VR/AR鏡片的區(qū)別與實(shí)現(xiàn)方式

　　一、VR/AR定義

　　虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)，是指采用計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技手段生成一種虛擬環(huán)境，用戶借助特殊的輸入/輸出設(shè)備，與虛擬世界中的物體進(jìn)行自然的交互，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等獲得與真實(shí)世界相同的感受。

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,  AR)，是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。

　　二、VR/AR區(qū)別

　　VR和AR有著不同的應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)和市場(chǎng)機(jī)會(huì)，因此區(qū)分兩者之間的不同至關(guān)重要。

　　VR讓用戶置身于一個(gè)想象出來(lái)或者重新復(fù)制的虛擬世界(如游戲、電影或航班模擬)，亦或是模擬真實(shí)的世界(如觀看體育直播)，VR領(lǐng)域主要的硬件廠商有Oculus、索尼(PlayStation VR)、HTC(Vive)和三星(Gear VR)。AR是把數(shù)字想象世界加在真實(shí)世界之上，主要硬件廠商包括微軟(HoloLens)、谷歌(Google Glass)和Magic Leap。

　　區(qū)分VR和AR的一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是：VR需要用一個(gè)不透明的頭戴設(shè)備完成虛擬世界里的沉浸體驗(yàn)，而AR需要清晰的頭戴設(shè)備看清真實(shí)世界和重疊在上面的信息和圖像。從目前的觀察來(lái)看，AR比較適合服務(wù)企業(yè)級(jí)用戶，而VR同時(shí)適用于消費(fèi)者和企業(yè)用戶。有些情況下，兩者還會(huì)出現(xiàn)重疊市場(chǎng)。例如，目前大多數(shù)游戲基于VR研發(fā)，但微軟也用HoloLens重新創(chuàng)作了《我的世界》這樣的游戲。

　　雖然VR和AR有著不同的應(yīng)用空間，但這兩項(xiàng)技術(shù)都將推動(dòng)HMD設(shè)備成為新的計(jì)算平臺(tái)。另外，VR和AR均通過(guò)頭部和手勢(shì)操控，這種操控方式非常直觀，相信會(huì)給計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)新的變化。

　　三、HMD 硬件組成部分

　　HMD 硬件通常包括以下組成部分：

　　顯示屏：大多數(shù)HMD設(shè)備都擁有一塊或兩塊屏幕。

　　處理器：整合式AR HMD設(shè)備通過(guò)包含一個(gè)或多個(gè)處理單元。

　　傳感器：傳感器可以內(nèi)置到HMD設(shè)備中，也可以作為外設(shè)。

　　攝像頭：一些VR/AR HMD設(shè)備通過(guò)前置攝像頭進(jìn)行拍照、位置追蹤和環(huán)境映射，必要時(shí)也允許用戶“看透”HMD設(shè)備，一些AR HMD則采用內(nèi)部攝像頭來(lái)感知環(huán)境和周?chē)繕?biāo)。

　　無(wú)線連接：HMD和控制器之間應(yīng)采用無(wú)線連接，但目前HMD和PC/游戲機(jī)之間的無(wú)線連接還有諸多技術(shù)故障需要克服，尤其是在高分辨率和高刷新率情況下。

　　存儲(chǔ)/電池: 首先，內(nèi)存主要用于存儲(chǔ)/緩存VR/AR圖像和視頻，電池對(duì)于HMD設(shè)備同樣重要。

　　鏡片: 當(dāng)前，VR HMD設(shè)備廣泛采用非球面鏡片，因?yàn)樗鼈儞碛休^短的焦距，意味著與其他鏡片相比擁有更高的放大率和更廣的視野。

　　本文主要介紹HMD中鏡片實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的原理、目前的局限以及今后的發(fā)展方向。

　　四、VR實(shí)現(xiàn)方式

　　4.1、系統(tǒng)原理

　　如圖1所示，顯示器被分為左右兩個(gè)部分，分別顯示左右眼看到的圖像。由于左右眼分別看圖像，所以會(huì)有3D效果。光學(xué)鏡片為凸透鏡，將顯示圖像放大。由于通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)，人眼看到的景象視角比較大，可以達(dá)到100°，所以極大的增強(qiáng)了人們體驗(yàn)到的臨場(chǎng)感。同時(shí)，姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)將頭部的姿態(tài)傳給電腦，電腦會(huì)根據(jù)頭部的姿態(tài)調(diào)整看到的視場(chǎng)角，從而使人仿佛在現(xiàn)實(shí)中觀看一樣，我們把這種體驗(yàn)稱為沉浸式體驗(yàn)。

　　4.2、人眼視覺(jué)原理

　　眼睛通過(guò)左右眼關(guān)注到某點(diǎn)的直線交點(diǎn)確定空間中點(diǎn)的位置，如圖2所示。正常人的視力范圍比視野要小，因?yàn)橐暳Ψ秶且竽苎杆?、清晰地看清目?biāo)細(xì)節(jié)的范圍，只能是視野中的一部分。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，VR頭盔的兩個(gè)鏡片可以看成兩個(gè)完全相同的放大鏡， VR頭盔強(qiáng)調(diào)的沉浸感，一方面取決于屏幕的大小，另一方面取決于鏡片彎折光線的能力。因此，就引出了視場(chǎng)角（FOV）的概念，這也是廣大VR廠商經(jīng)常宣傳的一個(gè)參數(shù)。

　    五、局限分析

　　5.1、視場(chǎng)角分析

　　如圖3所示，將物像放在透鏡的焦距附近時(shí)，人眼可以看到放大的像。

　　人眼睛看到的視場(chǎng)角為：

　　當(dāng)然，為了達(dá)到更好的沉浸式效果，視場(chǎng)角越大越好，但是人單眼的舒適角大約只有60°，在這個(gè)方位內(nèi)人眼視力最敏感，超過(guò)了這個(gè)范圍人會(huì)本能的轉(zhuǎn)頭。一般來(lái)說(shuō)，鏡片尺寸越大，人眼越不容易注意到透鏡邊緣，沉浸感越好。

　　5.2、解像力分析

　　從目前市面上的VR設(shè)備來(lái)看，鏡片邊緣圖像的清晰度常常被用戶詬病，這是由于鏡片光學(xué)設(shè)計(jì)中的軸外像差所致。我們?cè)治鲆恍╃R片產(chǎn)品，從分析結(jié)果看，離開(kāi)中心區(qū)域稍遠(yuǎn)一些，其成像質(zhì)量大幅下降。就好比我們使用質(zhì)量一般的放大鏡時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，邊緣圖像會(huì)變模糊，其原因在于受到軸外像差的影響。目前絕大多數(shù)公司的處理方法是將透鏡前后兩個(gè)面都做非球面設(shè)計(jì)，如圖4/5所示，盡可能降低軸外像差，提高邊緣圖像的像質(zhì)。

　　因此，像DK2等都采用了雙面非球面的設(shè)計(jì)。當(dāng)然，僅僅有優(yōu)秀的光學(xué)設(shè)計(jì)也是不夠的，制造工藝業(yè)對(duì)鏡片質(zhì)量的穩(wěn)定性也有很高的影響。所以，如果VR廠商能夠?qū)で蟠蟮拇S為其加工鏡片，也是對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量的保證。

　　5.3、色散分析

　　現(xiàn)在絕大部分的VR頭盔在使用時(shí)候都會(huì)在邊緣區(qū)域（邊緣位置）出現(xiàn)紅綠藍(lán)的色變，也就是色散現(xiàn)象。這在使用高折射率材料時(shí)很容易出現(xiàn)，就如白光在經(jīng)過(guò)棱鏡后會(huì)被分成五顏六色的光線。從光學(xué)設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，需要兩種或更多的材料才能消除色散，原理上來(lái)說(shuō)單鏡片（一種材料）是無(wú)法解決的。因此在圖像顯示之前，需要用軟件做一個(gè)相反的顏色補(bǔ)償，如圖6所示

　　但是該方法僅僅是在軟件層面做了修正會(huì)對(duì)圖像清晰度造成一定影響，而且圖像上的每一個(gè)像素都需要做一次反向色散的處理，增加了硬件負(fù)擔(dān)降低圖像的幀率。最好的方法是采用多組材料不同的鏡片組成消色差鏡組，從光學(xué)設(shè)計(jì)上消除色變。

　　5.4、畸變分析

　　畸變用通俗的話來(lái)說(shuō)就是圖像扭曲變形，給人以中間凸出（桶形畸變）或是凹陷（負(fù)畸變）感覺(jué)，這也屬于像差的一種，是由于入瞳（也就是人眼）處于光學(xué)系統(tǒng)中的前后位置不同造成的。對(duì)球面鏡片來(lái)說(shuō)該像差是不可避免的，如圖所示，并且隨著FOV的增大，邊緣圖像畸變會(huì)更加明顯。如圖7所示，由于畸變的存在，雙目重疊后的效果根本無(wú)法正常觀看。

　　但由于單鏡片能夠用來(lái)優(yōu)化的參數(shù)極其有限，在滿足提高清晰度，增大FOV的情況下就很難同時(shí)滿足消除畸變的目的。目前的VR頭盔方案采用的依舊是類似于消除色散的方法，在圖像呈現(xiàn)在使用者之前先做一次桶形畸變用以抵消鏡片帶來(lái)的枕形畸變，從而使使用者感受不到由于鏡片畸變?cè)斐傻牟徽鎸?shí)感。

　　這種方法也有一定缺陷，由于圖像在顯示時(shí)邊緣的圖像就已經(jīng)被壓縮了。因此經(jīng)過(guò)透鏡后雖然消除了畸變，但空缺的信息無(wú)法恢復(fù)，會(huì)出現(xiàn)清晰度下降的問(wèn)題。并且因?yàn)槊恳粠家?jīng)過(guò)軟件的后處理，對(duì)硬件性能的要求也更高。最好的方式是從光學(xué)設(shè)計(jì)上減小畸變，從而省略該預(yù)處理步驟。

　　5.5、菲涅爾透鏡

　　為了HMD能更薄更輕,部分HMD使用了菲涅爾透鏡，HTC Vive內(nèi)置菲涅爾透鏡；Oculus Rift CV1內(nèi)置混合菲涅爾透鏡，使得透鏡更薄折射光的方式更便于人眼看清事物。

　　這款透鏡與普通透鏡的曲率一致，但其一面刻錄了大小不一的螺紋。

　　但使用菲涅爾透鏡意味著你需要做出一定的犧牲；你可以制作出多螺紋透鏡，從而能看到更清晰的圖像，但是光線無(wú)法聚焦在一點(diǎn)上，曲率也總是不正確的。另外，你也可以使用螺紋較少的菲涅爾透鏡，有助于光束集中和提高對(duì)比度，但圖像的清晰度就會(huì)受損。

　　六、發(fā)展方向

　　目前在售的所有HMD中的鏡片幾乎都是單鏡片，但限于能用于優(yōu)化的參數(shù)過(guò)少，鏡片的成像質(zhì)量很難提高，比如色散畸變這類像差，單鏡片幾乎是無(wú)法消除的。為此，多鏡片方案是未來(lái)的HMD中鏡片的發(fā)展趨勢(shì)，它除了能極大提升成像質(zhì)量以外，還可以實(shí)現(xiàn)左右鏡片分別調(diào)節(jié)屈光度，使得左右眼近視度數(shù)不同的人也能體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感。

　　當(dāng)然，由于鏡片數(shù)量的增多，設(shè)計(jì)難度會(huì)更大，但這并不是必然的，通過(guò)更優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案可增大FOV。此外，多鏡片的成本顯然會(huì)高于單鏡片，但我相信隨著光學(xué)設(shè)計(jì)方案的成熟，價(jià)格上還有很大的下降余地。另外可以預(yù)見(jiàn)的是，多組鏡片的安裝公差會(huì)更嚴(yán)格，如同軸度，變焦槽精度等等，這都會(huì)要求精度更高的模具與更細(xì)致的安裝步驟，成本也會(huì)相應(yīng)提高，因此需要投入更多的設(shè)計(jì)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)。但這一切都是為了提升用戶體驗(yàn)，必然是HMD鏡片的發(fā)展方向之一。當(dāng)然，HMD用戶體驗(yàn)的提升不僅僅是靠光學(xué)系統(tǒng)性能的提升，顯示屏制造技術(shù)、圖像處理技術(shù)的提升同樣重要。

　　七、總結(jié)

　　VR/AR有潛力成為下一個(gè)重要的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，如同PC和智能手機(jī)，新的市場(chǎng)終將形成，當(dāng)前的許多市場(chǎng)將被顛覆。而目前，用戶體驗(yàn)、技術(shù)局限、內(nèi)容和應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，以及價(jià)格是VR/AR普及的主要障礙。其中用戶體驗(yàn)是最重要的因素；目前單鏡片實(shí)現(xiàn)沉浸感的方式并沒(méi)有給用戶很好的體驗(yàn)，是由于單鏡片在光學(xué)性能的優(yōu)化上有很多局限，因此多鏡片組的方案將會(huì)是HMD鏡片發(fā)展方向之一。

　　當(dāng)前，VR/AR技術(shù)仍需要繼續(xù)完善。Oculus首席科學(xué)家邁克爾?阿布拉什(Michael Abrash)曾表示，公司仍在繼續(xù)研發(fā)觸覺(jué)、視覺(jué)顯示、音頻和追蹤等方面的技術(shù)。這意味著2016年發(fā)布的VR/AR產(chǎn)品將開(kāi)始解決上述問(wèn)題，并且在未來(lái)三、五年還會(huì)持續(xù)改善。從長(zhǎng)期角度講，VR/AR產(chǎn)品最終將變得像太陽(yáng)鏡一樣輕便。屆時(shí)，可以把多個(gè)設(shè)備整合成一款產(chǎn)品，從而取代當(dāng)前的手機(jī)和PC。