VR頭盔產品鏡片評測

2015-07-21 16:59 原創 Randy Orton

http://www.leiphone.com/news/201507/7j46BjWsSitKML13.html

虛擬現實設備自從去年至今，一直是消費電子領域煊赫一時的產品，特別是在Oculus被Facebook以高大20億美金收購後，幾乎全部科技巨頭均開始涉及VR領域，國內各種型的VR眼鏡（頭盔）公司也如雨後春筍般的進入人們視野中，這些公司中除了少數有獨立顯示屏外，絕大部分都以手機做爲媒介，這能夠更進一步下降價格，從而推進VR產品快速進入市場。值得一提的是，國內已經有公司推出了不只帶有獨立顯示屏，還帶手機模組的VR頭盔，即正在淘寶衆籌的星雲Nebula。固然，筆者之因此會關注到星雲Nebula，主要仍是由於其採用了非球面雙凸型透鏡及彎月型透鏡雙鏡片的鏡片組方案。

目前VR頭盔的價格差距很大，從只要幾美圓的谷歌Cardboard，到預計售價350美圓的Oculus消費者版本，但他們的原理基本相同，最主要的部件都包括屏幕，陀螺儀，光學鏡片以及一些塑料部件。其中對用戶沉浸感影響最大的部件是兩對光學鏡片。在各種型的智能硬件中，大部分元件都是電子元器件，不多包含光學元件。較爲困難的是，評價其質量的指標不能用常見的內存大小，主頻高低，內核的數量等很直觀的指標來衡量。看似簡單的兩個圓形鏡片想要達到理想的成像效果，也包含深奧的學問。

筆者曾體驗過多款VR頭盔，對該領域較爲有興趣，加之是光學專業科班出身，工做中常常須要設計各種型的光學系統，在研究綜合目前國內外常見的幾款VR頭盔產品後，對VR頭盔中的重要元件鏡片作簡單分析，並給出本身的一些看法，但願對VR愛好者在產品時能有所借鑑。

簡單來講，VR頭盔的兩個鏡片能夠當作兩個徹底相同的放大鏡，以下圖1光路剖面圖所示，人眼處於左側實線與光軸的焦點處，中間的爲雙凸鏡片，右側爲屏幕，因爲鏡片有彎折光線的做用，人眼看到屏幕最上方x位置，而給人的感受是沿着虛線從更高的位置進入人眼的，彷彿把屏幕放大到了x’的那麼大，VR頭盔強調的沉浸感，一方面取決於屏幕的大小，另外一方面取決於鏡片彎折光線的能力。所以，就引出了可視角（FOV）的概念，這也是廣大VR廠商常常宣傳的一個參數。

FOV

目前主要廠商宣稱的FOV統計以下：

能夠看出，大部分廠商的FOV都在100°左右，但筆者認爲這個參數並無很是大的實際價值。首先，不像內存或硬盤的大小，FOV沒有一個能夠明確測量的方法，廠商是否會虛標用戶沒法肯定；第二，人在觀察不處於視野中心的目標時，更傾向於轉頭，而不是斜眼看。引用百度一張人眼視角的示意圖2可見，人眼水平最大視角甚至能夠超過180度，而單眼溫馨視角只有大約60度，在這個方位內人眼視力最敏感，超過了這個範圍人會本能的轉頭。因此你們沒必要太糾結於該參數的大小，而更應該關注60度中心區域內的圖像的清晰程度，以及實際使用佩戴的感覺。通常來講，鏡片尺寸越大，人眼會越不容易注意到透鏡邊緣，沉浸感更好，用戶能夠較爲直觀的比較該參數，目前絕大多數VR頭盔鏡片的尺寸都在50mm左右。

清晰度

做爲VR界的標杆，DK1在初期鏡片邊緣圖像的清晰度經常被用戶詬病，這正是因爲光學設計中的軸外像差所致。爲了精確的測試DK1鏡片光學設計的質量，本人曾經委託浙大光學系的老師在專門用於測量鏡片成像質量的設備，傳遞函數（MTF）測試儀上定量的測量過其成像質量，從分析結果上看，離開中心區域稍遠一些，其成像質量就大幅降低。這就比如咱們使用質量通常的放大鏡時會發現，邊緣圖像的會變模糊，其緣由在於受到軸外像差的影響。目前絕大多數公司的處理方法是將透鏡先後兩個面都作非球面設計，以下圖所示，儘量下降軸外像差，提升邊緣圖像的像質。

目前塑料鏡片的壓模工藝已經很是成熟，能夠壓制出光學質量很是高的塑料鏡片，所以像DK2等都採用了雙面非球面的設計，用戶能夠關注VR頭盔的鏡片若是採用了非球面設計，在清晰度上通常會遠高於非球面。固然，僅僅有優秀的光學設計也是不夠的，製造工藝業對鏡片質量的穩定性也有很高的影響，所以，若是VR廠商可以尋求大的代工廠爲其加工鏡片，也是對產品質量的保證之一。

色差

如今絕大部分的VR頭盔在使用時候都會在邊緣區域（邊緣位置）出現紅綠藍的色邊，也就是色散現象，這在使用高折射率材料時很容易出現，就像是白光在通過棱鏡後會被分紅五光十色的光線。在DK1中，該現象尤其明顯。從光學設計的角度來講，須要兩種或更多的材料才能消除色散，所以原理上來講單鏡片（一種材料）是沒法解決的，DK2爲了解決該問題，在圖像顯示以前，先用軟件作了一個相反的顏色補償，如圖4所示，基本解決了該問題。

該方法僅僅是在軟件層面作了修正，但會對圖像清晰度形成必定影響，並且圖像上的每個像素都須要作一次反向色散的處理，增長了硬件負擔，會下降圖像的幀率。最好的方法是採用多組材料不一樣的鏡片組成消色差鏡組，用光學的方法消除色邊。這在鏡頭設計中已很是成熟，如復消色差物鏡(Apochromatic objective)，可以徹底消除圖像的色差。

 

畸變

畸變用通俗的話來講就是圖像扭曲變形，給人以中間凸出（桶形畸變）或是凹陷（負畸變），這也屬於像差的一種，是因爲入瞳（也就是人眼）處於光學系統中的先後位置不一樣形成的，對球面鏡片來講，該像差是不可避免的，以下圖左側圖所示，而且隨着FOV的增大，邊緣圖像畸變會更加明顯。爲了解決該問題，目前常見的方法是採用非球面的設計，以下圖右所示，它能夠大大下降圖像的畸變，並且還能大大減輕鏡的重量，這也是目前高度數眼鏡片再也不如瓶底那麼厚的緣由。

但因爲單片式的鏡片可以用來優化的參數極其有限，在知足提升清晰度，增大FOV的狀況下就很難同時又知足消除畸變的目的。如何折中三者之間的得失就成爲了鏡片設計者所要重點關注的。鑑於目前的VR頭盔方案都借鑑於DK2，從它的方案可知，它採用的依舊是相似於消除色散的方法，在圖像呈如今使用者以前，先作一次桶形畸變用以抵消鏡片帶來的枕形畸變，如圖6所示，從而使使用者感覺不到因爲鏡片畸變形成的不真實感，通過分析DK1的SDK可知，其內部設置了4個畸變係數（k0~k3），組成一個畸變補償方程，經過控制這四個量的大小來適配不一樣畸變程度的鏡片，從而達到該SDK通用不一樣鏡片的目的。

但這種方法也有必定缺陷，因爲圖像在顯示中邊緣的圖像就已經被壓縮了，所以通過透鏡後雖然消除了畸變，但空缺的信息沒法恢復，會出清晰度的降低問題，而且由於每一幀都要通過軟件的後處理，對硬件性能的要求更高。最好的方式爲鏡片不要產生畸變，從而省略該預處理步驟。

 

近視調整

目前中國的近視發生率已超過33%，在高中以上的人口中更高達70%，而VR頭盔的使用人羣都集中在高學歷人羣中，他們在使用時若是不佩戴眼鏡，每每看不清屏幕上的文字，更談不上體驗所謂的沉浸感了，所以會下降VR設備的普及度。

目前國內的VR頭盔都聲稱不影響400度甚至更高的近視。對此本人是深表懷疑的，Oculus解決該問題的方法是配了3組不一樣度數的鏡片，從光學原理上至關於有配了三組不一樣視力的眼鏡片，而國內的VR頭盔大都只有一組鏡片，每每採用兩個方法解決近視問題：一種是佩戴眼鏡，而後再戴頭盔，該方法較爲「簡單粗暴」，確實解決了近視問題，但沉浸感大大削弱，由於人眼不能湊近鏡片，並且同時戴兩副眼鏡的方案也很是笨拙。另外一種是不戴眼鏡，而是將屏幕或是手機靠近鏡片，這至關於近視者湊近屏幕看屏幕上的東西，這也會下降沉浸感，由於屏幕邊緣的圖像至關於被移出了畫面，近視者只能看見中間部分的圖像，外側的被裁掉了，該方法的另外一個缺陷是近視者更容易看到像素，出現DK1中所謂的紗窗效應，此外，若是使用者左右眼近視度數不一樣，該方法也沒法解決。

然而真的沒有別的更好的方法了嗎？筆者認爲否則，其實該方法早已使用在不少單反相機中，如圖7上圖所示，單反的目鏡邊上有一個稱爲屈光度調節的旋鈕，經過轉動該旋鈕，在必定範圍內的近視使用者也能看清取景器裏的圖像，而無需佩戴眼鏡。其原理如圖7下圖所示，取景器內部由多個獨立的鏡片組成，旋轉旋鈕至關於調節某兩個鏡片之間的距離，從而達到改變進入人眼中光線發散或會聚程度的做用，它能夠等效於一個變焦鏡頭。而這類型鏡頭的設計方法已有近百年的歷史，是至關成熟的，若是VR頭盔的鏡片也由一片以上的鏡片構成，則通過設計也能夠達到調節屈光度的效果，用戶不須要佩戴眼鏡便可使用。

筆者通過多年的光學設計工做，體會到一個優秀的光學設計者必須在各類限制因素中作最好的權衡，如上文所提到的FOV，清晰度，色差，畸變等，還包括材料，體積，重量，價格，公差，可加工性等等因素。而且不管再優秀的設計也不能將全部指標同時達到最優，須要針對使用場合作必定的取捨，無數次的實驗，以及和軟件設計者協同工做。不少時候須要設計者有豐富的經驗。一款優秀的VR頭盔中的鏡片每每直接關係到用戶體驗的好壞。

筆者認爲，雖然目前在售的全部VR頭盔的鏡片都是單鏡片，但限於能用於優化的參數過少，鏡片的成像質量很難提升，像色散畸變這類像差，單鏡片幾乎是沒法消除的，爲此，鏡片組的方案是將來的VR頭盔中鏡片的發展趨勢，它除了能極大提高成像質量之外，還能夠實現左右鏡片分別調節屈光度，使得左右眼近視度數不一樣的人也能體驗虛擬現實的真實感。

就在近日，微軟研究越爲Oculus提供設計了新的鏡片，它就採用了四片兩組的結構，能夠大大提高圖像清晰度，消除色散與畸變，以下圖所示。

固然，因爲鏡片數量的增多，設計難度會更大，微軟的設計方案的缺陷之一就是下降了FOV，但這並非必然的，經過更優秀的設計方案可增大FOV。此外，多鏡片的成本顯然會高於單鏡片，微軟的鏡片價格高達200美圓，而DK2總價只有350美圓，筆者相信隨着光學設計方案的成熟，價格上還有很大降低餘地。另外能夠預見的是，多組鏡片的安裝公差會更嚴格，如同軸度，變焦槽精度等等，這都會要求有精度更高的模具與更細緻的安裝步驟，成本也會相應提升，所以須要投入更多的設計時間與經費。但這一切都是爲了提高用戶體驗，必然是VR頭盔鏡片的發展方向之一。

本文僅僅對VR頭盔中的鏡片作了簡單的分析，影響一個VR產品給用戶帶來良好體驗的技術因素還包括屏幕的分辨率，跟蹤算法，佩戴溫馨度以及是否擁有充足的內容支撐等等，看似簡單的產品其實包含着極高的積澱，這也是Oculus沉寂了兩年纔剛剛發佈其消費版的緣由。

目前國內的VR頭盔類產品正處於爆發式發展階段，在後手機時代被寄予了很是高的指望，毫無疑問該方向是將來消費類互聯網智能硬件中的領頭羊。但從技術的角度來看，國內的VR產品問題也不少，例如產品類似度較高，質量也良莠不齊。能夠預見的是，隨着Oculus消費版的即將上市，必然會淘汰一大批技術水平能力較低的公司，留下少數幾家真正有研發實力與VR內容積累的公司。從用戶的角度來講，筆者認爲你們應該理性看待目前的各種VR產品，多去實際參與體驗，畢竟經過簡單的文字表述很難體會到虛擬現實給人帶來震撼體驗。