面向近眼显示系统的微显示控制器

《光学学报》第12期封面文章|季渊,高钦,余云森,陈文栋,穆廷洲,冉峰. 基于多尺度金字塔的硅基OLED微显示控制器[J]. 光学学报, 2019, 39(12): 1223001

近年来，虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）技术持续发展，目前已经基本达到半沉浸效果。该技术所使用的头盔或眼镜是近眼显示器，即一种位于人眼附近、由光学系统放大形成大视场的新型显示器。

目前，随着近眼显示器逐渐向高分辨率和高刷新率的方向发展，近眼显示系统所需的显示数据量急剧提升。但是数据传输带宽受到微显示器极小尺寸的限制，难以承载VR、AR领域需求的海量视频图像数据。

解决这一问题的有效途径之一是从视频图像信息源本身入手。微显示器系统所传输的视频图像信息源，存在很大的视觉感知冗余，因此可对其进行数据压缩和渐进传输。

上海大学微电子研究与开发中心季渊副研究员课题组利用人眼在空间上分辨率不均匀的特性，提出了多分辨率图像传输算法，构造了多尺度金字塔模型，降低了视频图像数据的传输带宽；设计了微显示控制器，并通过硅基OLED微显示器验证了控制器的可行性。

人类视网膜上的视锥（杆）细胞和视神经细胞的分布是高度不均匀的，在中心凹处密度最高，随着到小凹距离的增加，细胞密度下降很快。由于视锥细胞和视神经细胞对人眼的观察能力起着极其重要的作用，在中心凹处人眼的空间分辨率很高，而随着距离中心凹处的偏心率变大，人眼视觉分辨率下降很快，如图1所示。

图1 人眼空间分辨率与偏心率的关系

该课题组利用人眼对比敏感度和视角之间的经验模型，建立了多尺度金字塔模型，如图2所示。采用高斯滤波来滤除图像信息中的高频信号，在人眼凝视区域保持高分辨率的逼真度显示，而在视线边缘区域采用低分辨率的图像显示。在保证视觉感觉不变的情况下，对较大的视频图像信息流进行压缩，降低数据带宽。在相同的外部硬件条件下，可获得更大的分辨率、更快的刷新频率。

图2 多尺度金字塔模型

研究人员根据多尺度金字塔模型设计了面向近眼显示系统的微显示控制器，如图3所示。微显示控制器成功驱动了分辨率为1600×3×1600的全彩高清硅基OLED微显示屏，表明该设计能够很好地满足近眼显示领域对微显示器实时渲染性能的要求。

图3 硅基OLED微显示器

研究人员表示，下一步还将结合微显示控制器与眼动追踪装置，进行实时的注视点渲染研究。
 

延伸阅读：

[1] 陆驰豪, 李海峰, 高涛, 徐良, 李海丽. 基于拼接的大视场虚拟现实头戴显示装置. 光学学报, 2019, 39(6): 0612002.

[2] 贺书芳, 繁桝博昭, 石川祐記子, 代彩红. 三维空间中不同线索对物体深度感知的影响. 光学学报, 2019, 39(10): 1033002.

[3] 陈载清 , 陈凯 , 黄小乔 , 邰永航 , 石俊生 , 云利军. 光栅式自由立体显示器的颜色特性化实验. 光学学报, 2019, 39(5): 0533002.

[4] 穆廷洲 , 季渊 , 陈文栋, 余云森, 冉峰. 基于双帧数模融合扫描的硅基有机发光二极管微显示器. 光学学报, 2019, 56(09): 092302.