Nature论文：VR中OLED和LCD的时空图像质量探索

VR头显对空间分辨率和响应时间的要求很高，然而，在VR头显移动时，还没有一种可以在时空域中量化VR图像质量的标准方法。近期在一项新研究中，科研人员测试了三款VR头显（HTC Vive、Vive Pro、Vive Pro 2）在平滑追踪过程中的时空性能。简单来讲，就是为了测试VR头显在时间、空间变化时，屏幕产生的伪影。据悉，这三款VR头显分别使用了AMOLED和LCD屏幕类型，通过测试它们的时空性能，也可以探索不同VR屏幕的优缺点。

研究背景

随着VR头显技术发展，模拟技术在许多领域展现出基于，比如娱乐、通信、教育、制造、军事、医疗。理论上在医疗场景，医生可以在VR中查看3D医疗成像，并进行诊断和术前规划。然而，由于VR头显在运动状态下依然存在明显伪影，这会降低3D图像质量，从而影响可视化内容的准确性，甚至可能影响医疗诊断的可靠性。

为了探索VR屏幕升级的可能性，科研人员首先测量了三款VR头显的空间和时间特征，并根据这些特征建立了时空模型。他们发现，Vive Pro 2由于屏幕刷新率高（120Hz）、采用脉冲式发光、占空比小（5%），因此时间性能更好。考虑到Vive Pro 2的单目分辨率超过2kx2k，它在每度8个周期以上的高空间频率范围内平滑跟随时，时空性能比Vive和Vive Pro更好。

此外还发现，将显示屏发光的占空比（工作周期）降低到20%一下，将有利于减轻VR头显中的运动模糊。另外，输入图像的刷新率低会容易产生重影，从而影响运动中的图像质量。

除了伪影外，当VR图像的单个像素被放大时，依然可看到明显的纱窗效应。尤其是在PenTile排列的OLED VR屏幕上，纱窗效应尤为常见。原因是，PenTile排列使用菱形的RGBG子像素布局（为了增加绿色子像素数量），放大后会发现像素分辨率和填充因子不足，因此存在像素化、纱窗效应等问题，空间图像质量不理想。

为了缓解纱窗效应，一些VR厂商开始采用Fast-Switch LCD屏幕来提升画质的细腻度。与OLED相比，LCD的缺点是动态范围有限，因此在视场角边缘的空间分辨率会降低，显示的图像有色差且模糊。

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另外，除了高空间分辨率外，VR头显的响应速度也很重要，而提升屏幕刷新率则有助于减少闪烁、运动模糊、抖动和重影等问题。目前，主流VR头显通常可达60Hz以上。OLED和LCD屏幕如果以短脉冲发光（OLED像素以周期发射、LCD背光发射），并且具备90Hz以上的高刷新率，可以更好的缓解运动模糊伪影。另外，传感、定位和渲染过程中，VR的运动到光子延迟也可能导致抖动、重影等时间伪影。

值得注意的是，VR头显的时空性能也受到注视点运动影响。在用户注视点追随图像移动时，如果显示屏响应速度不够快，注视点可能会和画面产生相对位移，从而导致运动模糊。通常，人眼需要在100毫秒的响应延迟情况下，才能平滑的追随图像运动。如果VR图像的运动速度变快（大于40°/s），那么眼球会切换为扫视，速度可达180°/s。

Vive和Vive Pro均采用PenTile排列的OLED面板，刷新率达90Hz，视场角110°。Vive Pro的分辨率比Vive更高，可达1440x1600。而Vive Pro 2则是采用low persistence LCD面板，将刷新率提升至120Hz，分辨率提升至单目2448x2448，FOV高达120°。在测试过程中，Vive、Vive Pro和Vive Pro 2的最大亮度分别设置为208/130和79cd/㎡。

空间分辨率测量

在测量空间分辨率的实验中，科研人员将VR头显 安装在光学试验台。一条静态单像素垂直线被放置在右眼FOV中心。与此同时，VR头显将在搭载NVIDIA GeForce RTX 2080 Ti显卡的PC上运行。测量过程中没有应用基于软件的空间或运动平滑，并且系统延迟被排除在本研究之外。此外，还使用配备25毫米焦距镜头（f/2.8）的彩色CMOS相机与静态线对齐，相机与VR头显的距离约为25毫米。

当在显示器FOV的中心用可见的子像素图案解析出最锐利的线条时，就确定了相机的位置和焦点，以及位于图像左半部分和右半部分的线之间的对称像差和亮度。用于空间分辨率测量的FLIR相机的曝光时间为33.3毫秒，分辨率为4096 × 3000，角分辨率校准为每像素7.8×10−3 度（每像素约0.47弧分）。彩色相机的角分辨率大于 VR 显示器的角分辨率（每像素大于1.8弧分），提供足够的空间采样。

响应时间测量

科研人员结合示波器使用硅光电探测器来测量VR头显的时间性能。光电二极管对350至1000毫米范围内的可见光波长敏感，具有快速纳秒级响应时间。利用示波器可测量出时间波形、周期、刷新率、占空比（定义为显示发射时间与周期的比率）、上升时间和下降时间，作为对比三个VR头显的参考标准。

测量结果

据了解，Vive Pro 2采用RGB LCD背板，单目分辨率为2448 × 2448像素。然而，与像素分辨率较低的 Vive 或 Vive Pro 相比，Pro 2测得的空间分辨率并没有显着提高。虽然 Vive Pro 2 的高像素分辨率提升了白色像素的高频（如大于10周期/度），但低频（小于5周期/度）表现有限。因此猜测，Vive Pro 2 的低频性能下降主要是由于显示技术和架构的差异。

具体来说，Vive Pro 2的LCD技术实现了堆叠式液晶模块，包括偏光片和彩色滤光片，这在OLED显示器（如 Vive 和 Vive Pro）中是不存在的。此外，LCD 显示器中额外的光学组件和层可能会导致额外的图像模糊，从而影响低频范围内的图像分辨率。与PenTile OLED相比，LCD的优势之一是提高了像素填充系数，即每个像素的发射面积更大。因此，Vive Pro 2的LCD面板提供了更流畅的虚像可视化效果，纱窗效应得到缓解。

响应时间测试方面，三款VR头显均比传统2D显示屏有所进步。光电二极管测量表明Vive和Vive Pro可以在高达90 Hz的频率下运行，而Vive Pro 2的刷新率可以进一步升级到120 Hz。通过调节OLED的脉冲发射时间，Vive和Vive Pro的占空比可达17%。 Vive 和 Vive Pro 的上升和下降时间大约为0.3和0.5毫秒。而通过快速切换背光，Vive Pro 2实现了仅5%的非常小的占空比，上升和下降时间约为0.3毫秒。我们还使用90 Hz配置测试了Vive Pro 2，以便与Vive和Vive Pro进行比较。时间特性与120 Hz时的Vive Pro 2 大致相同（90和120 Hz时占空比为5%），脉冲宽度从0.42毫秒略微增加到0.55毫秒。参考：nature