回顧2015~2016年擴增實境(Augmented Reality, AR)及虛擬實境(Virtual Reality, VR)快速發展，成為消費性電子的亮點之一，但是在實際體驗時，暈眩感、解析度低、體積大、價格貴、內容應用匱乏等缺點卻使AR/VR終端應用頭戴產品出貨量一直不如預期。
時隔四年，隨著晶片、顯示技術、演算法、應用內容等不斷進步，AR/VR自2019年起已重新成為熱門話題，其中在2020年美國消費性電子展(CES)會中可見各大廠商再次大舉投入AR/VR領域，持續強化AR/VR硬體裝置功能，如低延遲、超高解析度(~8K)螢幕的使用，帶給使用者更具沉浸式的視覺體驗。
AR/VR未來市場及應用蓄勢待發
根據市調機構Statista於2020年2月的產業報告顯示，全球2019年VR頭戴裝置的銷量約700萬台；AR頭戴裝置銷量約為60萬台。預計到2023年，全球VR加AR頭戴裝置年出貨量可達6,860萬台。整體而言，VR強調在視覺層面與外界完全隔絕，追求沉浸式體驗；而AR強調虛實結合，「虛」是針對「實」的補充和增強。比較兩者，預期AR將擁有更豐富應用場景和廣大用戶群體；而隨著顯示技術和互動技術的演進與完善的應用生態圈，頭戴式AR顯示裝置在未來成長將更甚於VR，亦將有機會成為人們不可或缺，甚至可能替代手機的下一代訊息終端平台。
在應用場景部分，AR/VR已從過去大家所認知的遊戲應用，成功推廣到各種應用場景。舉例來說，影片直播、醫療、教育、工業、電子商務、房產銷售、零售、旅遊、軍事訓練等領域均已有所實證。另外，越來越多的品牌使用者亦開始積極參與，如據稱蘋果(Apple)將於2022年發表AR/VR頭戴顯示裝置，可望繼Apple Watch後帶來新世代穿戴產品風潮；臉書(Facebook)除了購併Oculus並持續進行VR頭戴顯示裝置研發外，也將於2022至2023年間發表結合其社交平台Horizon AR的頭戴顯示裝置。由此可見，隨著國際消費性大廠對AR/VR領域的重視，可預見產業規模將出現爆發性成長。
AR/VR裝置顯示技術與應用趨勢看漲
目前市場AR/VR頭戴顯示裝置就解析度而言，產品應用主流處於1080P/2K階段，但如果要呈現完美視覺效果，需要4K以上的顯示解析度。而近年已有廠商推出更高畫質的5K與8K產品因應特定專業應用需求，其中關鍵元素即為面板技術。在過去，因AR/VR顯示技術本身尚未完善，且市場需求不大，面板顯示規格需求沒有那麼急迫，因此AR/VR所搭載的面板為一般手機的LCD顯示規格。隨著顯示技術演進與AR/VR應用市場逐步擴大，進一步推升高畫質與低延遲的顯示需求，對於面板畫質而言，舊有的LCD技術已經跟不上市場的高畫質需求。隨著這種需求更加迫切，新一代顯示技術OLED與Micro LED也就應運而生。
表1則針對3種顯示技術進行簡單的整理分析比較。
目前AR/VR頭戴顯示裝置的主流顯示應用技術為OLED，以LCD對比率為例，OLED由於自發光原理，畫素熄滅便可實現真正的黑；而LCD則是通過液晶分子的旋轉和偏光片來遮擋背光源的白，因此讓OLED具有更高對比度和更低功耗。至於在反應時間表現上，OLED的切換速度以微秒為單位，比LCD快了一千倍。另外，OLED也提供更寬的色域表現。綜合以上，顯見OLED技術已在AR/VR頭戴顯示裝置快速滲透並成為目前主流。
Micro LED與OLED同為自發光顯示技術，相較LCD與OLED而言，能提供較高對比度、高切換速度(提升為奈秒)及寬視角、高亮度、寬色域、低功耗、較長的使用壽命、耐久性以及可靠度。Micro LED可說是延續OLED優點，同時在體積微型、低耗電、高色彩飽和度、反應速度上更優秀，更適合應用於AR/VR頭戴顯示設備，並被業界視為AR/VR顯示技術的明日之星。
影像處理晶片功能與規格需求趨於客製化
AR/VR在影像處理上，均需要使用電腦圖形處理提供虛擬影像。目前市場主要通用型主晶片CPU應用在AR/VR頭戴裝置為高通(Qualcomm)835/845晶片，2018年高通針對AR/VR應用發布驍龍(Snapdragon)XR1，為首款AR和VR頭戴裝置晶片，支援更低的功耗。總體而言，高通835/845/XR1晶片對影像處理規格可支援每秒60幀4K影片解析度(4K@60Hz)或每秒90幀2K影片解析度(2K@90Hz)。但隨著使用者在AR應用需要結合電腦視覺(Computer Vision, CV)處理需求，以及在VR應用上產生更高解析度(~8K)、更高Frame Rate(>120Hz)與低延遲(Latency)(<20ms)、特定3D影像的處理需求，目前現存的通用型CPU晶片在特定應用已不符合AR/VR專業影像處理要求。因此，需要專用型客製化影像處理晶片，重新定義市場。
以下將分別簡介兩大類專用影像處理晶片應用場景。
AR應用支援電腦視覺處理
運用電腦視覺與AI成像結合，實現AR所需影像渲染功能是目前市場趨勢。AR頭戴顯示裝置應用中，若資料需要透過雲端處理後再回傳，速度延遲會影響使用者體驗，因此必須在設備端能夠處理即時運算減少延遲，才能充分發揮AI的潛力。以微軟(Microsoft)發表的Hololens AR頭戴顯示裝置為例，關鍵解決方案即為專用型並與產品應用結合的全息影像處理器(Holographic Processing Unit, HPU)，亦可視為AI協同處理器(Co-Processor)。參考微軟對該晶片的介紹，在HPU架構中含有多運算核心，能夠實現資料的平行處理，透過HPU處理每個畫素於顯示畫面，而畫素之間並沒有關聯性，因此可以藉由平行處理提高執行效率。進一步分析HPU的影像處理運作原理，來自深度感應攝影機影像，以及頭部/眼動追蹤感測器所傳送的資料直接提供給HPU，透過應用處理器晶片(Application Processor)所執行的AR軟體完成影像處理後，再傳回HPU和顯示控制組件，渲染成最終圖形與輸出。
VR應用支援影像處理控制
VR頭戴顯示裝置應用趨勢為實現超高畫素視覺體驗與專業3D影像處理。目前市場上已出現可達到單眼顯示超過7,000萬畫素解析度之VR頭戴顯示裝置，藉由結合高解析度的微顯示器(Micro LED)和標準的VR顯示器(OLED)與專用影像處理晶片，實現超高解析度的細節化體驗，達成人眼解析度的仿生顯示(Bionic Display)，並可在限定區域內展現高清晰度影像細節。一般而言，人眼只在中心區域約視角2度範圍內擁有非常高的敏感度，外圍的周邊視覺敏感度則比較差。該款產品使用專用影像處理晶片並搭配先進演算法模仿人類視覺工作原理，進而實現超高解析度的應用需求。而在專業3D影像處理應用上，使用VR頭戴顯示裝置搭配雙螢幕解析度達到4K的微顯示器與專用3D影像處理晶片提升3D觀影體驗。該款專用3D影像控制晶片主要側重於3D影像處理的功能提升，多格式同時支援3D影像包含左、右、上、下，以及幀疊加等幾種不同格式。另外還支援即插即用，使用者可以在PC、平板電腦等各種多媒體播放設備，播放具有3D格式的影音檔案，透過專用影像處理晶片輸出至VR頭戴顯示裝置，獲得3D巨幕效果以提升觀影體驗。
ASIC設計促進AR/VR產業進展
像是智原科技(Faraday)在AR/VR應用中，便依使用者專用影像處理晶片(ASIC)產品開發需求，提供不同製程AR/VR顯示高速介面IP(矽智財)的晶片完整解決方案與量產服務。因應現今AR/VR應用常見的高度整合SoC設計需求，其技術挑戰遠高於傳統晶片，設計人員需具備系統架構效能分析、IP整合、IP驗證，以及硬體與軟體同步設計的系統級專業能力，憑藉SoC系統整合驗證設計服務經驗及SoC開發平台解決方案，可從晶片設計初期到量產的各階段提供專業諮詢，節省設計資源與成本負擔並縮短開發時間，實現高效能與低功耗需求的創新影像應用產品。
於專用影像處理晶片功能設計方面，除了影像處理所需的運算處理器之外，其他三項核心功能為顯示介面、顯示暫存記憶體與高速連接介面，而像智原所提供相對應的自有IP方案包含MIPI、LVDS、V-by-one(VBO)、多埠SRAM、DDR/LPDDR、USB、PCIe等。藉由這些最佳化的IP解決方案，能滿足AR/VR應用專用影像處理晶片在高速、高頻寬、低延遲與低功耗的介面應用需求，並可滿足使用者上述提及的AR/VR顯示裝置應用專用影像處理晶片需求，包含電腦視覺處理與影像處理控制晶片。若以專用影像處理晶片最常使用的高速介面MIPI方案為例，該公司推出的方案具高相容性、高性價比與客製化服務，其相關應用所需的顯示子系統(Display Subsystem)也已通過IP、系統與生產等各階段驗證，可大幅協助使用者降低整合風險，並加速AR/VR顯示裝置系統開發與上市時程。
憑藉自有IP與全方位的設計服務，及依使用者需求提供長期產品生命週期支援，智原在專用影像處理晶片相關應用已完成30多個成功案例，產品應用遍及顯示螢幕(Display)、投影設備(Projector)、TCON、Graphic Engine、AR/VR等，並進一步與使用者合作推動新一代專用影像處理晶片解決方案，同時可應用於高階顯示裝置，如4K/8K Projector、Pico Display及AR HUD。而隨著顯示技術不斷演進，可預見未來人類的娛樂、工作和生活方式都將與AR/VR更緊密結合。
(本文作者為智原科技行銷經理)