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本文介绍了视网膜屏幕的概念和人眼视敏度极限，以及头戴显示设备在视场角和角分辨率之间的权衡设计。文章还提到了苹果公司的新产品Apple Vision Pro的设计规范和视觉效果。
视网膜显示屏
Retina display 是苹果公司针对其高分辨率屏幕技术的一种营销术语。这个术语最早由乔布斯在 2010 年 6 月的iPhone4 发布会上提出，它将 960×640 的像素压缩到一个 3.5 英寸的显示屏内，并宣称这一像素密度是人类视网膜分辨力的极限。
之所以说这是一个营销术语，是因为人眼视敏度（Visual Acuity）是指视网膜分辨物体细微结构的最大能力，显示设备是否能够达到人眼分辨率极限，不只取决于显示分辨率，还取决于观看距离。而苹果所谓的视网膜屏假设用户使用手机的观看距离为 12 英寸（约 30cm），此时人眼接收到的 iPhone4 屏幕像素密度约为 68 像素每度视角(pixels per degree, ppd)，但如果是在更近距离（比如 15cm）观看 iPhone4 屏幕，那实际像素密度只有约 35 ppd，如果换算成视力表测试分数，远低于 20/20 （我们常说的 1.0）视力。那人眼分辨力真正的生理极限是多少呢？
人眼视敏度极限
角分辨度常以瑞利判据（Rayleigh criterion）作为标准，如果将人眼看成是一个类似小孔成像的光学器件，其最小解析角度可以通过以下公式计算：
其中 λ 是光线的波长， 是光学仪器孔隙的直径；人眼瞳孔直径 平均约为 2～5 mm，人眼最敏感的绿光波长 λ 为 555 nm，代入公式可得：
将 0.000135 弧度换算成角度为 0.0077°；如果显示设备要满足一个像素占据人眼极限分辨率 0.0077 的密度，换算为角分辨率为 129 ppd。
当然这是将人眼看做机械成像设备的理论极限，根据通常视力测量的标准，1.0 的标准视力对应的角分辨率为 1 角分（arcsec），即 1/60 °，换算成设备角分辨率约为 60 ppd，这也是很多 VR/MR 等近眼显示（Near-eye Display）或头戴显示（Head-mounted Display）厂商将 60 ppd 作为真正意义上的视网膜屏的原因。 如下 Meta 展示的一款代号为 Butterscotch 的原型机，用来探索头戴显示的分辨率极限，其角分辨率达到 55 ppd，几乎达到肉眼无法区分单个像素的水平，从而解决了 VR 显示设备长久以来因为显示和光学设计导致的“纱窗效应”（screen-door effect）。
视场角与角分辨率
头戴显示设备在用户使用过程中会遮挡全部视野，因而它所能够提供的视场角度（FOV）同样重要；对于同一规格的显示面板，往往需要在视场角与角分辨率之间进行权衡设计。如下图所示，如果要同时满足单眼 120°视场角和 60ppd 视网膜分辨率，则需要两块单眼 8K 的显示面板。
根据 Hypervision 对 Apple Vision Pro 的分析，双目重叠区域 FOV 约为 110°，虽然平均角分辨率仅为 34 ppd左右，但中央视觉区域的峰值角分辨率可以达到 40 ppd。如果要大概感受一下 40 ppd 的视觉效果，可以将 iPhone/iPad 放置在面前对应的距离上，如 11 英寸的 iPad Pro 放置在距离眼睛 20cm 的位置，几乎刚好是 Apple Vision Pro 设计规范中建议的中央视觉区域的窗口尺寸。
参考
- Ho Jin Jang, Jun Yeob Lee, Jeonghun Kwak, Dukho Lee, Jae-Hyeung Park, Byoungho Lee & Yong Young Noh (2019): Progress of display performances: AR, VR, QLED, OLED, and TFT, Journal of Information Display, DOI: 10.1080/15980316.2019.1572662
- 作者:V2XR
- 链接:https://hackvision.pro/post/apple-vision-pro-ppd
- 声明:本文采用 CC BY-NC-SA 4.0 许可协议，转载请注明出处。