Facebook探索高速机械式移位,减少VR“纱窗效应”

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利用高速机械式移位机制来减少“纱窗效应”

映维网 2021年01月09日)美国亚利桑那大学和Facebook Reality Labs的研究人员曾发表了一项关于减少“纱窗效应”的研究成果,方式是利用高速机械式移位机制。纱窗效应是由像素之间的无光空间引起,这会导致在用户和虚拟世界之间出现一种“纱窗”,从而降低沉浸感。针对这种情况,研究人员尝试快速而精确地移动整个显示器,从而致使显示器的像素填补空白。

自2013年Rift DK1开发套件面世以来,纱窗效应一直是现代VR头显中的常见视觉伪影之一。尽管可以通过采用极高密度的显示器这种“粗暴”方式来克服纱窗效应,但除了Reverb G2之外,大多数头显都没有采用所述选项,所以纱窗效应依然在影响着沉浸感和视觉清晰度。

纱窗效应的示例

业内存在除超高像素密度显示屏之外的其他方法。例如,有头显厂商选择较小的视场,这可以降低纱窗效应的可见性。其他头显厂商则在显示屏应用扩散膜,帮助将像素的光线混合到无光空间。

另一个方案是快速且精确地移动显示器,用附近的像素来填充未照亮的间隙。尽管这看起来会产生一种令人眩晕的抖动显示器,但其他显示技术已经证明,若以足够的速度移动一个光点(即一个像素),你可以创建稳定的图像知感。

亚利桑那大学的和Facebook Reality Labs的研究人员曾发布了一篇名为《Screen door effect reduction using mechanical shifting for virtual reality》,并在其中探索了上述的机械式解决方案。

相关论文Screen door effect reduction using mechanical shifting for virtual reality displays

这篇论文不是探究如何构建一款搭载机械式移位机制的VR头显,而是演示和量化这种方法的有效性。

1. 显示致动与模式

显示器致动机制

研究人员设计了一个带有两个压电致动器的静态平台,其中两个压电致动器将共同以120Hz的频率挪移显示器,从而致使每个像素以每秒120次的速度围绕一个10µm的圆挪转。圆的大小是根据显示器像素之间的距离来选择,以便最佳地填充像素之间的无光空间。研究人员称这种循环路径为“非冗余”模式。

他们同时巧妙地利用一个480Hz的显示器,这允许其试验更为复杂的像素移动路径。他们将其称之为“冗余”模式。这种方法的目的不仅是用额外的重叠来填充像素之间的间隙,而且是要将显示帧分割成四个子帧。其中,每个子帧将唯一地移位和显示以说明像素的移动。这意味着,当一个像素移动到填充间隙的位置时,它将能使用若所述位置存在一个像素时的正确颜色。

论文探讨的两种像素移动模式

尽管论文仅探索了这两种像素路径,但研究人员表示,根据显示特性,可以采用其他路径。

团队写道:“像素移动不限于圆形。实际上,通过控制每个轴的运动幅度,我们可以使用椭圆路径,甚至是8字形路径。我们可以尝试多种路径以探索减少纱窗效应的方式。对于micro-OLED显示器,圆形路径非常适合正方形像素和亚像素布局。这可以平衡路径长度和填充系数,从而将致动器的运行速度降到最低。”

用于实验的显示致动平台

在构建致动平台,并能够以所需的路径快速移动显示器,下一步是客观地量化纱窗效应减少量。但显然,这非常非常困难。

2. 量化纱窗效应减少量

作者首先尝试客观地测量每个亚像素的开始和结束位置,但发现用于这项任务的相机分辨率不够精细,无法清晰地描绘每个亚像素的开始和结束位置,更不用说它们之间的空间。

另一种量化方式是测量显示器的对比度,并将其与屏幕启动时的对比度进行比较。较低的对比度意味着较少的纱窗效应,因为像素移动填充了无光空间并创建一个更为稳定的图像。作者认为,这一测量不一定能反映到肉眼可见的纱窗效应减少,但这是一次有意义的定量测量。

两种模式在不同放大率下的对比度降低

3. 纱窗效应减少量的量化评估

除了定量测量纱窗效应减少量的努力之外,研究人员同时希望能够可见地量化评估相关的效应差别。一个例子是包括复杂场景的自然图片。

最上方是原图;中间采用了“冗余”模式;最下方采用了“非冗余”模式。

如上图所示,“非冗余”模式明显降低了纱窗效应,同时保持了相同的清晰度。令人印象深刻的是,“冗余”模式不仅减少了纱窗效应,甚至似乎锐化了图像(注意放大部分的车尾细节)。

“非冗余”模式的图像锐化是一个有趣的额外优势,因为它在不增加像素数的情况下提高了显示器的分辨率。

根据实验,研究人员同时为未来的研究提出了一种适合所有方式的纱窗效应减少量量化方法,包含机械移位、扩散器或不同的亚像素布局和光学元件。

团队总结道:“在使用机械式像素移位来减少纱窗效应时,需要表征显示器的无光空间,以定义机械式移位系统所需的路径形状和移动距离。通过适当地应用机械式移位,可以定量地降低纱窗效应。一种富有前景的可见性量化方法利用了自然场景和人体的放大来感知纱窗效应伪影减少量。”

尽管用超高像素密度显示器这种“简单粗暴”的方式来克服纱窗效应有望走向成熟,但通过利用机械方法,头显厂商可以在降低纱窗效应的同时提高显示器的有效分辨率,从而实现“一石二鸟”。这或许同样会给显示器设计带来连锁影响,因为这可以减少实现极高填充系数需求的限制。

原文链接https://news.nweon.com/82064
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