微位移高清VR显示屏的制作方法

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oculusrift，sony的playstationvr，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，oculusrift、htcvive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varjotechnologies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sonymicrooled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。技术实现要素：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*sinωty＝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*sinωty＝0.54d*cosωt其中ω为角速度，ω＝2π*f6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12345678时刻(秒)01/7202/7203/7204/7205/7206/7207/720轨迹位置12345678子图像编号12345678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，10x方向驱动触点，11y方向驱动触点，12x方向支撑点，13y方向支撑点，14全像素，15b子像素，16g子像素，17r子像素，18黑场间隙，19pentile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2kamoled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4klcd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。当前第1页12