CN109841185A - 微位移高清vr显示屏 - Google Patents

Abstract

本发明公开的微位移VR显示屏，由显示屏、微位移显示App模块、微位移驱动机构及驱动电路构成。结合注视点渲染技术，可充分利用现有的软硬件资源，在数据流量及运算负担增加不大的情况下，大幅提高图像清晰度，实现VR的视网膜分辨率显示，消除图像的纱窗效应。与现有VR头显相比，具有更宽广的视野，更高的清晰度，让影像真正体现出立体、沉浸和触目可及的感觉。

Description

微位移高清VR显示屏

技术领域：

本发明涉及一种VR显示屏，更具体地讲，涉及一种通过微位移实现高清显示的VR显示屏，所述显示屏可结合注视点渲染技术，实现VR的视网膜分辨率显示。

背景技术：

作为虚拟现实的显示终端，VR头盔显示器是将VR显示屏所产生的影像藉由光学系统放大，VR显示屏所发射的光线经过凸透镜使影像因折射产生类似远方效果，利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的沉浸视觉。VR头盔显示器简称VR头显，其代表就是Oculus Rift，Sony的PlayStation VR，和HTC/Valve的VIVE)。

决定VR效果的首要因素就是VR显示屏的分辨率。现有的VR显示屏，无论是单屏分隔成左右视区，还是左右双屏结构，单眼对应的显示区域宽度一般不超过70mm，为了获得宽广的视野需要比较大的光学放大倍率，导致像素晶格清晰可见，即所谓的“纱窗效应”。目前，Oculus Rift、HTC VIVE的单眼像素数约1.2M，相当于2K屏的清晰度，要达到视网膜分辨率，通常的思路是采用8K乃至16K显示屏，但目前的制造工艺和成本控制均难以达到量产要求，并且采用超高清屏在显示帧频、视频传输带宽，以及周边硬件成本方面又带来了新的压力。

芬兰Varjo Technologies公司通过使用高分辨率OLED显示屏加低分辨率显示面板的头显来解决这一问题。原型机包含了一对高分辨率Sony MicroOLED显示屏，其对角线为0.7英寸，每英寸3000像素(PPI)，将高分辨率OLED显示屏投影叠加在低分辨率显示面板上，叠加区的边界出现轻微的闪烁现象，主要是让高分辨显示区域围绕用户眼球移动并与注视点保持一致，致使用户认为他们看到了高分辨率的图像。其原因在于人眼分辩率最高的区域在视网膜上只占很小一点，只有眼睛中央10°左右的范围最清晰，也就是视黄斑部分，到了周围的分辨率就会大大下降。黄斑中心凹附近的范围内有1′的分辨率(1.0视力)，离开中心凹以后，视力下降到10′的分辨率(0.1视力)，因为眼睛移动速度有限，所以只需匹配人眼运动以提供注视点区域的高分辨率图像。Varjo原型机的高分辨视野约20°，固定在视场的中心，未来会添加综合眼动跟踪技术动态调整微显示反射图像，其结构显然是相对复杂的。

除了分辨率不够高的因素外，“纱窗效应”产生的更重要的原因在于像素之间的黑色间隙。LG近期发布了一项专利，该专利描述了放置在显示面板和透镜之间的“光扩射构件”，将从显示面板的透光区域发出的光扩散到显示面板的遮光区域，能够减轻纱窗效应，从而提高了VR的图像质量。

发明内容：

本发明公开了一种通过微位移实现高清显示的VR显示屏，所述显示屏可结合注视点渲染技术，实现VR的视网膜分辨率显示，消除VR显示的纱窗效应。目的在于充分利用现有的软硬件资源，在数据流量增加不多的条件下，不增加额外负担来大幅提高图像清晰度、消除像素晶格现象。

现有VR头显的结构如图1所示，一对目镜(5)将VR头显的左屏(2)右屏(1)图像投射放大到远处。限于显示区域宽度不宜超过人眼(3)瞳距太多，只能依靠提高目镜放大倍率来获得大视场，这样即使采用2.5K、4K的高清显示屏，也会看到较明显的像素晶格。

本发明公开的微位移VR显示屏结构如图2所示，由显示屏(6)、微位移显示App模块(7)、微位移驱动机构(8)及驱动电路(9)构成。显示屏(6)本身不作旋转，只在显示平面上作平移运动，显示屏(6)上每一个像素都保持与质心相同的运动轨迹，显示屏可以是双屏，也可以是单屏左右分区显示。显示屏(6)具有较高的刷新频率f₀，链接在微位移驱动机构(8)上，在驱动电路(9)的控制下按设定的轨迹以固定频率F作周期性运动，并与微位移显示App模块(7)的图像刷新保持同步，f₀＝N*F，N为像素倍增因素，一般取值4～9，F实际上就是微位移VR显示屏的完整显示帧率。

微位移显示App模块(7)内置于显示屏处理器内，App首先将一帧超高清图像P按预定的方法分解成N幅与显示屏分辨率相同的子图像；在一个运动周期内，N幅子图像在预定的位置节点按时序依次刷新显示。由于视觉暂留效应，我们可以看到一幅超高清晰度的完整图像。

显然，能够实现微位移的显示屏(6)具有较高的刷新频率f₀，较小的质量和较好的抗振动性能。OLED屏响应时间是普通LCD的千分之一，可以达到很高的刷新频率；厚度小，重量轻，制造工艺简单，没有液晶物质，抗震性能好，因此其微位移机构可以设计得很轻巧；能够在不同材质的基板上制造，可以做成能弯曲的显示器，优化光学透镜的设计，因此成为最佳选择。部分LCD屏的刷新率可以超过240HZ，特别是采用蓝相液晶技术的显示屏，也可以通过微位移技术提高清晰度。

像素点的开口率低，对提高像素倍增因数N十分有利。各种屏幕像素的结构不尽相同，在这里将开口率定义为单色子像素与全像素(14)面积的比率，其中G子像素(16)的开口率尤为重要，因为人眼对绿色敏感，通过微位移增加G子像素(16)的数量对清晰度的提高最为有效。开口率越低，像素之间的黑场间隙(18)越大，以及同色子像素之间的空间越大，可通过微位移填充的子像素数量就越多，N值就可以设定得越大，当然，N值还受到刷新频率f₀及微位移驱动机构(8)性能的限制。

显示屏采用加法色原理，每个像素由R、G、B子像素在平面空间上排列组合而成，称为空间混色像素。LCD屏像素大多采用标准RGB排列，如图3所示；OLED屏像素大多采用PenTile排列，如图4所示，通过相邻像素公用子像素的方式，减少子像素个数，从而达到以低分辨率去模拟高分辨率的效果。当然还存在其它排列方式，如蓝相液晶显示屏采用场序显色方式，R、G、B三个子像素在平面空间上重叠，在时序上依次显示，称为时序混色。无论采用OLED屏还是蓝相液晶屏，当显示屏在微位移驱动下显示高分辨率图像时，R、G、B子像素均在同一位置交替显示，因此属于时序混色。对于标准RGB排列，一般X方向可插入2个子像素，Y方向插入1个子像素，N＝3*2＝6，或者简单化取N＝2*2＝4；对于PenTile排列，一般X方向可插入1～2个子像素，Y方向插入1～2个子像素，具体由像素开口率而定。

微位移驱动的运动轨迹可分为圆周运动，椭圆运动，闭合折线运动，或者其它组合的运动方式；微位移驱动方式可采用转轴圆周驱动，X/Y轴双向驱动等，位移最大幅度一般不超过全像素点距。

圆周运动是简单稳定的运动方式，如图5所示，当N＝2*2时，微位移圆周运动轨迹(21)的内接正方形边长(22)为全像素点距D的一半，四个顶点位置作为4幅子图像依次刷新的位置节点(20)。圆周的半径为0.35D，即可以采用简单的转轴驱动，也可以采用X/Y轴双向简谐振动的运动合成：

x＝0.35D*sinωt

y＝0.35D*cosωt 其中ω为角速度，ω＝2π*F

转轴圆周驱动或简谐振动均容易达到稳定、高频、能耗少的要求，驱动机构可以设计得轻巧。如果显示屏的刷新率f₀＝360Hz，原生分辨率为4K(3840*2160)，N＝2*2＝4，微位移VR显示的清晰度可达到8K(7680*4320)，此时帧率F＝90FPS。

当N＝3*2时，微位移采用X/Y轴双向驱动，运动轨迹可设定如图6A所示的6节点闭合折线，X方向节点间距为D/3，Y方向节点间距为D/2；也可由如图6B所示的椭圆运动近似模拟，椭圆运动也可由双向简谐振动合成：

x＝0.29D*sinωt

y＝0.54D*cosωt 其中ω为角速度，ω＝2π*F

6节点微位移适合标准RGB排列的显示屏，横向具有更高的分辨率，与专利申请2016106356540提供的视角展宽技术相结合，可获得更宽广的视野。

当N＝3*3时，微位移运动轨迹可设定为如图7所示的9节点闭合折线，X、Y方向节点间距均为D/3，采用X/Y轴双向驱动，适合开口率较低的标准RGB排列及PenTile排列显示屏，可获得9倍像素增幅，4K屏可以提升到12K的清晰度。

PenTile排列的显示屏，多数情况下可选取N＝8，即8节点闭合折线，如图8所示，多数位置节点间距等于子像素点距d(19)，节点④到节点⑤、节点⑧到节点①的间距为0.707d，微位移采用X/Y轴双向驱动方式。8节点闭合折线进一步可转化为两个半径为0.707d的圆周与一段长度为0.707d的折线位移组合，如图9所示，可采用转轴圆周和直线往复共同驱动，当微位移到达圆周位置节点④，子图像4刷新完成后，向左上方直线驱动0.707d距离，同时旋转到圆周位置节点⑤，刷新子图像5，其运动轨迹具有较好的稳定性，容易达到较高的运动频率F。

显然，微位移不仅仅限于以上提供的几种运动轨迹和驱动方式。

根据微位移的运动轨迹，以及屏幕次序刷新的位置节点，微位移显示App模块(7)将一帧高分辨率图像P分解成N幅子图像，子图像的分辨率与显示屏相同。因图像分解方法与像素的排列方式、角度、运动轨迹均相关，不方便一一具体描述，本文给出了图像分解的规则和条件：

a.以子像素为基本单位分解高分辨率图像P；

b.以预定的位置节点为基准，将N个子图像依次错位重叠排列，同一位置上的所有子像素叠加成一个完整像素，还原成图像P，即图像P上每个像素点是由该位置依次显示的R、G、B子像素按时序混色而成的；

c.按时序混色的R、G、B子像素在平面空间上基本重叠，如果其中一个子像素出现较大位置偏移，其颜色值根据图像P的临近同色子像素插值赋予。

显示屏(6)按设定的轨迹运动，微位移显示App模块(7)实时刷新子图像，在驱动电路(9)控制下，刷新的时间与显示屏所在的位置节点(20)始终保持同步状态。假设N＝8，刷新频率f₀为720Hz，子图像的刷新时刻见下表，图像P的显示帧率为90FPS。

时序编号	1	2	3	4	5	6	7	8
									时刻(秒)	0	1/720	2/720	3/720	4/720	5/720	6/720	7/720
轨迹位置	1	2	3	4	5	6	7	8
									子图像编号	1	2	3	4	5	6	7	8

当图像P与子图像分辨率相同时，每个刷新时刻子图像完全相同，一个运动周期内不需要进行数据更新，对计算和数据传输都没有带来额外的负担，此时虽然像素倍增不起作用，但因为微位移填充了像素之间的黑场空间，“纱窗效应”得以减轻或消除。

当图像P的像素数量是子图像的N倍时，每个刷新时刻子图像完全不同，特别是对于需要实时渲染的图像P，计算和数据传输都增加了大量的负担。考虑到VR显示的视野较大，一般超过110°，其边缘视区处于人眼的余光区，眼球转动时注视点扫描不到，并且透镜边缘区的分辨率也较低的因素，可以将图像P划分成中央高分辨区和周边低分辨区两个区域，高分辨区面积约占50％，只需要将高分辨区的图像进行分解及刷新，可以一定程度上降低计算和传输负荷。

更好的方法是采用注视点渲染技术，在VR眼镜内设置传感器追踪用户眼球的注视点，只需要详细渲染注视点所在的区域，而其它外围区域都以较低分辨率处理，可以减少渲染和显示VR所需的系统资源。显然，采用注视点渲染技术，只需保持注视点一小片区域的高分辨率即可，其面积约占图像P整体面积的1％，在一个微位移周期内，只将这一部分像素分解、刷新显示，可以大幅降低计算和传输负荷，并保持完美的视网膜分辨率，同时消除整个图像的纱窗效应。

OLED屏可以做成具有一定曲率的曲面形状来优化透镜的成像，如图10所示，解决边缘画质下降的问题，改善周边的视野清晰度；也可以简单弯曲成一定弧度的柱面形状，改善水平视野两边的成像清晰度，尽管此时显示屏不是平面形状，通过微位移来提高分辨率的措施同样有效。曲面显示屏(26)采用单屏左右分区的双曲面结构，可以简化微位移驱动机构(8)，有利于VR头显的轻量化。

附图说明：

图1是现有VR头显结构俯视图。

图2是微位移VR显示屏功能及结构示意图。

图3是像素的标准RGB排列示意图。

图4是像素的PenTile排列示意图。

图5是微位移4节点圆周运动轨迹示意图。

图6A是微位移6节点闭合折线运动轨迹示意图。

图6B是微位移6节点椭圆运动轨迹示意图。

图7是微位移9节点闭合折线运动轨迹示意图。

图8是微位移8节点闭合折线运动轨迹示意图。

图9是微位移8节点圆周与折线组合示意图。

图10是曲面屏VR头显结构俯视图。

上述各附图中的图示标号为：

1VR头显右屏，2VR头显左屏，3人眼，4分隔挡板，5目镜，6显示屏，7微位移显示App模块，8微位移驱动机构(虚线框内)，9驱动电路，10 X方向驱动触点，11 Y方向驱动触点，12X方向支撑点，13 Y方向支撑点，14全像素，15 B子像素，16 G子像素，17 R子像素，18黑场间隙，19 PenTile排列子像素点距d，20位置节点，21微位移圆周运动轨迹，22圆周内接正方形边长，23折线段，24微位移椭圆运动轨迹，25往复折线，26曲面显示屏。

本发明公开的微位移VR显示屏，结合注视点渲染技术，可充分利用现有的软硬件资源，在数据流量及运算负担增加不大的情况下，大幅提高图像清晰度，实现VR的视网膜分辨率显示，消除图像的纱窗效应。与使用高分辨率OLED显示屏加低分辨率显示面板的VR头显相比，结构简单，注视点区域的移动显示更方便，低分辨区无像素晶格，高低分辨率过渡区更平滑。

具体实施方式：

实施例一：微位移OLED显示屏。

采用2560×1440分辨率的2K AMOLED显示屏，屏幕像素为PenTile排列，显示屏(6)与主控板和其它部件通过线路软连接，显示屏(6)支撑点链接在微位移驱动机构(8)上。微位移轨迹可以分解为两个半径为0.707d的圆周与一段长度为0.707d的折线位移组合，如图9所示，采用转轴圆周和直线往复两种方式共同驱动。在驱动电路(9)的控制下按预定轨迹周期性运动，首先圆周运动从节点①→节点②→节点③→节点④，到达圆周位置节点④，子图像4刷新完成后，直线驱动显示屏(6)向左上方移动0.707d的距离，同时圆周旋转到节点⑤，刷新子图像5，继续圆周运动到节点⑥→节点⑦→节点⑧，刷新子图像8，完成一帧高清图像的显示。继续圆周运动，同时直线驱动显示屏(6)向右下方移动0.707d的距离，到达位置节点①，开始下一帧图像的显示。本例中，N＝8，基础刷新率f₀＝720Hz，微位移VR显示的清晰度可达到差不多8K(7240*4072)，此时帧率F＝90FPS。OLED显示屏加工成如图10所示的曲面形状，校正边缘成像，能够进一步改善VR头显的整体清晰度。

实施例二：微位移LCD显示屏。

采用5.5英寸3840×2160分辨率的4K LCD显示屏，屏幕像素为标准RGB排列，显示屏(6)与主控板和其它部件通过线路软连接，显示屏(6)支撑点链接在微位移驱动机构(8)上。微位移以椭圆轨迹近似模拟6节点闭合折线，如图6B所示，椭圆运动可分解为X方向和Y方向上的简谐振动，微位移采用X/Y轴双向驱动，在驱动电路(9)的控制下按椭圆轨迹周期性运动，从节点①→节点②→节点③→节点④→节点⑤→节点⑥→节点①，依次刷新完成一帧高清图像的显示，并开始下一帧高清图像的显示。N＝3*2，f₀＝240Hz，微位移VR显示的清晰度可超过8K(11520*4320)，此时帧率F＝40FPS，LCD的响应时间较长，基础刷新率不高，显示快速运动、快速转换的VR场景时，来不及完成所有子图像的刷新显示，但因为f₀仍然高于90Hz，不会带来眩晕和图像拖影问题。本例中，图像横向具有更高的分辨率，在屏幕与透镜之间加入菲涅尔柱面透镜展宽图像，可获得更宽广的视野。

实施例三：微位移蓝相液晶屏。

蓝相液晶显示屏的分辨率为8K，由标准点阵排列的单色像素构成，场序依次显示R、G、B颜色，蓝相液晶的响应时间较少，基础刷新频率能够设置较高，例如单色刷新达到960Hz，则彩色可以达到320Hz，单色像素之间存在间隙，可以通过微位移插入一个像素。显示屏(6)与主控板和其它部件通过线路软连接，显示屏(6)支撑点链接在微位移驱动机构(8)上，微位移轨迹为圆周，如图5所示，微位移采用转轴圆周驱动，在驱动电路(9)的控制下按圆周轨迹周期性运动，从节点①→节点②→节点③→节点④→节点①，完成一帧高清图像显示，并开始下一帧图像显示。N＝2*2，此时帧率F＝80FPS，因蓝相液晶屏可以达到很高的分辨率，加上微位移驱动后可以达到完美的16K清晰度。

Claims (10)

1.一种VR显示屏，其特征在于，由显示屏(6)和微位移驱动机构(8)构成，显示屏(6)具有较高的刷新频率f₀，链接在微位移驱动机构(8)上，在驱动电路(9)的控制下按设定的轨迹以频率F作周期性运动，f₀＝N*F，N为像素倍增因素，微位移显示App模块(7)将一帧超高清图像按预定的方法分解成N幅与显示屏(6)分辨率相同的子图像，在一个运动周期内，N幅子图像在预定的N个位置节点(20)按时序依次刷新显示，通过时序混色形成一幅超高清晰度的完整图像。

2.如权利要求1所述的VR显示屏，其特征还在于，由显示屏(6)为OLED显示屏、蓝相液晶屏或者刷新率较高的LCD显示屏，微位移驱动的运动轨迹为圆周、椭圆或者闭合折线。

3.如权利要求2所述的VR显示屏，其特征还在于，微位移驱动方式为转轴圆周驱动，或者X/Y轴双向驱动。

4.如权利要求3所述的VR显示屏，其特征还在于，微位移轨迹为圆周，其内接正方形的四个顶点，是4幅子图像依次刷新的位置节点(20)，微位移即可以采用简单的转轴驱动，也可以由X/Y轴双向驱动的简谐振动合成。

5.如权利要求3所述的VR显示屏，其特征还在于，显示屏(6)像素是标准RGB排列，微位移轨迹为椭圆，共6个位置节点，由X/Y轴双向驱动的简谐振动合成。

6.如权利要求1所述的VR显示屏，其特征还在于，显示屏(6)为OLED屏，像素PenTile排列，微位移轨迹上共8个位置节点，可转化成两个圆周与一段折线组合，由转轴圆周与直线往复共同驱动。

7.如权利要求5所述的VR显示屏，其特征还在于，微位移图像横向具有更高的分辨率，在屏幕与透镜之间加入菲涅尔柱面透镜展宽屏幕，形成更宽广的视野。

8.如权利要求6所述的VR显示屏，其特征还在于，OLED屏做成具有一定曲率的曲面形状来优化透镜的成像，并采用单屏左右分区的双曲面结构，简化微位移驱动机构。

9.如权利要求1所述的VR显示屏，其特征还在于，在VR眼镜内设置传感器追踪眼球的注视点，只渲染注视点所在的区域，其它外围区域以较低分辨率处理，保持注视点内10°的高分辨率区域，只将这一区域的像素分解、微位移刷新显示。

10.如权利要求1所述的VR显示屏，其特征还在于，图像P分解成子图像的方法与像素的排列方式、角度、微位移的运动轨迹相关，图像分解的规则为：

a.以子像素为基本单位分解高分辨率图像P；

b.以预定的位置节点为基准，将N个子图像依次错位重叠排列，同一位置上的所有子像素叠加成一个完整像素，还原成图像P，即图像P上每个像素点是由该位置依次显示的R、G、B子像素按时序混色而成的；

c.按时序混色的R、G、B子像素在平面空间上基本重叠，如果其中一个子像素出现较大位置偏移，其颜色值根据图像P的临近同色子像素插值赋予。