多高的解析度才是VR的完美解答?

（圖片來源：Yahoo）

今年可說是VR元年！包括HTC Vive，Oculus Rift以及Sony PlayStation VR等VR裝置，都已在或將在今年內上市。但從已體驗過的使用者回饋來看，許多意見都提到了目前的VR顯示仍然存在著解析度不夠高，格線明顯等缺點。雖然絕大部分的人也同意異樣感會隨著使用時間的拉長很快就消失，也不會對融入虛擬世界產生妨礙。但我們不得不承認這仍然是VR產品的顯示面上一個仍待改進的問題。

目前各家的VR設備都採用AMOLED做為顯示面板，而且解析度也十分相近，Vive和Rift都是2160 x 1200 (單眼1080 x 1200），Playstation VR則是1920 x 1080 (單眼960 x 1080)但有著較高的螢幕更新頻率（120 Hz）。也就是說三大家都有志一同的把解析度設定在Full HD上下。這顯然不是巧合，而可能是現下最實際的解決方案。

為什麼廠商不願意配置更高等級的顯示面板呢？主要的問題應該是在於主機硬體的限制。VR裝置所需要的運算量和硬體能力遠超過一般平面顯示，為了流暢地驅動Full HD等級的VR畫面，所需要的電腦主機價格就已所費不貲，甚至許多人還擔心SONY的PS4能不能跑得動Playstation VR，PS4也有即將改款升級硬體的流言傳出。

在這樣的情況下，如果VR裝置把解析度拉得更高，那麼對於硬體的需求也就更高，消費者需要花更多的錢才能得到令人滿意的體驗，這對進入門檻已不低的VR生態系來說絕不是好消息。與其一味地把品質提高，不如在價格和畫面中取得平衡點，先達到普及推廣的目的；另一方面也可用時間換取彈性，等待相關硬體的降價以及技術的進步。

但如果先撇開硬體的限制，純粹就顯示品質來看，究竟VR裝置要提供多高的解析度，才能讓使用者難以分辨現實和虛擬之間地界線，真正地「身歷其境」 ，達到「沉浸式」(Immersive）的實境體驗呢？

 （圖片來源：pcinvasion）

這個答案可以說是眾說紛紜。Oculus的創辦人兼發明者Palmer Luckey，認為至少要達到單眼8K解析度的水準才算合格；最近宣佈要大力投入VR的AMD，則宣稱單眼16K才是完美的VR顯示器。但目前並沒有看到相關的說明和解釋。

以下我將用自己的理解，試著估算出VR裝置需要達到什麼樣的顯示水準，才有機會提供完美的VR體驗。

如果要討論顯示品質，像素密度(ppi, pixel per inch)應該會是比解析度更好的衡量指標。前者指的是每一吋(inch)的螢幕大小裡包含了多少的像素(pixel)，後者則是統計整片螢幕共包括多少個像素。由於解析度看的是總量，而沒有考量到個別螢幕的大小，如果我們用解析度來評價螢幕的精細度時，往往就會失真。

舉例來說，目前主流的電視解析度是Full HD（1920 x 1080），意思是指整片螢幕中，一共含有1920 x 1080 = 2,073,600個可以分別獨立顯示的像素。但同一時間，現在搭配Full HD螢幕的智慧型手機也越來越多。從定義上來看，這就代表了手機的螢幕同樣也有著200萬個像素的顯示能力。也就是說，從解析度上來看，客廳的大電視和手上的智慧型手機是完全一樣的。

但如果我們從像素密度的角度來看，假設Full HD的電視是55吋大小，那麼它的像素密度約為40 ppi，即為每一吋長的螢幕裡有40個像素；而如果智慧型手機的螢幕大小為5吋，則等同於有著441 ppi的像素密度，也就是每一吋長的螢幕裡有441個像素。相較於電視，像素密度足足是10倍高。如果你用一樣的觀看距離來觀察兩個螢幕，就能明顯地感受到精細程度的差別。因此，在估算螢幕的細緻度時，像素密度會是比解析度更好的衡量指標。

那麼，多高的像素密度才能滿足我們對於VR的理想需求呢？這裡我們不妨借用目前業界在顯示硬體執牛耳的蘋果公司的概念。蘋果公司在2010年推出iPhone 4時，一併介紹了「視網膜螢幕」（Retina Display）的技術。所謂的視網膜螢幕，指的是像素密度高到人眼無法分辨其中單獨像素點的螢幕。這聽起來非常像VR裝置所要追求的願景，因此我們就先把目標設定在讓VR顯示器到達視網膜螢幕的水準。

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所以，像素密度多高的螢幕才稱得上是視網膜螢幕呢？首款搭載視網膜等級螢幕的iPhon 4，在3.5吋的螢幕裡有著960 x 640的解析度，換算起來像素密度為326 ppi。於是，這個問題在前幾年時非常簡單：只要像素密度高於326 ppi的就是視網膜螢幕，低於326 ppi的則不是。後續推出的iPhone 4s, iPhone 5也都維持326 ppi。尤其iPhone 5螢幕放大為4吋，但解析度也提高為1136 x 640，換算下來像素密度一樣是326 ppi，更讓大家認定326 ppi就是蘋果設定的視網膜螢幕門檻。

但這個判斷方法在2012年時出現了問題。蘋果在2012的WWDC大會上，宣佈將替新款的MacBook Pro升級成視網膜螢幕。但仔細一看螢幕規格，13吋的解析度是2560 x 1600，像素密度是227 ppi；15吋的解析度是2880 x 1800，像素密度是220 ppi。這兩款螢幕的像素密度都明顯低於326 ppi，但蘋果仍然認定它們是視網膜螢幕。這下又推翻之前外界所認定的326 ppi標準。

前面我們提過，視網膜螢幕是指像素密度高到人眼無法分辨其中單獨像素點的螢幕。所以我們必須先理解所謂的「人眼無法分辨」的程度是怎麼一回事。如果我們在白紙上平行地畫上兩條直線，再把它們之間的距離不斷拉近，兩條線終究會近到「糊」在一起。換句話說，就是人眼無法分辨出這究竟是一條，或是兩條分別的線。

 

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那麼人眼的極限究竟在那裡呢？根據統計，人眼能分辨的極限大約在兩個物體和眼睛的夾角為1/60度的視角時，再小就無法分辨。當然這只是統計上的均值，有些人的視覺分辨力比這高，也有人比這低。

 

（圖片來源：sciencepark.etacude.com）

順帶一提，這1/60度的視覺解析度標準，其實絕大多數的人在成長的過程中都曾體驗過。相信大家應該都做過視力檢查，檢查者通常會使用Snellen Eye Chart來檢測，也就是常見的大寫E字母，變換大小並旋轉不同方向的檢查圖表。

 （圖片來源：technospot.net）

正常人的標準視覺是20/20，其字母E的高度以受測距離（20英呎）來看，恰好就是5個1/60度視角。也就是E字母右半側的三條橫線，加上中間的兩槓留白，各自是1/60度視角。這正是因為1/60度視角為常人肉眼解析度的極限，若再小，則字母E的筆畫就有糊在一起的可能，無法正確地判別開口方向。

現在我們知道人眼視角的解析度極限為1/60度，但要用這個來決定螢幕像素的大小，我們還需要知道使用者眼睛距離觀測物的距離。同樣是1/60度的視角，眼睛和觀測物距離50公分，和距離500公分是截然不同的兩個概念。

從下圖我們可以了解，假設我們固定視角(Viewing angle, a)，觀測距離越遠（Viewing distance , d)，則兩個像素之間的距離就會越遠（Pixel spacing, s)。而一但我們固定了視角(1/60)和觀測距離(d)，我們就可以知道兩個像素之間的距離要小於多少(s)，人眼才無法分辨出來。

（圖片來源：markwarren.wordpress.com）

有了這些理解後，我們再回過頭來看iPhone和MacBook Pro，探討為何同為視網膜螢幕，像素密度卻不同的問題。 我們知道iPhone 4的像素密度是326 ppi，換算回來像素間距(s)約為78 um。而知道了a=1/60度，s=78 um，我們就可以推算出d=10.6 英吋，約等於27公分，而這也是蘋果公司設定人們使用iPhone時，眼睛到螢幕的正常距離。

而人們在使用筆記型電腦時，通常不像操作手機時離螢幕那麼近，這也是為什麼MacBook Pro的「視網膜螢幕」標準可以比較低的關係－距離(d)變遠了，像素間距(s)也就變大，像素密度自然就降低。

假設正常操作下，使用筆電時人眼距離螢幕的距離(d)為16英吋（約為40公分），則要維持1/60度視角(a)，最小的像素間距(s)約為116 um，換算下來的像素密度為219 ppi。因此MacBook Pro的220/227 ppi確實符合視網膜螢幕的標準。

回到VR顯示器，如果我們一樣以維持像素間的視角低於1/60度為設計目標，那麼唯一需要確認的變數就剩下使用時眼睛到螢幕的距離(d)。因為我手上並沒有任何一家的實體裝置，為了方便，我先假設眼睛至VR顯示畫面的距離為3英吋，也就是7.6公分左右，對照之前看過的實機照片，我想應該不是太離譜的估算。

在d=3英吋時，要維持二個像素和眼睛的視角小於1/60度，則像素間距必須要小於22 um，換算下來的像素密度高達1145 ppi！這也說明了為什麼目前產品的螢幕品質都無法讓人滿意。

根據我在網路上查到的資料，HTC Vive的實體螢幕尺寸是5.2吋，Oculus Rift和Sony PlayStation VR則是5.7吋，對照他們的解析度，Vive的像素密度是310 ppi，Rift是283 ppi，而PlayStation VR最低，只有254 ppi。可以看到三個螢幕都離我們計算的理想值很遠。而這其中又以HTC Vive的像素密度最高，這也反映在Vive普遍被認為是品質最好的VR裝置的評價上（當然其強大的定位能力也是功不可沒）。

後來查到Oculus Rift規格上的眼睛至螢幕距離（eye to screen distance）為0.041公尺，比我們設定的3英吋更近。套用新的數值之後，重新計算需要的像素間距縮小到12 um，像素密度高達2117 ppi！

也就是說，為了要達到視網膜螢幕的顯示品質，VR裝置單眼至少要有2000 ppi以上的像素密度。目前市面上旗艦等級的智慧型手機，其螢幕像素密度多在400-600 ppi之間，想要有5倍的密度成長，恐怕還需要很長的一段時間才有機會達成。

而且滿足視網膜螢幕的要求就真的足夠了嗎？借鏡已發展成熟的智慧型手機市場，即使螢幕的像素密度早已超過視網膜螢幕的規格，但廠商和消費者還是不斷地把螢幕的精細度往上推，並宣稱真的看的出不同。因此，2000 ppi很可能只會是一個最低門檻，一個新一輪競爭的起跑點，而不太可能會是個終點。

但像素密度確定了，回到標題的問題，這等同於多少的解析度呢？4K?8K?16K?32K?

想要知道這一點，我們得更進一步地了解人眼的能力。畢竟VR裝置的目的就是要「騙過」眼睛，讓使用者看不出虛擬世界的破綻，進而相信眼前看到的一切都是真的（當然，你的理智還是會提醒你這是假的） 。而VR螢幕要做到這一點，除了夠細緻的畫面外，另一個需要考慮的要素是人眼的「視野」（Field of View）。

人的眼睛其實是非常了不起的接收器，人類單眼可以接收的視野約是左右水平180度，上下垂直135度。在左眼和右眼的視野交集的部分，會有120度左右的範圍是立體視覺（Stereopsis）。整體來說，在雙眼同時運作的情況下，人眼看出去的視野約有200度 x 135 度的範圍（以上的數據皆因人而異，但基本上每個人離均值不會差異太大）。

 （圖片來源：VRWiki）

而如果我們想要讓戴著VR裝置的使用者，在虛擬空間裡看東西的感覺和真實世界裡一模一樣的話，VR的顯示器就得滿足這樣的視野要求。而對照起目前各家裝置僅能提供110度的視野，我們又再一次體驗到技術的理想以及生產的現實之間的差距。

我們提過，人眼的解析度極限約在1/60度，換句話說，也就是人眼在一度的視角內，約可分辨出60個像素。而人眼的視野為200度 x 135度，要填滿整個視野，在寬度上，我們需要60 x 200 = 12,000 個像素，而高度上則需要 60 x 135 =8100 個像素。因此，我們可以得到螢幕的解析度為12,000 x 8,100。

在不考慮螢幕比例的情況下，可以說大約是12K的解析度；而如果對照16:9比例的螢幕，則約莫等同於14K。

那麼需要的螢幕大小呢？假設人眼到畫面的距離一樣是0.041公尺，前面我們計算過，像素間距會等於12 um。這些資訊可以幫助我們計算所需的螢幕大小。由於水平方向上共有12,000個像素，故所需要的最小寬度為12,000 x 12 um = 144,000 um = 14.4 cm = 5.67 inch。同樣的，高度則最少需要3.83 inch（這些都還沒有考慮螢幕邊框哦）。

統整以上需求，我們需要的是一個像素密度2117 ppi，解析度超過12K，螢幕大小為6.84吋（對角線長度）的顯示器。


但這樣就真的能滿足VR的一切需求了嗎？很遺憾，恐怕還差得遠。例如我們就還沒有考慮到眼珠的運動。人的眼珠在1/10秒內可以移動90度的視角，再加上脖子的轉動（大約左右各90度，速度因人而異，有狼顧之像的人暫不考慮），這些都會對於畫面更新率有極嚴苛的要求。

AMD宣稱他們的目標是要達到240 Hz。目前三大家的VR裝置中，以Sony PlayStation VR的120 Hz最高，但也還是有一倍的提升空間。

而解決了更新率後，即使人眼已無法再分辨像素，但仍然可能會覺察到畫面邊緣的鋸齒。因此，我們還需要導入更多的抗鋸齒/平滑化運算（Anti-Aliasing）。諸如此類，還有許多的課題需要去克服。

 （圖片來源：Geforce.com）

VR初試諦聲就獲得了相當多正面的評價，即使有些問號，也是基於「想要體驗更多」而產生的需求。整個VR生態系的發展可說相當有希望。對於VR相關技術的未來開發，我想我們可以抱持著謹慎但正面積極的態度，一方面認知到還有很多問題需克服，但另一方面，也該為整個技術水平還有很大的成長空間而高興。對於技術開發者來說，難以克服的課題，要遠比已無改善空間的課題要好的多。

而AMOLED因其獨特的優勢，使其成為VR顯示器最佳且唯一的選擇。隨著VR商機的蓬勃發展，AMOLED的面板需求相信也會跟著一同起飛，成為日後成長的絕佳動力。