VR头盔产品镜片评测

2015-07-21 16:59 原创 Randy Orton

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

虚拟现实设备自从去年至今，一直是消费电子领域煊赫一时的产品，特别是在Oculus被Facebook以高大20亿美金收购后，几乎全部科技巨头均开始涉及VR领域，国内各种型的VR眼镜（头盔）公司也如雨后春笋般的进入人们视野中，这些公司中除了少数有独立显示屏外，绝大部分都以手机做为媒介，这能够更进一步下降价格，从而推进VR产品快速进入市场。值得一提的是，国内已经有公司推出了不只带有独立显示屏，还带手机模组的VR头盔，即正在淘宝众筹的星云Nebula。固然，笔者之因此会关注到星云Nebula，主要仍是由于其采用了非球面双凸型透镜及弯月型透镜双镜片的镜片组方案。

目前VR头盔的价格差距很大，从只要几美圆的谷歌Cardboard，到预计售价350美圆的Oculus消费者版本，但他们的原理基本相同，最主要的部件都包括屏幕，陀螺仪，光学镜片以及一些塑料部件。其中对用户沉浸感影响最大的部件是两对光学镜片。在各种型的智能硬件中，大部分元件都是电子元器件，不多包含光学元件。较为困难的是，评价其质量的指标不能用常见的内存大小，主频高低，内核的数量等很直观的指标来衡量。看似简单的两个圆形镜片想要达到理想的成像效果，也包含深奥的学问。

笔者曾体验过多款VR头盔，对该领域较为有兴趣，加之是光学专业科班出身，工做中常常须要设计各种型的光学系统，在研究综合目前国内外常见的几款VR头盔产品后，对VR头盔中的重要元件镜片作简单分析，并给出本身的一些看法，但愿对VR爱好者在产品时能有所借鉴。

简单来讲，VR头盔的两个镜片能够当作两个彻底相同的放大镜，以下图1光路剖面图所示，人眼处于左侧实线与光轴的焦点处，中间的为双凸镜片，右侧为屏幕，因为镜片有弯折光线的做用，人眼看到屏幕最上方x位置，而给人的感受是沿着虚线从更高的位置进入人眼的，仿佛把屏幕放大到了x’的那么大，VR头盔强调的沉浸感，一方面取决于屏幕的大小，另外一方面取决于镜片弯折光线的能力。所以，就引出了可视角（FOV）的概念，这也是广大VR厂商常常宣传的一个参数。

FOV

目前主要厂商宣称的FOV统计以下：

能够看出，大部分厂商的FOV都在100°左右，但笔者认为这个参数并无很是大的实际价值。首先，不像内存或硬盘的大小，FOV没有一个能够明确测量的方法，厂商是否会虚标用户没法肯定；第二，人在观察不处于视野中心的目标时，更倾向于转头，而不是斜眼看。引用百度一张人眼视角的示意图2可见，人眼水平最大视角甚至能够超过180度，而单眼温馨视角只有大约60度，在这个方位内人眼视力最敏感，超过了这个范围人会本能的转头。因此你们没必要太纠结于该参数的大小，而更应该关注60度中心区域内的图像的清晰程度，以及实际使用佩戴的感觉。通常来讲，镜片尺寸越大，人眼会越不容易注意到透镜边缘，沉浸感更好，用户能够较为直观的比较该参数，目前绝大多数VR头盔镜片的尺寸都在50mm左右。

清晰度

做为VR界的标杆，DK1在初期镜片边缘图像的清晰度经常被用户诟病，这正是因为光学设计中的轴外像差所致。为了精确的测试DK1镜片光学设计的质量，本人曾经委托浙大光学系的老师在专门用于测量镜片成像质量的设备，传递函数（MTF）测试仪上定量的测量过其成像质量，从分析结果上看，离开中心区域稍远一些，其成像质量就大幅降低。这就比如咱们使用质量通常的放大镜时会发现，边缘图像的会变模糊，其缘由在于受到轴外像差的影响。目前绝大多数公司的处理方法是将透镜先后两个面都作非球面设计，以下图所示，尽量下降轴外像差，提升边缘图像的像质。

目前塑料镜片的压模工艺已经很是成熟，能够压制出光学质量很是高的塑料镜片，所以像DK2等都采用了双面非球面的设计，用户能够关注VR头盔的镜片若是采用了非球面设计，在清晰度上通常会远高于非球面。固然，仅仅有优秀的光学设计也是不够的，制造工艺业对镜片质量的稳定性也有很高的影响，所以，若是VR厂商可以寻求大的代工厂为其加工镜片，也是对产品质量的保证之一。

色差

如今绝大部分的VR头盔在使用时候都会在边缘区域（边缘位置）出现红绿蓝的色边，也就是色散现象，这在使用高折射率材料时很容易出现，就像是白光在通过棱镜后会被分红五光十色的光线。在DK1中，该现象尤其明显。从光学设计的角度来讲，须要两种或更多的材料才能消除色散，所以原理上来讲单镜片（一种材料）是没法解决的，DK2为了解决该问题，在图像显示以前，先用软件作了一个相反的颜色补偿，如图4所示，基本解决了该问题。

该方法仅仅是在软件层面作了修正，但会对图像清晰度形成必定影响，并且图像上的每个像素都须要作一次反向色散的处理，增长了硬件负担，会下降图像的帧率。最好的方法是采用多组材料不一样的镜片组成消色差镜组，用光学的方法消除色边。这在镜头设计中已很是成熟，如复消色差物镜(Apochromatic objective)，可以彻底消除图像的色差。

 

畸变

畸变用通俗的话来讲就是图像扭曲变形，给人以中间凸出（桶形畸变）或是凹陷（负畸变），这也属于像差的一种，是因为入瞳（也就是人眼）处于光学系统中的先后位置不一样形成的，对球面镜片来讲，该像差是不可避免的，以下图左侧图所示，而且随着FOV的增大，边缘图像畸变会更加明显。为了解决该问题，目前常见的方法是采用非球面的设计，以下图右所示，它能够大大下降图像的畸变，并且还能大大减轻镜的重量，这也是目前高度数眼镜片再也不如瓶底那么厚的缘由。

但因为单片式的镜片可以用来优化的参数极其有限，在知足提升清晰度，增大FOV的状况下就很难同时又知足消除畸变的目的。如何折中三者之间的得失就成为了镜片设计者所要重点关注的。鉴于目前的VR头盔方案都借鉴于DK2，从它的方案可知，它采用的依旧是相似于消除色散的方法，在图像呈如今使用者以前，先作一次桶形畸变用以抵消镜片带来的枕形畸变，如图6所示，从而使使用者感觉不到因为镜片畸变形成的不真实感，通过分析DK1的SDK可知，其内部设置了4个畸变系数（k0~k3），组成一个畸变补偿方程，经过控制这四个量的大小来适配不一样畸变程度的镜片，从而达到该SDK通用不一样镜片的目的。

但这种方法也有必定缺陷，因为图像在显示中边缘的图像就已经被压缩了，所以通过透镜后虽然消除了畸变，但空缺的信息没法恢复，会出清晰度的降低问题，而且由于每一帧都要通过软件的后处理，对硬件性能的要求更高。最好的方式为镜片不要产生畸变，从而省略该预处理步骤。

 

近视调整

目前中国的近视发生率已超过33%，在高中以上的人口中更高达70%，而VR头盔的使用人群都集中在高学历人群中，他们在使用时若是不佩戴眼镜，每每看不清屏幕上的文字，更谈不上体验所谓的沉浸感了，所以会下降VR设备的普及度。

目前国内的VR头盔都声称不影响400度甚至更高的近视。对此本人是深表怀疑的，Oculus解决该问题的方法是配了3组不一样度数的镜片，从光学原理上至关于有配了三组不一样视力的眼镜片，而国内的VR头盔大都只有一组镜片，每每采用两个方法解决近视问题：一种是佩戴眼镜，而后再戴头盔，该方法较为“简单粗暴”，确实解决了近视问题，但沉浸感大大削弱，由于人眼不能凑近镜片，并且同时戴两副眼镜的方案也很是笨拙。另外一种是不戴眼镜，而是将屏幕或是手机靠近镜片，这至关于近视者凑近屏幕看屏幕上的东西，这也会下降沉浸感，由于屏幕边缘的图像至关于被移出了画面，近视者只能看见中间部分的图像，外侧的被裁掉了，该方法的另外一个缺陷是近视者更容易看到像素，出现DK1中所谓的纱窗效应，此外，若是使用者左右眼近视度数不一样，该方法也没法解决。

然而真的没有别的更好的方法了吗？笔者认为否则，其实该方法早已使用在不少单反相机中，如图7上图所示，单反的目镜边上有一个称为屈光度调节的旋钮，经过转动该旋钮，在必定范围内的近视使用者也能看清取景器里的图像，而无需佩戴眼镜。其原理如图7下图所示，取景器内部由多个独立的镜片组成，旋转旋钮至关于调节某两个镜片之间的距离，从而达到改变进入人眼中光线发散或会聚程度的做用，它能够等效于一个变焦镜头。而这类型镜头的设计方法已有近百年的历史，是至关成熟的，若是VR头盔的镜片也由一片以上的镜片构成，则通过设计也能够达到调节屈光度的效果，用户不须要佩戴眼镜便可使用。

笔者通过多年的光学设计工做，体会到一个优秀的光学设计者必须在各类限制因素中作最好的权衡，如上文所提到的FOV，清晰度，色差，畸变等，还包括材料，体积，重量，价格，公差，可加工性等等因素。而且不管再优秀的设计也不能将全部指标同时达到最优，须要针对使用场合作必定的取舍，无数次的实验，以及和软件设计者协同工做。不少时候须要设计者有丰富的经验。一款优秀的VR头盔中的镜片每每直接关系到用户体验的好坏。

笔者认为，虽然目前在售的全部VR头盔的镜片都是单镜片，但限于能用于优化的参数过少，镜片的成像质量很难提升，像色散畸变这类像差，单镜片几乎是没法消除的，为此，镜片组的方案是将来的VR头盔中镜片的发展趋势，它除了能极大提高成像质量之外，还能够实现左右镜片分别调节屈光度，使得左右眼近视度数不一样的人也能体验虚拟现实的真实感。

就在近日，微软研究越为Oculus提供设计了新的镜片，它就采用了四片两组的结构，能够大大提高图像清晰度，消除色散与畸变，以下图所示。

固然，因为镜片数量的增多，设计难度会更大，微软的设计方案的缺陷之一就是下降了FOV，但这并非必然的，经过更优秀的设计方案可增大FOV。此外，多镜片的成本显然会高于单镜片，微软的镜片价格高达200美圆，而DK2总价只有350美圆，笔者相信随着光学设计方案的成熟，价格上还有很大降低余地。另外能够预见的是，多组镜片的安装公差会更严格，如同轴度，变焦槽精度等等，这都会要求有精度更高的模具与更细致的安装步骤，成本也会相应提升，所以须要投入更多的设计时间与经费。但这一切都是为了提高用户体验，必然是VR头盔镜片的发展方向之一。

本文仅仅对VR头盔中的镜片作了简单的分析，影响一个VR产品给用户带来良好体验的技术因素还包括屏幕的分辨率，跟踪算法，佩戴温馨度以及是否拥有充足的内容支撑等等，看似简单的产品其实包含着极高的积淀，这也是Oculus沉寂了两年才刚刚发布其消费版的缘由。

目前国内的VR头盔类产品正处于爆发式发展阶段，在后手机时代被寄予了很是高的指望，毫无疑问该方向是将来消费类互联网智能硬件中的领头羊。但从技术的角度来看，国内的VR产品问题也不少，例如产品类似度较高，质量也良莠不齐。能够预见的是，随着Oculus消费版的即将上市，必然会淘汰一大批技术水平能力较低的公司，留下少数几家真正有研发实力与VR内容积累的公司。从用户的角度来讲，笔者认为你们应该理性看待目前的各种VR产品，多去实际参与体验，毕竟经过简单的文字表述很难体会到虚拟现实给人带来震撼体验。