华为&京东方&信通院-视频极限白皮书：视觉体验升级带动数据爆发增长-2019.6-40页.pdf

华为 京东方 信通院 联合发布显示无处不在视觉体验升级带动数据爆发增长目 录013.1 人眼视觉特性3.2 人眼视觉体验需求不断提升4.1 平面显示技术基本满足人眼需求 4.1.1 行业发展历程4.1.2 屏幕参数需求4.1.3 业界主流观点4.2 云计算、AI 等技术助力优质内容生产4.3 平面显示发展趋势视觉体验需求驱动显示技术升级0304概要02前言平面显示已经逼近视觉极限0605086.1 光场显示技术处于起步阶段6.2 光场内容制作对计算能力要求极高6.3 光场显示发展趋势未来展望5.1 VR 显示技术稳步发展5.1.1 VR 显示原理5.1.2 清晰度是 VR 显示技术最大难点5.1.3 VR 屏幕清晰度逐年提升5.2 VR 内容展现形式多样化5.3 VR 三维沉浸式显示发展趋势VR 三维沉浸式显示分辨率亟需提升光场是未来显示技术最理想形态077.1 视觉体验提升下的网络发展7.2 不同视觉体验阶段网络KPI 要求7.3 极致视觉体验下的目标网络视觉体验提升给网络带来巨大挑战数字化、智能化正在开启新一代信息革命。无处不在的显示、无处不在的联接成为 ICT 基础设施产业的重要元素，而人们对体验需求的升级正在加速这一场变革。在信息传递的过程中，视觉接收方式占据信息接收的主导地位，因此，提升视觉信息体验成为重中之重。从显示技术上看，人们经历了从传统标清到高清再到超高清 4K 的演变，色彩更真实丰富，图像更加清晰，人们甚至可以清楚的看到画面中皮肤上的汗毛。即便如此，京东方 8K 大屏已然出现，分辨率进一步提升，在追求极致、探索无所不在的显示路上引领行业发展。然而，平面技术的极致体验依然无法满足人类的体验需求。在数字世界，沉浸式 VR 将成为通往数字世界的入口。人们在虚拟环境中不仅要满足 360全景观察的诉求，还需要实现自由移动并产生互动，从而虚实难辨。当前，VR 尚处在入门阶段，距离极致体验还有较长距离，有待产业和技术协同发展，共同打造高度真实的虚拟世界。01前 言前言显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长0102显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长双 G（千兆家宽/5G）网络将以更快的传输速度、超低的时延，推动商业数字化发展 在双 G 网络时代，商业发展将呈现四个显著特征。首先，大数据使巨量数据分析与信息洞察成为可能，使信息提炼结果更具规律性和通用性。其次，边缘计算架构将消除跨地域的数据共享壁垒，为机器学习的应用普及提供基础环境。第三，数据开放平台快速发展，促进信息聚合和共享，从而产生更多价值。第四，作为信息传递的最后一环，数据可视化需求将快速增加，人机交互将从低维到多维显示发展，从标清向超高清发展，从视觉交互向多维度感官交互发展，从而更符合人类自然交互习惯。回首过去，伴随通信技术的进步，在市场和政府的双轮驱动下，中国网络实现跨越式发展。以华为技术有限公司（文中简称“华为”）为代表的通信技术企业，为通信技术的快速发展作出了不懈努力，是社会的变革与商业的重塑的基石。可以预见，在更强的通信基础上，边缘计算、大数据、人工智能等前沿技术的发展将再一次重塑人们的生活。与此同时，显示技术的发展一直默默支持中国通信产业和工业的崛起。从 CRT 产品依赖进口到 LCD 技术大规模本土量产，再到柔性 OLED 技术应用，在短短二十几年中，中国经历了从缺芯少屏到自主研发的跨越式发展。京东方科技集团股份有限公司（文中简称“京东方”、“BOE”）作为国内代表性的显示科技公司，从 LCD 显示技术入手，自主开发多种显示技术，并积极拓展人机交互维度，支撑中国通信和电子科技产业稳步崛起。通信技术与人机交互技术相辅相成，在双 G 网络时代，超高带宽与显示交互必将成为推动社会进步和商业变革的砥柱与桥梁。本白皮书由京东方、华为、信通院联合出品，从视觉体验需求角度探索视觉信息发展的极限，对未来发展趋势进行洞察和预测，从业务场景角度探索网络背后的指标诉求、解决方案等可能性。希望本白皮书有助于激发行业伙伴对视觉体验信息的思考，为产品竞争力构筑带来价值，同时华为 iLab 愿与产业链各位同仁一起深入探讨，共同为视觉极限逼近信息极限不断努力。前言人接收到的大部分信息都是通过视觉的方式，根据人眼视觉体验需求，显示技术可以分为三个阶段：平面显示、VR 三维沉浸显示、光场显示。本报告列举了一些行业观点和产业数据，表明整个显示行业正处于蓬勃发展期：平面显示阶段，4K/8K 已经接近人眼极限，未来在色域、帧率、平面 3D 显示技术等方面可以做进一步优化，提供更好地视觉体验。VR 可以提供三维沉浸式视觉体验，但分辨率是目前发展最大的阻碍，极致体验的 VR 需要 PPD在 60 以上，即显示终端分辨率达到 12K（双眼），内容全景分辨率达到 24K，而目前业界水平只能达到 20PPD。光场可以真实还原现实场景，进一步提升视觉体验，但光场技术成熟度不高，从内容采集制作到终端显示，整个产业还有很大发展空间。若保持价格不变，显示产品性能每 36 个月需提升一倍以上，这一周期正被缩短；而在通信领域，光纤容量每 36 个月翻一倍，IP 网络性能每 18 个月翻番。显示领域和通信领域正重定义摩尔定律、挑战香农极限，共同推动数字化视觉体验不断逼近人眼视觉极限。按照过去显示产业的发展历程，产品分辨率每4年一个导入期：2006年-2010年是FHD 2K的导入期；2012-2016年，UHD 4K的渗透率达到了40%，是4K的导入期；而2018年是8K元年，预计2022年65寸以上UHD 8K渗透率将会超过20%。双 G 时代，通信能力的提高将为超高清显示应用提供基础支持，2K 内容将成为基础视频和显示需求，而 4K 将成为主流视频与显示需求，8K 将成为体育赛事、大型直播、电影等众多视听享受的主流应用场景，8K 显示也将成为高端消费电子产品新的标杆。2020 年以前，VR 以 FAST LCD 为最优显示方案，以 60Hz 以上刷新率配合 5ms 以内响应时间，有效改善晕眩感，满足 VR 显示苛刻需求，降低 VR 硬件成本。之后，随着光学技术发展，VR 显示技术将以 Micro OLED 为最佳方案,其0.1ms 响应时间，完美解决延时眩晕，80%的高色域及 10000:1 高对比度呈现完美显示效果，同时大大降低整机重量，带来更加舒适的用户体验。02概要概要显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长03从平面视觉到 VR/AR，再到光场，显示技术越先进，其技术成熟度越低，离满足人眼视觉极限越远。但毋庸置疑，VR/AR、光场是未来最理想的显示方式，更高分辨率的 VR、更多层深度信息的光场，将给用户带来逼近现实世界的视觉体验。与此同时，极限的视觉体验会带来巨大的数据量，给网络传输带来挑战：平面视觉阶段：运营级 4K 需要 50Mbps 带宽，极致级 4K 需要 75Mbps，考虑家庭多屏并发，网络需求将达 200Mbps。随着平面视觉体验向沉浸视觉体验迈进，Cloud VR 从全景 8K 分辨率起步，家庭宽带需向千兆演进，现有网络也将面临挑战，家庭 Wi-Fi 需要优化，GPON需要向 10GPON 升级，对于强交互类业务，需要通过 CDN 下沉和边缘计算来保障时延，网络架构有必要开展重构。未来沉浸视觉体验向全息光场等维度演进，将带来数据的数量级增长，需要后双G 时代的网络，如万兆或太兆家庭宽带/6G 的支撑。04显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长概要在人类体验到的信息中，83%来自视觉。随着视频娱乐不断普及，各种数字画面充斥着人们生活，而视觉信息需要海量的数据，从图像到视频再到 VR、光场，从标清、高清到超高清，人类对视觉体验的追求逐步提升，那么提升到何种程度才能接近人眼的视觉极限呢？如果以正常人眼看现实世界的体验为基准，视觉极限就是在画面清晰度、色彩饱和度和显示时延等方面，使人眼已无法分辨出数字化内容与看现实世界的差异，这与人眼视觉特性密切相关。人眼有两种感光细胞：杆状细胞和锥状细胞，其中杆状细胞负责单色夜视，锥状细胞负责色彩视觉。人 眼 能 够 感 知 波 长 在380780 纳米的可见光，并对不同波长的光有不同的敏感度，实 验 表 明，白 天 人 眼 对 波 长555 纳米的光敏感度最高，所以人眼感觉红色和紫色是偏暗的，感觉最亮的是黄绿色。夜间视敏度曲线会稍微左移。色彩感知图 3-1 人眼视觉灵敏度人眼相对灵敏度V（）（nm)%100806040200400450500550600650700750800夜间视觉白天视觉色彩的数量可以用色深来表示，如色深 8bit，即将灰度值在 0255 之间分成 2 的 8 次方256 个阶级，能够展现256 种颜色。而人眼可以分辨超过千万种颜色，所以需要 24 位的色深才能达到人眼色彩分辨极限。03视觉体验需求驱动显示技术升级视觉体验需求驱动显示技术升级显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长05人眼视觉特性3.1人眼感觉的连续性是活动画面的前提，当有光刺激人眼时，从视觉画面的建立到消失需要一定 时 间，即 视 觉 惰 性。人 眼 的 视 觉 惰 性 约0.050.2s，所以只要保障画面刷新频率大于20Hz，人眼即可看到连续的活动画面，这也是电影帧率为 24fps 以上的依据。24 帧只能保障画面连续，若要好的视觉体验，需要 60fps、90fps、甚至 120fps 的帧率，如 VR/AR 这类时延敏感型业务，必须确保帧率在 60fps 以上。视觉惰性深度感知是人眼最重要的特性之一，人眼之所以能感知立体空间或物体，是因为人双眼成像存在一定视差，带视差的两幅图像经过人脑合成后，将会呈现立体视觉，从而能够感知物体的深度信息。深度感知亮度感知人眼能感知的亮度范围很广，但实际上是无法在同一时间观看包含过高和过低亮度的同一画面，这就引出对比度的概念，即发光面的最大亮度与最小亮度之比。人眼能承受的对比度范围约 1000:1（亮度适中时）10:1（亮度极高或极低时），电影银幕对比度大约为 100:1。对比度感知人眼可观看的角度很广，大概 124，可集中注意力观看的区域范围约 25，60是最舒适的观看区域范围。人眼对物体的细节分辨能力也很强，在 1.0 视力下，分辨能力可达 60PPD（Pixel Per Degree），即可以分辨 1 公里处相距 30 厘米的两个物体。视场角和视觉分辨能力视觉体验需求驱动显示技术升级06显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长人眼除了对色彩的分类有感知外，对色彩的强度也有感知，物体单位面积的发光强度用亮度（单位尼特，nit）来表示，人眼对亮度的感知范围大约在 10 10 nits 之间。亮度为 3000nits 时，人眼可以较舒适地观看物体，这接近白天阳光照射下自然环境的亮度。-36根据业界公认研究，人眼能够感知立体视觉的原因主要包括心理感知、移动视差和聚焦模糊等。心理感知 所谓心理感知，顾名思义，即人眼看到的不一定是三维物体，但通过某种手段“欺骗”了大脑，使大脑产生了三维立体效果的“错觉”，该种“手段”包括：视觉体验需求驱动显示技术升级显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长07人眼视觉体验需求不断提升3.2仿射：即近大远小，人眼去看同样大小的物体，近处的物体在人眼中成像越大遮挡：在同一视线内，近处的物体会挡住远处的物体，人眼可以通过遮挡关系来判断物体的相对位置关系阴影：光线照射下，物体产生的阴影可以辅助人眼判断物体的立体形状，如一个球体和一个圆柱体，人眼正对看过去，获取的都是一个圆形画面，无法区分其形状，但此时如果从侧面加上光照产生阴影，人眼可根据阴影轻松的判断出球体和圆柱体双目视差：同一物体，在人的左右眼中成像是有偏差的，利用这一特性，即使是平面图像，只要使左右眼看的画面存在一定视差，就可“骗过”人头脑，产生立体视觉效果，视差越大，立体效果越明显，3D电影就是使用该原理先验先知：人脑有学习和记忆的功能，对于在现实世界中接触过的物体，即使通过二维画面展示，人脑也能自动脑补出它的三维立体效果0102030405心理感知可以产生三维立体“错觉”，而移动视差、聚焦模糊可以提供逼近人眼感知现实世界的立体视觉。所以，从视觉体验需求的角度，显示技术可以分为三个阶段：平面视觉显示、VR三维沉浸式显示和光场显示，并且在每个阶段，显示技术都朝着逼近人眼视觉极限的方向发展。图 3-2 显示技术发展的三个阶段视觉体验需求驱动显示技术升级08显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长在现实世界中，人眼从不同的角度去观察物体，会获取物体不同的视觉画面，也正是因为有移动视差，人脑能判断出该物体的形状、大小等信息，最典型的应用就是 VR，虽然 VR 的成像原理还是双目视差，但不同的是，3D 电影中无论观众怎么移动位置，看到的画面总是一个视角，而在 VR 中，用户可以任意移动，看到不同视角的画面。VR 的视觉体验已经很逼近现实世界了，既有移动视差也有双目视差，但在现实场景中，人眼聚焦近处物体时，远处物体会变得模糊，反之亦然，这是 VR 提供不了的特性聚焦模糊。在 VR 中，用户无论聚焦远处或近处，其聚焦的平面始终是 VR 显示屏，这会使人脑产生深度感知冲突，从而引发晕眩等反应。光场显示是解决该问题的最佳方案，因为光场可以记录光线的方向信息，从而提供物体不同深度的画面。通过这些心理暗示，可以使平面显示产生三维效果，如手机、电视等屏幕，但其展现方式始终是平面显示，并没有真正展示出三维物体或模型。移动视差聚焦模糊平面视觉显示VR 三维沉浸式显示光场显示聚焦模糊移动视差心理感知平面显示技术的应用场景很广，最早的平面显示场景是胶卷电影，通过灯光将胶卷上的图像投射到幕布上，实现电影的放映。随着 CRT 显示器（阴极射线显像管）的出现，图像记录实现的数字化，CRT显示器最典型的应用就是当时的黑白电视、彩电，以及较老的台式显示器等，这种显示器的屏幕在水平和垂直方向上都是弯曲的，这种弯曲的屏幕造成了图像失真及反光现象，视觉体验较差，并逐渐被淘汰。目前较常见的显示技术主要包括 LED（发光二极管）、LCD（液晶显示）。LED是一种通过控制半导体发光二极管发光来显示图像的显示方式。LED 显示屏亮度高、寿命长、视角大，并且可以实现任意延展、无缝拼接，主要用于室内外大屏广告牌等场景；LCD 是通过旋转液晶像素中的液晶分子偏转角度来显示不同画面的，模块化以及芯片的高集成化设计直接降低了电路的功耗，发热量也非常小，同时 LCD 产品较轻薄，并且可以提供较高质量的画面，目前是市场上的主流显示技术，广泛用于手机、电视、电脑等显示屏。人眼对视觉体验的追求是永无止境的，在手机小屏领域，OLED 技术可以提供比 LCD 更广的色域、更高的对比度，并且逐步应用到高端旗舰手机；在大屏领域，Micro LED 技术（LED 微缩化和矩阵化技术）实现微米级的像素间距，每一个像素点能单独控制和驱动，它的分辨率、亮度、对比度、色域等性能参数更加优秀，但目前 Micro LED 技术才刚起步，还没有实现量产。平面显示技术基本满足人眼需求4.1对于平面显示，手机、pad 等小屏，2K/2.5K 的分辨率就能达到人眼视觉分辨极限，而大屏电视需要 4K/8K 的分辨率。目前从分辨率的角度来看，平面显示已接近人眼的视觉极限了，但其他参数仍在不断优化，如更广的色域、更高刷新率、对比度等，从各个维度逼近人眼视觉极限。04平面显示已经逼近视觉极限平面显示已经逼近视觉极限显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长094.1.1 行业发展历程若保持价格不变，显示产品性能每 36 个月须提升一倍以上。这一周期正被缩短。BOE 创始人、董事长王东升研究显示，在每度视角内，像素数量达到60以上时，人眼将感觉不到颗粒感和纱窗效应，即PPD60。PPD的大小与人眼观看屏幕的视场角、屏幕像素数量有关：在平面显示领域，手机和电视是普及度最高的显示设备，一般手机屏幕离人眼约30cm，而电视屏幕距人眼约2.5m，他们的使用场景如下表所示：10显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长平面显示已经逼近视觉极限4.1.2 屏幕参数需求图 4-1 平面显示技术发展历程表 4-1 典型场景下手机和电视的观看 FOV其中 FOV 表示人眼在水平或垂直方向看屏幕的视场角，px 表示该方向的像素数量。PPD=pxFOV终端手机6550.32.52527.52560*14404096*2160102148电视主流尺寸/英寸观看距离/m水平FOV/主流分辨率水平PPD幕布CRT 显示器LCD、LEDOLED、LTD平面显示已经逼近视觉极限典型场景下，目前主流6英寸、2.5K分辨率的手机PPD能达到102，55寸、4K电视的PPD更是达到148，均满足60PPD的分辨需求。当然，对于电视，55寸并不能提供极致的家庭影院体验，100寸、120寸的超大电视屏幕将逐渐进入家庭，此时需要8K的分辨率才能达到原先55寸、4K的视觉效果。为推动8K产业发展，京东方（BOE）提出“推广8K、普及4K、替代2K、用好5G”的“8425”战略，加速构建8K超高清产业生态系统。并且从2017年开始京东方已经向华为等客户交付了110英寸8K、75英寸8K等大尺寸超高清显示屏。虽然在分辨率上，无论手机小屏还是电视大屏均达到人眼分辨极限，但从视觉体验的角度分析，屏幕的色域、刷新率、对比度等参数还存在进一步优化的空间，如HDR（高动态范围图像）、4K144Hz等：在电视领域可以预见的未来内，仍将以TFT-LCD技术为主流，但技术持续进步，2018年是8K元年。元年的概念就是导入期，按照过去显示产业的发展历程，产品分辨率每4年一个导入期：2006年-2010年是FHD 2K的导入期；2012-2016年，UHD 4K的渗透率达到了40%，是4K的导入期；而2018年是8K元年，预计2022年65寸以上UHD 8K渗透率将会超过20%。AMOLED 技术逐步应用手机小屏手机屏幕显示技术以液晶显示(TFT-LCD)技术为主。近年来，新型技术有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）在手机领域获得较快的发展，成为高端手机市场青睐的技术，目前各品牌中高端机型均逐步使用 AMOLED 屏幕。同时AMOLED 技术拥有柔性显示的潜力特质，随着周边配件的技术逐步完善，在未来 AMOLED 柔性屏幕拥有进一步快速增长的空间。LCD 仍是电视大屏主流技术电视屏幕显示技术以液晶显示（TFT-LCD）为绝对主流，占据几乎全部市场份额；新型技术 AMOLED 具备较好的色彩表现能力，但目前受限于良率及成本等因素，在终端消费市场仍处于探索阶段，整机价格远高于同尺寸 LCD 产品，距离大规模推向终端市场仍需要一段时间。显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长114.1.3 业界主流观点2018 年称得上是 HDR 显示器的元年，HDR 是一种图像增强技术，可以让画面暗部更加深邃但不丢失细节，亮部更加明亮但依然真实，同时增加了画面的对比度和色域范围。早在 2017 年，为了追求极致体验，电竞行业推出了 1080P240Hz 刷新率的显示器，2018 年，更是实现了 4K144Hz，实现了高分辨率下刷新率的提升。平面显示已经逼近视觉极限平面显示技术已经比较成熟，但对应的高质量内容还比较缺失，主要是因为高质量内容制作周期长、成本高，尤其是 CG 类，后期渲染对计算资源的消耗特别大，如阿凡达，画面渲染时使用了 4000 台服务器，耗时长达 1 年。随着 4K、8K 等超高清技术的普及，传统的媒体生产行业更是面临冲击，媒体生产从现场摄录、存储、传输到分发，都需要进行技术革新。为了应对传统媒体制作的各种挑战，媒体生产云化将是必然趋势。媒体生产云化是将原始采集的音频、视频信息通过专线上传到云端，云服务器能够提供性能强大的云端大集群计算机，使录制的 4K/8K 视频能够直接在云端进行高效剪辑，最终传输至用户终端。除了在云端进行内容编辑外，还可以将原先低分辨率、低帧率的素材，通过云端画质增强的方式提高分辨率和帧率，以提升画面质量。视频画质增强是利用插帧与超分辨率提升视频视觉效果的技术，视频的插帧利用相邻帧间的时域信息演算出一个过渡帧来提升视频的流畅性，而超分辨率则是利用空域信息计算出插值像素来提升分辨率。3D 显示能带来比 2D 显示更好的视觉体验，也是未来平面显示技术发展的重要方向。对于 3D 内容制作，一方面可以在制片时，就按照 3D 片源的方式去制作，另一方面，对于一些以往的经典 2D 片源，可以通过 2D 转 3D 技术实现 3D 视觉效果。泰坦尼克号是比较典型的 2D 转 3D 案例，2D 电影上映时就获得了观众的好评，但其中大多数场景如果采用 3D 显示将带来更震撼的视觉效果。在 2012 年，利用转换技术制作的 3D泰坦尼克号上映了，其 2D 转 3D 耗时超过 2 年，因为需要人工一帧一帧地去抓画面的深度信息，工作量很大且繁琐。但随着近些年人工智能技术的崛起，可以将 AI 应用到 2D 转3D 技术中，大幅提升转换效率，从而带来更多的优质 3D 片源。3D 片源的数据量是普通 2D 片源的 2 倍，在特殊的压缩算法下，3D 片源的网络带宽需求将是普通 2D 片源的约 1.5 倍。借助云计算、AI 等新技术，可以将复杂的计算从本地迁移到云端，从而降低内容制作成本、提升效率，但同时，原始素材上传云服务器会带来较大的上行网络诉求。云计算、AI等技术助力优质内容生产4.212显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长图 4-2 华为 Mate X+BOE 110”8K 投屏图 4-3 华为 5G CPE Pro+BOE 110”8K 直播平面显示已经逼近视觉极限2016 年李安导演的电影比利林恩的中场战事采用了 4K 3D 120fps 的形式，刷新了电影界的新高度，也是迄今为止唯一一部 4K 3D 120fps 电影。一般电影仅有 2K 25fps，而这部电影李安导演选择突破性的 4K 120fps，这不仅仅是画面质量上的提升，更是希望通过如此高清的场景，让观众真正走进战争，以士兵的角度去看所有的枪击、爆炸和受伤。对于生在和平年代的我们，会觉得战争是多么遥远，和平来的理所当然，而 4K 3D 120fps 的展现形式能够仿佛将我们置身战场，并将战争带来的恐惧、死亡表现地淋漓尽致，让更多的观众对战争有了全新的认识。2019 年 MWC，BOE 和华为联合进行了折叠手机投屏和 8K+5G 直播展示，一方面用华为折叠手机 Mate X 通过 5G 信号实时播放在线 4K 内容投屏至 BOE 110 英寸 8K 超高清显示屏，另一方面用 8K 超高清摄像机实时拍摄巴塞罗那东海岸的风景，通过 5G 超高速远距离传输到 BOE 110 英寸 8K 超高清显示屏实现了 8K+5G 的完美直播，充分展示了极致的视觉体验。高分辨率、高帧率、3D 的展现形式不仅可以带来更好的视觉体验，更有助于表达影视内容传递的理念，这是未来平面视觉发展的主要趋势。平面显示技术逐渐成熟，而借助云计算，像比利林恩的中场战事这样的高分辨率、高帧率的内容将越来越多，平面显示逐步逼近人眼视觉极限。双 G 时代，通信能力的提高将为超高清显示应用提供基础支持，2K 内容将成为基础视频和显示需求，而 4K 将成为主流视频与显示需求，8K 将成为体育赛事、大型直播、电影等众多视听享受的主流应用场景，8K 显示也将成为高端消费电子产品新的标杆。平面显示发展趋势4.3显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长13图 5-1 VR 显示原理虽然平面视觉也可 3D 成像，但其不能提供移动视差，即用户在不同角度观看画面相同，体验不够真实，而 VR 能够给用户提供三维沉浸式体验，从观影形式上开辟出一条新的视觉极限之路。影响 VR 体验的因素很多，包括视场角、色域、刷新率、屏幕响应时间、分辨率、3DOF/6DOF 等，其中分辨率是目前影响 VR 体验的首要因素。VR 对分辨率要求极高，全景 8K的 VR 内容才相当于传统 480P 电视观看体验，若要达到 4K 观影体验，需要 VR 全视角分辨率达到 24K。05VR三维沉浸式显示分辨率亟需提升VR 三维沉浸式显示分辨率亟需提升VR 头显的核心元器件只有 2 个：透镜和屏幕。凸透镜成像时，一倍焦距分虚实，二倍焦距分大小，当物体在透镜一倍焦距以内时，会呈正立放大虚像，也就是通常的放大镜。VR 的显示就是利用放大镜原理，屏幕离透镜很近，保证在透镜的一倍焦距以内，这样人眼在透镜另一侧就可以看到屏幕里内容的放大场景。5.1.1 VR显示原理VR显示技术稳步发展5.114显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长2020 年以前，VR 以 FAST LCD 为 最 优 显 示 方 案，以60Hz 以上刷新率配合 5ms以内响应时间，有效改善晕眩感，满足 VR 显示苛刻需求，降低 VR 硬件成本。之后，随着光学技术发展，VR 显示技术将以 Micro OLED 为最佳方案,其0.1ms 响应时间，完美解决延时眩晕，80%的高色域及 10000:1 高对比度呈现完美显示效果，同时大大降低整机重量，带来更加舒适的用户体验。京东方 VR/AR 业务肖爽VR 显示内容VR 屏幕透视人眼一倍焦距鉴于特殊的显示方式，VR对屏幕的刷新率、响应时延、视场角、分辨率等都提出了更高的要求。屏幕刷新率过低、响应时间过长会使用户产生晕眩感，入门级VR需要屏幕刷新率在60Hz以上，响应时延在5ms以内。目前，市面上大部分VR头显屏幕的刷新率可以做到90120Hz，响应时延控制在3ms以内，均可满足指标。VR是一种沉浸式体验，所以视场角是一个很关键的因素。人眼正常视场角约110，若VR头显的视场角小于人眼视场角，会看到画面周围存在黑边，严重影响视觉体验。现在大部分VR头显视场角均可达到100以上，有的甚至达到200，所以目前视场角对VR的体验影响不大。当前VR最突出的问题是清晰度，画面存在颗粒感和纱窗效应。VR画面不清晰的原因主要有两个方面：第一，VR的内容需要均匀分布在360，而人眼只能看到其中约110，会丢失掉一部分像素；第二，VR画面充斥整个视场角，每个视场角分配的像素点(PPD，指每一度所包含的像素)较常规显示产品更小；而VR屏幕尺寸很小，而在小尺寸屏幕上做出高分辨率，技术要求很高。目前VR屏幕仅有3K4K，能够承载8K分辨率内容，但视觉体验上只有传统480P TV的效果。从表中可以看出，8K 内容的 PPD 仅有 21，而人眼需要 60 以上 PPD 才无法感知到画面颗粒，所以 16K 分辨率是VR 屏幕的发展目标，此时的 VR 视觉体验等效于传统 TV 的 4K 效果。5.1.2 清晰度是VR显示技术最大难点表 5-1 不同分辨率下的 VR 与传统电视的等效观看体验VR 三维沉浸式显示分辨率亟需提升显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长15VR屏幕双眼分辨率2K（1920*960）4K（3840*1920）8K（7680*3840）16K（15360*7680）102132 644K8K12K 24K240P480P720P4K水平PPD对应VR 360内容分辨率等效TV体验分辨率除了整体提升屏幕清晰度，还可以根据人眼特殊的生理结构来优化显示效果。人眼黄斑中央有一凹陷区域，叫做中央凹，中央凹是视网膜中视觉最敏锐的区域，相比周围区域有更强的分辨力，而中央凹的敏感角度约 5。根据这一特性，可以提高 VR 屏幕中间区域清晰度，并适当降低周围及边缘区域的清晰度，保障视觉体验的同时降低了屏幕的技术门槛。入门级 VR 设备屏幕像素密度大概在 500PPI，消费级大概需要达到 800PPI，OLED 和 LCD 均可以满足需求。但如果想要达到专业级水平，屏幕需要达到 1600PPI 以上，此时 LCD 更有优势。未来主要还是在 Micro OLED，它可以达到 3000PPI 以上，响应时间控制在 1 毫秒以内，可以满足未来 VR/AR 产业发展的需要。5.1.3 VR屏幕清晰度逐年提升图 5-2 VR 屏幕 PPD 指标需求图 5-3 不同市场定位下的 VR 显示技术需求16显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长VR 三维沉浸式显示分辨率亟需提升现在目标2060PPD GapPPD=px/fovLensDisplay显示技术需求市场定位专业级：Micro-OLED消费级：LCD 1600ppiRT3ms 90-120Hz 800ppi500ppiRT3ms 90Hz市场容量入门级：LCD、OLED3000ppiRT1ms 90-120Hz对于VR/AR行业，20162017年后整个产业迅速发展。回顾历史，在2017年VR/AR这类近眼小屏像素密度在500700PPI，分辨率为2K，2018年达到800900PPI，分辨率3K，而今年，预计VR/AR屏幕会到达1000PPI以上，分辨率达到4K，并且刷新频率会提升到120Hz的水平。作为显示行业的领导者，京东方已经发布的5600PPI以上的基于Micro OLED技术的近眼小屏，未来应用到实际VR/AR产品中，会进一步提升VR/AR的视觉体验。相对传统视频内容，VR 能够给用户带来纯虚拟的沉浸式体验。VR 内容的呈现可以分为三种情况：传统片源、实景拍摄拼接和 3D 建模渲染。传统的 2D/3D 片源也可以通过 VR 的形式去观看，这就是 VR 巨幕影院。该种内容呈现形式虽然依托现有片源，但可以提供超越传统观影的大屏视觉体验，目前巨幕影院已成为市面上 VR 头显的基本功能。VR内容展现形式多样化5.2图 5-5 VR 巨幕影院显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长172K500700PPI3K800900PPI4K1000PPI 以上图 5-4 VR 屏幕分辨率发展趋势VR 三维沉浸式显示分辨率亟需提升实景拍摄拼接主要用于VR 360视频制作，其原理是将多个相机分布在一个球面上，然后控制所有相机同步、同帧率拍摄，最后将每个相机在同一时间拍摄的画面进行拼接，形成一个球面的视频。目前VR 360相机已经可以实现全景24K分辨率拍摄，但受限于终端芯片的解码能力，VR内容还停留在8K阶段。VR 360 视频与传统视频仅仅是观看形式不同，格式还是采用传统的视频格式。如果在传统视频播放器上播放 VR 360 内容，那么实际观看到的是将球形画面展开的矩形画面，只有在 VR 设备上才能观看到全景的视频画面。VR 360 视频可以带来沉浸式观影体验，但需要极高的视频分辨率，全景 8K 的观影体验仅仅相当于观看 480P 的传统 TV，若要达到观看 4K TV 的体验，需要全景分辨率达到 24K，网络传输需求将达到 Gbps 级别。3D 建模渲染主要用于 VR 游戏或动画制作，首先在客户端内会预先建好素材模型，用户在体验时，VR 头显或外部定位器会实时采集人的动作、姿态、指令等信息，然后渲染出当前人眼视场角内的画面并显示。该种方式可以给用户提供 6 自由度沉浸式体验，使用户“畅游”在虚拟世界之中。图 5-6 VR 360 视频制作流程图 5-7 VR 视频球面画面与矩形画面展示18显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长画面采集画面拼接流服务器网络分发终端显示VR 三维沉浸式显示分辨率亟需提升VR 的应用场景很多，如体育赛事直播、VR 影院、VR 360 视频、VR 社交、VR 游戏等，并且有着广阔的市场发展空间，硬件销售是 VR 最直接的商业模式，除此之外，还可以通过增值服务费（如赛事直播中，VR 的观看方式额外收费等）、广告植入等方式实现营收。所以，未来 VR 产业有着较好的发展前景。VR 能够给用户提供三维沉浸式体验，但当前 VR 的视觉体验处于入门阶段，其屏幕分辨率和内容分辨率都需要提高。2018 年 MWC，BOE 和华为联合展示了 8K VR 环绕效果，这是世界上首次展示成熟的 8K VR 显示解决方案，8K VR 显示解决方案通过提高分辨率从而消除纱窗效应，营造了更加自然真实的沉浸感，极大的改善了 VR 的用户体验。VR三维沉浸式显示发展趋势5.3图 5-8 VR 游戏制作流程图 5-9 MWC 2018 BOE 8K VR 展示体验显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长19三维模型用户指令画面渲染终端显示VR 三维沉浸式显示分辨率亟需提升在今年 CES 大会上，众多 VR 厂商展示了他们新一代 VR 产品，如创维的 V901、PICO 的 G2 4K、DEUS 的 Odin 等，其屏幕分辨率全部达到 4K，相比 2018 年的 3K，分辨率提升了 30%。根据华为 iLab 研究，4K 的屏幕需要匹配全视角 8K的内容，所以，随着今年 VR 屏幕分辨率的提升，将促进更多 8K VR 内容的生产。更高分辨率的 VR 内容制作过程中，其拼接、建模、渲染等步骤对终端的计算能力要求极高，云计算将是 VR 内容制作的最佳选择，Cloud VR 是 VR 发展的最佳形态。除了头戴式 VR，裸眼 VR 也逐渐应用在一些商场等公共场所。裸眼 VR 是通过三面、或五面 LED 屏幕封闭出一个密闭的立体空间，用户在该空间内不需要借助头显等设备即可感受到三维沉浸式的立体视觉效果。图 5-10 裸眼 VR 20显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长VR 三维沉浸式显示分辨率亟需提升光场的数据采集量很大，包含物体表面反射出光的强度和方向信息，所以后续渲染和图像生成的发挥空间很大，能够获取物体在不同视角、不同光线条件下的图像。光场内容有多种显示方式，可以通过普通屏幕来展示，也可以通过 VR/AR，甚至裸眼全息的方式来展示。光场显示技术处于起步阶段6.1对于 2D 平面图像，人眼只能通过遮挡、阴影、仿射等产生立体“错觉”；对于 VR/AR，人眼可以通过双目视差实现三维立体视觉体验，但 VR/AR 显示的场景无论远近，目前都只能聚焦在一个固定距离的平面，长时间使用会使人眼产生疲倦。未来，显示交互中的信息量越来越大，全息交互将是显示交互的最终模式。从目前的技术来看，最有可能通过光场技术实现全息显示。光场是指光在每一个方向通过每一个点的光亮，可以记录和呈现现实场景中不同物体的不同光学深度，并在视觉上完美地重现三维场景。06光场是未来显示技术理想形态光场是未来显示技术理想形态显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长21普通平面显示普通二维平面显示是最简单的光场显示方式，它可以通过一个或多个平面屏幕显示不同景深、不同视角的图像，所需数据量为普通平面视频的 N 倍（N 为屏幕数量）。该种显示方式对渲染的技术和显示技术的需求相对较低，也是光场应用最容易落地的显示方式。如在安防领域，可以用光场相机代替传统相机，相对单幅画面，光场的多视点、多景深画面可以更好地辅助人工或者智能监控。VR/AR 光场显示借助 VR/AR，光场可以呈现三维立体效果。使用多个相机围绕物体从不同方位进行拍摄，可以对物体进行 3D 建模，然后通过光场渲染算法，获取不同视角下物体表面的光线信息。对于用户，可以在 VR、AR 内围绕物体从各个角度去观看，并感受光线变化带来的真实感。该种光场显示方式可以应用于产品营销、物品（如古董等）展示、网红直播等场景：如果用户对某一产品感兴趣，就可以通过光场显示的方式去了解产品的各个细节；同样，在直播场景，有了光场，观众与网红不再是隔着屏幕面对面坐着，而是可以从各个角度与网红互动。图 6-1 VR 光场显示（来源：Welcome to light fields应用）22显示无处不在：视觉体验升级带动数据爆发增长光场是未来显示技术理想形态全息光场显示借助 VR/AR，已经可以实现三维立体多视角的光场显示，但佩戴头显，与裸眼看真实世界，体验上还是存在一定差距。未来裸眼全息是光场显示最佳形态，但该项技术成熟度很低，仅存在于实验室 demo 阶段，离商用普及还有一段距离。现阶段的全息光场显示方式主要包括全息膜、多视点光场显示等。要达到较清晰的效果，全息膜显示所需数据量比传统 2D 平面显示要大很多，根据叠境数字科技有限公司研究，一路 4K 分