VR/AR鏡片的區別與實現方式

　　一、VR/AR定義

　　虛擬現實(Virtual Reality, VR)，是指采用計算機技術為核心的現代高科技手段生成一種虛擬環境，用戶借助特殊的輸入/輸出設備，與虛擬世界中的物體進行自然的交互，通過視覺、聽覺和觸覺等獲得與真實世界相同的感受。

　　增強現實(Augmented Reality,  AR)，是一種實時地計算影像的位置及角度并加上相應圖像的技術，這種技術的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現實世界并進行互動。

　　二、VR/AR區別

　　VR和AR有著不同的應用領域、技術和市場機會，因此區分兩者之間的不同至關重要。

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

　　區分VR和AR的一個簡單的方法是：VR需要用一個不透明的頭戴設備完成虛擬世界里的沉浸體驗，而AR需要清晰的頭戴設備看清真實世界和重疊在上面的信息和圖像。從目前的觀察來看，AR比較適合服務企業級用戶，而VR同時適用于消費者和企業用戶。有些情況下，兩者還會出現重疊市場。例如，目前大多數游戲基于VR研發，但微軟也用HoloLens重新創作了《我的世界》這樣的游戲。

　　雖然VR和AR有著不同的應用空間，但這兩項技術都將推動HMD設備成為新的計算平臺。另外，VR和AR均通過頭部和手勢操控，這種操控方式非常直觀，相信會給計算生態系統帶來新的變化。

　　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HMD設備都擁有一塊或兩塊屏幕。

　　處理器：整合式AR HMD設備通過包含一個或多個處理單元。

　　傳感器：傳感器可以內置到HMD設備中，也可以作為外設。

　　攝像頭：一些VR/AR HMD設備通過前置攝像頭進行拍照、位置追蹤和環境映射，必要時也允許用戶“看透”HMD設備，一些AR HMD則采用內部攝像頭來感知環境和周圍目標。

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

　　存儲/電池: 首先，內存主要用于存儲/緩存VR/AR圖像和視頻，電池對于HMD設備同樣重要。

　　鏡片: 當前，VR HMD設備廣泛采用非球面鏡片，因為它們擁有較短的焦距，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中鏡片實現虛擬現實的原理、目前的局限以及今后的發展方向。

　　四、VR實現方式

　　4.1、系統原理

　　如圖1所示，顯示器被分為左右兩個部分，分別顯示左右眼看到的圖像。由于左右眼分別看圖像，所以會有3D效果。光學鏡片為凸透鏡，將顯示圖像放大。由于通過光學系統，人眼看到的景象視角比較大，可以達到100°，所以極大的增強了人們體驗到的臨場感。同時，姿態檢測系統會將頭部的姿態傳給電腦，電腦會根據頭部的姿態調整看到的視場角，從而使人仿佛在現實中觀看一樣，我們把這種體驗稱為沉浸式體驗。

　　4.2、人眼視覺原理

　　眼睛通過左右眼關注到某點的直線交點確定空間中點的位置，如圖2所示。正常人的視力范圍比視野要小，因為視力范圍是要求能迅速、清晰地看清目標細節的范圍，只能是視野中的一部分。

　　簡單來說，VR頭盔的兩個鏡片可以看成兩個完全相同的放大鏡， VR頭盔強調的沉浸感，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，就引出了視場角（FOV）的概念，這也是廣大VR廠商經常宣傳的一個參數。

　    五、局限分析

　　5.1、視場角分析

　　如圖3所示，將物像放在透鏡的焦距附近時，人眼可以看到放大的像。

　　人眼睛看到的視場角為：

　　當然，為了達到更好的沉浸式效果，視場角越大越好，但是人單眼的舒適角大約只有60°，在這個方位內人眼視力最敏感，超過了這個范圍人會本能的轉頭。一般來說，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設備來看，鏡片邊緣圖像的清晰度常常被用戶詬病，這是由于鏡片光學設計中的軸外像差所致。我們曾分析一些鏡片產品，從分析結果看，離開中心區域稍遠一些，其成像質量大幅下降。就好比我們使用質量一般的放大鏡時會發現，邊緣圖像會變模糊，其原因在于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前后兩個面都做非球面設計，如圖4/5所示，盡可能降低軸外像差，提高邊緣圖像的像質。

　　因此，像DK2等都采用了雙面非球面的設計。當然，僅僅有優秀的光學設計也是不夠的，制造工藝業對鏡片質量的穩定性也有很高的影響。所以，如果VR廠商能夠尋求大的代工廠為其加工鏡片，也是對其產品質量的保證。

　　5.3、色散分析

　　現在絕大部分的VR頭盔在使用時候都會在邊緣區域（邊緣位置）出現紅綠藍的色變，也就是色散現象。這在使用高折射率材料時很容易出現，就如白光在經過棱鏡后會被分成五顏六色的光線。從光學設計的角度來說，需要兩種或更多的材料才能消除色散，原理上來說單鏡片（一種材料）是無法解決的。因此在圖像顯示之前，需要用軟件做一個相反的顏色補償，如圖6所示

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

　　5.4、畸變分析

　　畸變用通俗的話來說就是圖像扭曲變形，給人以中間凸出（桶形畸變）或是凹陷（負畸變）感覺，這也屬于像差的一種，是由于入瞳（也就是人眼）處于光學系統中的前后位置不同造成的。對球面鏡片來說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法正常觀看。

　　但由于單鏡片能夠用來優化的參數極其有限，在滿足提高清晰度，增大FOV的情況下就很難同時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，在圖像呈現在使用者之前先做一次桶形畸變用以抵消鏡片帶來的枕形畸變，從而使使用者感受不到由于鏡片畸變造成的不真實感。

　　這種方法也有一定缺陷，由于圖像在顯示時邊緣的圖像就已經被壓縮了。因此經過透鏡后雖然消除了畸變，但空缺的信息無法恢復，會出現清晰度下降的問題。并且因為每一幀都要經過軟件的后處理，對硬件性能的要求也更高。最好的方式是從光學設計上減小畸變，從而省略該預處理步驟。

　　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內置菲涅爾透鏡；Oculus Rift CV1內置混合菲涅爾透鏡，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，但是光線無法聚焦在一點上，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比度，但圖像的清晰度就會受損。

　　六、發展方向

　　目前在售的所有HMD中的鏡片幾乎都是單鏡片，但限于能用于優化的參數過少，鏡片的成像質量很難提高，比如色散畸變這類像差，單鏡片幾乎是無法消除的。為此，多鏡片方案是未來的HMD中鏡片的發展趨勢，它除了能極大提升成像質量以外，還可以實現左右鏡片分別調節屈光度，使得左右眼近視度數不同的人也能體驗虛擬現實的真實感。

　　當然，由于鏡片數量的增多，設計難度會更大，但這并不是必然的，通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于單鏡片，但我相信隨著光學設計方案的成熟，價格上還有很大的下降余地。另外可以預見的是，多組鏡片的安裝公差會更嚴格，如同軸度，變焦槽精度等等，這都會要求精度更高的模具與更細致的安裝步驟，成本也會相應提高，因此需要投入更多的設計時間與經費。但這一切都是為了提升用戶體驗，必然是HMD鏡片的發展方向之一。當然，HMD用戶體驗的提升不僅僅是靠光學系統性能的提升，顯示屏制造技術、圖像處理技術的提升同樣重要。

　　七、總結

　　VR/AR有潛力成為下一個重要的計算機平臺，如同PC和智能手機，新的市場終將形成，當前的許多市場將被顛覆。而目前，用戶體驗、技術局限、內容和應用的開發，以及價格是VR/AR普及的主要障礙。其中用戶體驗是最重要的因素；目前單鏡片實現沉浸感的方式并沒有給用戶很好的體驗，是由于單鏡片在光學性能的優化上有很多局限，因此多鏡片組的方案將會是HMD鏡片發展方向之一。

　　當前，VR/AR技術仍需要繼續完善。Oculus首席科學家邁克爾?阿布拉什(Michael Abrash)曾表示，公司仍在繼續研發觸覺、視覺顯示、音頻和追蹤等方面的技術。這意味著2016年發布的VR/AR產品將開始解決上述問題，并且在未來三、五年還會持續改善。從長期角度講，VR/AR產品最終將變得像太陽鏡一樣輕便。屆時，可以把多個設備整合成一款產品，從而取代當前的手機和PC。