虚拟现实头戴显示器图像显示性能测试评价

张 培

（上海市质量监督检验技术研究院 上海 201114）

引言

头戴式显示器（HMD，Head Mounted Display），即头显。通过一组光学系统（主要是精密光学透镜）放大传统微型平板显示屏上的图像，将影像投射于视网膜上,进而呈现于观看者眼中大屏幕图像或立体图像，可以实现虚拟现实（Virtual Reality,简称VR）、增强现实（Augmented Reality，简称AR）、混合现实（Mixed Reality,简称MR）等不同效果。头戴显示器可以分为两种类型：一种是用于增强现实的穿透式显示器，另一种是用于虚拟现实的非穿透式显示器。用于AR的头戴式显示器可以令使用者在观察到内部像源显示的图像的同时，还可以看到外部环境；增强现实显示器中的图像是对外部环境的补充与说明，能够大幅度提升用户的判断力。虚拟现实显示器只能令用户观察到内部像源显示的图像，外部场景光线不能够穿透设备进入人眼，故称其为“非穿透式显示器”。虚拟现实利用电脑技术模拟出一个立体、高度模拟的3D空间，当使用者穿戴VR头显时，会产生好像处在现实中一般的错觉。在这空间中，操作者可以使用控制器或键盘在这个虚拟的环境下穿梭或互动，显示的内容可来自个人电脑、游戏机或手机[1]。

头戴显示器的原理是将小型平板显示屏所产生的影像藉由光学系统放大。具体而言，小型显示器所发射的光线经过凸状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全像视觉。凸状透镜即是用于放大的光学系统，透镜表面设计有平凸（非球面）、双凸和凹凸效果，透镜边缘薄，中心厚。凸透镜能修正晶状体的光源的角度，使其重新被人眼读取，达到增大视角、将画面放大、增强立体效果的作用。显示器件的像素（pixel）与灰度（grey level）决定视觉影像的解析度与色彩度。

1 虚拟现实头戴显示器基本结构

虚拟现实头戴显示器主要包含2个基本元素：显示器和透镜。它们需要连接计算机（PC），使用PC的CPU和显卡来进行运算。一体机就是自带显示器、陀螺仪、计算模块的机型，使用移动芯片来进行图像和定位计算，脱离了 PC等外部设备的连线束缚，即开即用，非常方便。如图1所示，VR眼镜的构成与分类。

图1 VR眼镜的构成与分类

处理器是计算的核心，用来生成图像和定位计算等。为了防止眩晕，VR眼镜要求图像刷新率达到90 Hz，这对运算速度要求很高。所以，一个VR眼镜的处理器芯片性能指标至关重要。

显示器向左右眼睛分别显示图像，一般为一块或两块显示屏，对于屏幕显示来说，双眼4K屏幕已经能满足8K视频的显示需求，能使人们充分感受到VR视频的深度沉浸效果。

凸透镜片通过折射光线将显示器上的画面成像拉近到视网膜位置，使人的眼睛能轻松看清几乎贴在眼前的显示屏。使用较轻薄的透镜，透镜与显示屏间的距离就会增大，头显的大小也随之增大。使用更厚的透镜，会缩短与显示屏间的距离。屏幕和镜片之间需要保持一定的距离，以保证正确的成像。这种光学结构也决定了VR眼镜当前很难小型化。如图2所示，VR光学结构。

图2 VR光学结构

陀螺仪用来检测定位，使显示器里的景象随着人头部的运动而实时产生变化。

故虚拟现实头戴显示器的显示性能由设备整体决定。

点评 在研究了探究一的基础上，探究二加大了探究力度，问题进一步开放，难度进一步加大．教者在引导学生分析的过程中，对在探究一中所形成的经验进行调用、辨析，产生新的认知，使培养能力这个看似“务虚”的目标真正得到了“落实”．同时，教者通过最后一个问题的设置让学生对各种不同图形之间的关系产生“顿悟”，有了“九九归一”的感觉．

2 图像显示性能试验方法

2.1 VR眼镜的分辨率

VR眼镜，相当于用一个放大镜看屏幕，导致容易出现“纱窗效应”。屏幕达到60 PPD 的图像，人眼此时无法分辨像素颗粒度。PPD（ Pixel Per Degree），即每一度视场角的像素数。60 PPD的标准，人眼可以观察到边缘锐利的静止文字， 30 PPD左右时，人眼观看动态视频就注意不到像素颗粒了。

VR眼镜的分辨率，一般标称几K屏幕，分辨率越大，显示越清晰。一般VR眼镜拥有一块或两块显示屏，对于双眼4 K屏，其实是单眼2 K屏。目前VR眼镜的普遍视场角（Fov，Field of view）在100 °左右。双眼4 K 100 °Fov的VR眼镜，利用公式（1）计算它的PPD = 2 K/100 = 20（这里简化处理，用双目Fov代替单目计算）。

式中：

Px—像素数；

Fov—视场角。

被测设备（EUT）基本参数如表1。

表1 被测设备基本参数

实际VR眼镜裸露出的透镜面积多为不规则图形，并非理想化的椭圆形，如图3所示。

图3 VR眼睛光学透镜外露面积

这些因素都影响VR眼镜整体显示效果。

2.2 试验环境和方法

测量在不受来自外界电磁场干扰的室内进行。测量时暗室照度不高于1 lx。进行测试前被测样品进行预热15 min。测试设备垂直被测样品表面，测试点位于被测物品中心。测试仪器使用二维成像光测量装置。测量位置为眼点位置，眼点距离约为20 mm。测试图像使用VR眼镜分辨率。

使用全白场图像，分别测量VR眼镜左右眼中心点及±30 °视场范围五点的亮度，即距离屏幕中心tan30 °×20 mm=11.5 mm处，如图4所示。

图4 基于视场角的五点测试位置

2.3 亮度及均匀性

分别测的左右眼中心点亮度和水平垂直30 °视场处四点亮度，用坎德拉每平方米（cd/m²）表示，五点分布图如图4所示，用公式（2）计算亮度均匀性N：

通过测量3个产品，对比可得左右眼中心点亮度基本一致，五点亮度均匀性较好，数据见表2所示。

表2 被测设备五点亮度及均匀性

2.4 相关色温和白色色度不均匀性

被测设备调整到标准工作状态，显示全白场图像，测量左右眼屏幕中心P0点的色温值，用开尔文（K）表示。

分别测的左右眼五点处的色坐标值u′、v′，表示为（u0′，v0′）～（u4′，v4′），用以下公式计算 P0～P4点的色度差，

白色色度不均匀性：

式中：

i-1-5点中的任意一个位置[2]。

分别测量3个产品，产品间设计色温有区别，左右眼中心点色温基本一致，但是色温普遍偏高，蓝光分量高，容易使眼疲劳。屏幕中心与边缘色坐标基本一致，色度差较小，1#样品色度差最大为0.012 2，位于右眼，2#样品色度差最大为0.003 1，位于左眼，3#样品色度差最大为0.013 2，位于右眼，测量值及计算值见表3所示。

表3 被测设备相关色温和白色色度不均匀性

3 结论

VR眼镜作为近眼显示设备的一种，运用其显示系统实现了立体显示效果；VR眼镜显示性能指标影响着VR产品实际的体验效果。因此，客观评价VR眼镜显示技术指标尤为重要。本文中重点关注VR眼镜的光学显示性能，测量了光学显示性能指标中的单目亮度、色度指标，以及双目亮度差异、色度差异。

本文使用眼点位置作为测量位置，在该位置上使用者能够获得最好的光学显示性能及观看效果，使检测设备在光学显示技术指标方面的测量结果真实还原人眼的观感体验。分别在左右眼屏幕中心点及±30 °角度处测量白场图像，测量单目5点位置亮度、色度，以及中心点色温，有以下结论：

1）在亮度技术指标方面，左右眼亮度基本一致，五点亮度均匀性较好；

2）产品间色温差异较大，左右眼色温基本一致，高色温容易引起使用者眼疲劳，宜选用低蓝光分量的产品。

3）白色色度不均匀性较低，即屏幕中心与边缘色坐标基本一致，色度差较小。

VR眼镜产品的光学显示性能不错，应注意降低显示蓝光分量，让使用者不易眼疲劳。