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    数字驱动有效消除运动模糊


    运动模糊一直是XR头显重点关注的痛点。随着微显示技术不断发展,运动模糊问题在一定程度上得到了改善。在用户需求与产品性能同步提升的情况下,理想的解决方案从去除运动模糊干扰、提高屏幕护眼性等多方面进行进阶优化,从而让微显示产品能够更好地服务用户。

     

    关于运动模糊(Motion blur)

    运动模糊(Motion blur)现象十分常见。例如在一辆快速行驶的车辆上,摄像头拍摄到的景象就会出现运动模糊。在摄影领域,运动模糊能够模拟出物体的运动轨迹,让物体看起来更具真实运动感;在电影制作方面,运动模糊也常被作为一种特殊的视觉效果加以运用。

    OLED微显示器和LTPS-OLEDS的比较 副本 (2).png

    运动模糊出现在摄影、电影及显示屏中。

    运动模糊在显示屏中也普遍存在,图像中运动的物体常常会在显示屏上留下模糊的痕迹。在静态显示器中存在的这种运动模糊现象,到了XR环境下会变得更加复杂。因为在XR体验里,显示屏并非处于静止状态,而是会随着人的头部一起运动。此时的运动模糊既不像电影效果中的那样恰到好处,也不像在传统显示屏中那样无足轻重,反而会引发晕动症,进而破坏正常的体验流程。

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    显示屏随着人头部运动,画面出现模糊。

    所以,为了保障体验效果,XR显示设备需要设法减轻或者消除运动模糊,这也是我们今天重点探讨的问题。

    若要解决运动模糊,首先要了解它的产生原理。

     

    探究显示屏中运动模糊的产生与去除

    我们知道,传统显示器并非以连续、平滑的方式来呈现运动状态,而是通过定时刷新静止的画面来模拟动态画面,每刷新一次画面叫做一帧图像。每帧图像在整个刷新周期内保持不变,直至下一帧出现。

    当我们在VR环境中观看显示屏时,由于人眼具有视觉暂留特性,当我们在VR环境中观看显示屏时,每一帧画面在大脑中会按照其空间位置保留一段时间,产生残留影像。在这个过程中,旧的残留影像与头部移动后大脑中产生的新位置的图像关系发生叠加,于是便导致了画面模糊。画面的保持时间越长,其在大脑中的残留、导致的模糊就越明显;用户在体验中越容易产生晕动症,甚至出现头晕、恶心等不适症状。

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    显示屏每帧画面在人脑中的残留与新的位置关系发生叠加而形成画面整体模糊(图③)。

    基于上述原理,我们不难发现,减少一帧画面的保持时间,就是解决运动模糊很有效的方法。因为当相同画面的保持时间减小时,它在大脑中的残留时间也会相应缩短,而较短的保持时间能够确保在头部移动产生明显位置变化之前,这一帧画面在大脑中的残留影像能够更快地被下一个更新的画面所替代(在插黑技术中也会被黑帧代替)。这样一来,画面在大脑中的叠加效果就会减轻,也即运动模糊效果减轻。

    那么,要减少到什么程度呢?

    在真实环境中,人眼也会出现运动模糊现象,但是显示屏所产生的、超出自然环境下的多余运动模糊,会对我们的正常体验造成不良影响。所以,我们认为理想的XR体验应该模拟真实的自然环境体验,避免显示屏带来的非自然运动模糊的干扰。

     

    减弱运动模糊的传统解决方案——插黑技术

    对于60Hz的显示器而言,一帧画面持续的恒定值约为16.666毫秒;90Hz的显示器约为11.111毫秒;120Hz的显示器约为8.333毫秒;……

    由此可见,随着显示刷新率的提高,画面的保持时间相应地减小。从理论上讲,只要显示刷新率足够高,画面的保持时间就能够持续缩小

    深蓝色科技商务科普类抖音背景图 (45).png

    然而,这在现实中显然是不切实际的,整机系统很难支撑过高的刷新率,还涉及功耗、成本等多方面平衡。所以,常规的显示技术采用了另一种减弱运动模糊的方式,即并非一味地追求显示刷新率,而是在每帧画面应有的显示时间内,缩短该显示时间,这就是插黑技术。例如,20%插黑表示一帧画面仅有20%的时间处于显示状态,而其余80%的时间屏幕处于熄灭状态。

    可见插黑技术的原理就是减少一帧画面的保持时间。

    对于60Hz的显示器而言,画面保持时间为16.666毫秒×20% = 3.332毫秒,相较于未插黑之前的16.666毫秒,保持时间缩短了13.334毫秒,这对运动模糊具有一定的减弱效果。

    90Hz的显示器为11.111毫秒×20% = 2.222毫秒;

    120Hz的显示器为8.333毫秒×20% = 1.667毫秒;

    ……

    当然,在实践中这种显示熄灭比例对运动模糊的减弱效果仍存在不足,而若要进一步减弱运动模糊,可以继续增大显示熄灭比例。

    例如,60Hz按90%:10%插黑时,画面保持时间为16.666毫秒×10% = 1.666毫秒;

    90Hz为11.111毫秒×10% = 1.111毫秒;

    120Hz为8.333毫秒×10% = 0.8333毫秒;

    ……

    随着显示熄灭时间比例的增加,一帧画面的保持时间确实大幅缩短了!

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    是否可以按此原理一直去除到上述所谓“自然状态运动模糊”的程度为止呢?

    显然这并非没有限制。

    随着显示熄灭比例的增大,屏幕的瞬时亮度需求也会相应提高,对器件的使用寿命是严峻挑战!同时还可能引入严重的有害频闪,对人眼造成损伤

    那么,就需要寻求更好的解决方案。

    幸运的是,数字驱动能够解决这一难题。

     

    去除运动模糊干扰的解决方案——数字驱动技术

    数字驱动解决运动模糊从根本上来说也是利用上述原理,不过,这里的“同一画面”并非上述所提及的“一帧画面”,而是“一个子帧”。

    数字驱动并非单纯地缩短每一帧画面的显示时间,而是将每帧画面拆分为数十个子帧,在每个子帧内分别进行插黑操作,插黑效率可提高数十倍。

    如此一来,不仅能够去除运动模糊,更不会对人眼产生损害;甚至插黑之后的闪烁频率可以达到频闪豁免条件,绿色护眼状态!

    4.png根据IEEE《Std 1789™-2015》,显示器闪烁频率小于1250Hz易伤眼,1250Hz-3125Hz伤眼风险较低,3125Hz以上无风险。现有插黑帧技术频闪仅90-120Hz,而数字驱动技术达3600Hz以上,达安全护眼状态。

     

    数字驱动是通过调节像素与子像素显示熄灭的时间比例来调控像素亮度,进而获取各层级的灰度值以及各种各样的颜色。不同灰度级的像素具有不同的显示熄灭比例,这就相当于将一个显示帧拆分成多个子帧,每个子帧因为显示熄灭比例不同,获得不同的亮度信息,属于各不相同的画面。

    此时,显示器在刷新一帧画面时,实际上是在刷新数十个子帧(子帧数量可以配置),也就是数十个画面。每个画面的显示时间就变得非常短,远低于人眼可察觉的极限,所以同一画面的保持时间得到极大缩短。

    例如,昀光科技的数字驱动配置30个子帧时,显示器的刷新率从90Hz(一帧画面保持时间:11.111毫秒)提升至2700Hz场频(一个子帧保持时间:0.278毫秒),相同画面的保持时间极大地缩短了,运动模糊也得到了大幅减弱。

    此时,在配置30子帧之后,对比传统显示器,插黑效率提升了30倍。

    不仅如此,这些子帧中,大部分为显示熄灭比例较大的低亮度子帧,画面的保持时间进一步缩小,便进一步抑制了运动模糊的产生。

    最终,数字驱动技术实现了真实的自然环境体验!

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