影图像。
根据图8以及图9所示的效果，提出一种藉由调整背光模块启动时间的降低动态模糊方法。图6绘示依照本发明一实施例于视频信号中降低动态模糊的方法流程图，此方法包括下列步骤。步骤S200：接收视频信号。步骤S204：追踪使用者的眼球移动以决定使用者观赏区域。步骤S206：根据使用者观赏区域，调整背光模块的启动时间，以显示视频信号。
图10绘示依照本发明一实施例头戴式显示装置的示意图。头戴式显示装置2包括显示面板246、眼球追踪装置242、以及背光模块243。眼球追踪装置242用以追踪使用者的眼球移动以决定使用者观赏区域VA。背光模块243周期性地启动及关闭以照亮显示面板246，并根据由眼球追踪装置242决定的使用者观赏区域VA调整启动时间。显示面板246可以是液晶显示面板以显示视频画面。
步骤S200可由显示面板246执行，显示面板246可以是液晶显示面板。背光模块243可包括光源以及控制电路，控制电路用以控制启动时间以及关闭时间。步骤S204可由眼球追踪装置242执行。调整启动时间的步骤S206可由背光模块243执行。如图8及图9所示，藉由提前或是延后背光模块243的启动时间，可以有效控制鬼影图像的位置。因此，在取得使用者观赏区域VA之后，可以对应控制背光模块243的启动时间，以使得鬼影图像不出现在使用者观赏区域VA内。
举例而言，若是使用者观赏区域VA与显示面板246顶边的距离小于与显示面板246底边的距离，则应该避免靠近顶边的后鬼影图像，因此背光模块243可将启动时间提前。另一方面，若是使用者观赏区域VA与显示面板246底边的距离小于与显示面板246顶边的距离，则应该避免靠近底边的前鬼影图像，因此背光模块243可将启动时间延后。
如上述实施例所示，藉由根据使用者观赏区域VA动态调整背光模块的启动时间，可以有效降低动态模糊。此调整可在每次背光模块启动时执行。藉由持续追踪使用者的眼球移动，背光模块的启动时间可以根据最新取得的使用者观赏区域而进行调整。
背光模块中用以控制启动时间的控制电路可以有多种实作方式，举例而言，控制电路可以根据预先设定的公式，将使用者观赏区域VA作为输入参数，计算启动时间。或者，控制电路可存储一个预先设定好的查找表，此查找表记录使用者观赏区域与启动时间的对应关系。图11绘示控制背光时间的一种范例实作示意图，在此实施例中，背光模块的控制电路包括多工器(MUX)249，多工器249用以回应于眼球追踪分析结果(从眼球追踪装置242取得)，从多个遮黑地址(对应于背光模块243不同的启动时间)中选择一个。
图12绘示具有两个分别用于不同眼睛的背光单元的头戴式显示装置的示意图。如图12所示的例子，头戴式显示装置的显示面板266前方有透镜263及透镜265，眼球追踪装置262设置于使用者的眼睛903及905附近。在此实施例中，显示面板266对于使用者左眼903显示左眼图像273，并对于使用者右眼905显示右眼图像275。眼球追踪装置262追踪使用者的眼球移动以获得使用者观赏区域VA，在此例中使用者观赏区域VA包括左眼观赏区域VAL以及右眼观赏区域VAR。对于左眼图像273及右眼图像275的背光为分别控制。背光模块包括左眼背光模块223及右眼背光模块225，左眼背光模块223根据左眼观赏区域VAL调整左眼背光模块223的启动时间(斜线方块281_L)，右眼背光模块225根据右眼观赏区域VAR调整右眼背光模块225的启动时间(斜线方块281_R)。
根据上述的多个实施例，对于降低头戴式显示装置内的动态模糊，提供了一种增加更新率的方法，此方法可在显示驱动器内实作。另外并提供了一种调整背光时间的方法，可实作于背光模块。藉由采用本发明提出的方法以及头戴式显示装置，使用者目前正在观看的使用者观赏区域内的动态模糊问题可被避免。在使用者观赏区域外，可能还是存在动态模糊，但由于这些动态模糊不在目前的观赏区域内，因此不会被使用者注意到。藉由专注在降低使用者观赏区域内的动态模糊现象，可节省硬件成本，并可以增进处理速度。
综上所述，虽然本发明已以多个实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (20)

1.一种在头戴式显示装置的视频信号中降低动态模糊的方法，该方法包括：
接收该视频信号，该视频信号包括一第一画面及一第二画面；
追踪一使用者的眼球移动以决定一使用者观赏区域；
产生介于该第一画面及该第二画面之间的一中间画面；以及
显示该第一画面、该中间画面、及该第二画面；
其中产生该中间画面的步骤包括仅合成该中间画面在该使用者观赏区域的像素值。
2.如权利要求1所述的方法，其中合成该中间画面在该使用者观赏区域的像素值的步骤包括：
对该第一画面及该第二画面执行动态估计及动态补偿。
3.如权利要求1所述的方法，其中该中间画面与该第一画面在该使用者观赏区域以外的像素值相同。
4.如权利要求1所述的方法，其中该中间画面与该第二画面在该使用者观赏区域以外的像素值相同。
5.如权利要求1所述的方法，其中该使用者观赏区域包括一左眼观赏区域及一右眼观赏区域。
6.一种头戴式显示装置，包括：
一图形处理单元，用以提供一视频信号，该视频信号包括一第一画面及一第二画面；
一眼球追踪装置，用以追踪一使用者的眼球移动以决定一使用者观赏区域；
一显示驱动器，用以合成一中间画面仅在该使用者观赏区域的像素值，其中该中间画面插入于该第一画面及该第二画面之间；以及
一显示面板，由该显示驱动器驱动以显示该第一画面、该中间画面、以及该第二画面。
7.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其中该显示驱动器用以对该第一画面及该第二画面执行动态估计及动态补偿，以合成该中间画面在该使用者观赏区域的像素值。
8.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其中该显示驱动器用以复制该第一画面在该使用者观赏区域以外的像素值以产生该中间画面。
9.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其中该显示驱动器用以复制该第二画面在该使用者观赏区域以外的像素值以产生该中间画面。
10.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其中该图形处理单元用以复制该第一画面以产生该中间画面，该显示驱动器使用图像插补以修改该中间画面在该使用者观赏区域内的像素值。
11.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其中该图形处理单元用以复制该第二画面以产生该中间画面，该显示驱动器使用图像插补以修改该中间画面在该使用者观赏区域内的像素值。
12.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其中该使用者观赏区域包括一左眼观赏区域及一右眼观赏区域。
13.一种在头戴式显示装置的视频信号中降低动态模糊的方法，该方法包括：
接收该视频信号；
追踪一使用者的眼球移动以决定一使用者观赏区域；以及
根据该使用者观赏区域，调整一背光模块的一启动时间，以将该视频信号显示于一显示面板。
14.如权利要求13所述的方法，其中调整该背光模块的该启动时间的步骤包括：
若是该使用者观赏区域与该显示面板的一顶边的距离小于与该显示面板的一底边的距离，将该启动时间提前。
15.如权利要求13所述的方法，其中调整该背光模块的该启动时间的步骤包括：
若是该使用者观赏区域与该显示面板的一底边的距离小于与该显示面板的一顶边的距离，将该启动时间延后。
16.如权利要求13所述的方法，其中该使用者观赏区域包括一左眼观赏区域及一右眼观赏区域，该背光模块包括一左眼背光模块及一右眼背光模块，根据该使用者观赏区域调整该背光模块的该启动时间的步骤包括：
根据该左眼观赏区域调整该左眼背光模块的一启动时间；以及
根据该右眼观赏区域调整该右眼背光模块的一启动时间。
17.一种头戴式显示装置，包括：
一显示面板；
一眼球追踪装置，用以追踪一使用者的眼球移动以决定一使用者观赏区域；以及
一背光模块，周期性地启动及关闭以照亮该显示面板，并根据该使用者观赏区域调整一启动时间。
18.如权利要求17所述的头戴式显示装置，其中若是该使用者观赏区域与该显示面板的一顶边的距离小于与该显示面板的一底边的距离，该背光模块将该启动时间提前。
19.如权利要求17所述的头戴式显示装置，其中若是该使用者观赏区域与该显示面板的一底边的距离小于与该显示面板的一顶边的距离，该背光模块将该启动时间延后。
20.如权利要求17所述的头戴式显示装置，其中该使用者观赏区域包括一左眼观赏区域及一右眼观赏区域，该背光模块包括一左眼背光模块及一右眼背光模块，该左眼背光模块根据该左眼观赏区域调整该左眼背光模块的一启动时间，该右眼背光模块根据该右眼观赏区域调整该右眼背光模块的一启动时间。
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