一、VR/AR定義

 

虛擬現實(Virtual Reality, VR)，是指（zhǐ）采用計算機（jī）技術為核心的現代高（gāo）科技手段生成一種虛擬環境，用戶（hù）借助特殊（shū）的輸入/輸（shū）出設備（bèi），與虛擬世界（jiè）中的物體進行自然（rán）的交互，通過視覺、聽覺和觸覺等獲得與（yǔ）真實世界相（xiàng）同的感受。

 

增強現實(Augmented Reality,  AR)，是一（yī）種實時地計算影像的位置及角度並加上相應圖（tú）像（xiàng）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（shì）界並進（jìn）行互動。

 

二、VR/AR區別

 

VR和（hé）AR有著不同的（de）應用領域、技（jì）術和市（shì）場機會，因此區分兩者之間的不同至關重要。

 

VR讓用戶置身於（yú）一個想象出來或者重新複製的虛擬世界(如遊戲（xì）、電影或航班（bān）模擬（nǐ）)，亦或是模擬真實的世界（jiè）(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（xiàng）世界加在真實世界之上，主要硬件廠商包括微軟（ruǎn）(HoloLens)、穀歌(Google Glass)和Magic Leap。

 

區（qū）分VR和AR的一個簡單的方法（fǎ）是：VR需要用（yòng）一個不透明的頭戴設備完成虛擬（nǐ）世界裏的沉浸體驗（yàn），而AR需要清晰的頭（tóu）戴設備看清（qīng）真實世界和重疊在上麵的信息和圖像。從目前的（de）觀察來（lái）看，AR比較（jiào）適合服務企業級用戶，而VR同時適用於消費者和企（qǐ）業用戶。有些情況下，兩者還會出（chū）現重疊市場。例如，目前大多數遊戲基於VR研發，但微軟也用HoloLens重新創作了《我的世界》這樣的遊戲。

 

雖（suī）然VR和（hé）AR有著不同的應用空間，但這兩項（xiàng）技術都將推動HMD設備成（chéng）為新的計算平台。另外，VR和AR均通過頭部和手勢操控（kòng），這（zhè）種操控方式非常直觀，相信會給計算生態係統（tǒng）帶來新（xīn）的變化。

 

三、HMD 硬件組成（chéng）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（qì）：整合式AR HMD設備通過包含一個或多個處（chù）理單（dān）元。

 

傳感器：傳感器可（kě）以內置到HMD設備中，也可以作（zuò）為外設。

 

攝像頭：一些VR/AR HMD設備通過前（qián）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（hé）周（zhōu）圍目標。

 

無線連接：HMD和控製器之間應（yīng）采用無線連接，但目前（qián）HMD和PC/遊戲機之間的無線（xiàn）連接還有諸多技術（shù）故障需要克服（fú），尤其是在高分辨率和高刷新（xīn）率情況下。

 

存儲/電池: 首先，內存主要用於存儲/緩存（cún）VR/AR圖像和視（shì）頻（pín），電（diàn）池對（duì）於HMD設備同樣（yàng）重（chóng）要。

 

鏡片: 當前，VR HMD設備廣泛采用非球麵鏡片，因為它們擁有（yǒu）較短的焦距，意味著與其他鏡（jìng）片（piàn）相比擁有更高的放大（dà）率和更（gèng）廣的視野。

 

本（běn）文主（zhǔ）要介紹HMD中鏡片實現虛擬現實的原理（lǐ）、目（mù）前的局限以及今後的發展方向。

 

四、VR實現方式

 

4.1、係統原理

 

如圖1所示，顯（xiǎn）示器被分為左右兩個部分，分別（bié）顯示（shì）左右眼看（kàn）到的圖像。由於左右眼分別看圖像，所以會有3D效果。光學鏡片為凸（tū）透鏡，將顯示圖像放大。由於通（tōng）過光學係統，人（rén）眼看到的景象視角比較大，可以達到100°，所（suǒ）以（yǐ）極大的增強了人（rén）們體驗到的臨場感。同時，姿態檢測係統會將頭部的姿態傳給電腦，電（diàn）腦會根據頭部的姿態調整看到（dào）的視場角，從而使（shǐ）人（rén）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（yǎn）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（cháng）人的視力（lì）範圍比視野要（yào）小，因（yīn）為視力（lì）範圍是要求能迅（xùn）速、清晰地看（kàn）清目標細節的範圍，隻能是視野中（zhōng）的一部分。

 

 

簡單來說，VR頭盔的兩個（gè）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（yī）方麵取決（jué）於屏幕的大小，另一方麵取決於鏡片彎折光線的能力。因（yīn）此，就引出了視（shì）場角（FOV）的概念，這也是廣大VR廠商經常宣傳的一個參（cān）數。

 

五、局限分析

 

5.1、視場角分析

 

如（rú）圖3所示，將物像放在透鏡的（de）焦距附近時，人眼（yǎn）可（kě）以看到放大的像。

 

 

人眼睛看到的視（shì）場角為：

 

 

當然，為了達到更好的沉浸式（shì）效果，視（shì）場角越大越好，但是人單眼的舒（shū）適（shì）角大約隻有60°，在這個方位內人（rén）眼視力最敏（mǐn）感，超過了這（zhè）個範圍人會本（běn）能的轉頭。一般來說，鏡片（piàn）尺寸越大（dà），人眼越（yuè）不容易注意到透鏡邊緣，沉浸感越（yuè）好。

 

5.2、解像力分析

 

從目前市麵上的VR設備來看，鏡片邊緣圖像的清晰度常常被用戶詬病，這是由於鏡片光學設計中的軸外像差所致。我們曾分析一些鏡片（piàn）產品，從分析結（jié）果看，離開中心區域稍遠（yuǎn）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（dà）鏡（jìng）時會發（fā）現，邊緣圖像（xiàng）會變模糊，其原因在於受到（dào）軸外像差的影（yǐng）響。目前絕（jué）大多數公司的處理方法是（shì）將透鏡前後兩個麵都做非球麵設計，如圖4/5所示，盡可（kě）能降低軸（zhóu）外像差，提高邊緣圖像的像質。

 

 

因此，像DK2等都采用了雙麵非球麵的設（shè）計。當然，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（gāo）的影響。所以，如果VR廠商能夠尋求大的代工廠為其加（jiā）工（gōng）鏡片，也是對（duì）其產品質量的保證。

 

5.3、色（sè）散分析

 

現（xiàn）在絕大（dà）部分的VR頭盔在使用時候都會在邊緣區域（邊緣位置（zhì））出現紅綠藍的色變，也就是（shì）色散現象。這在使用高（gāo）折（shé）射率材料時很容易出現，就如白光在經過棱（léng）鏡後會被分成五（wǔ）顏六色的光線。從光學設計的（de）角度來說，需要兩種或（huò）更多的材（cái）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（qián），需要用軟件（jiàn）做一個相（xiàng）反的顏色補償，如圖6所示

 

 

但（dàn）是該（gāi）方（fāng）法僅僅是在軟件層（céng）麵做了修正會對圖（tú）像清晰度造成一定影響，而且圖像上的每一個像素都（dōu）需要做（zuò）一（yī）次反向色（sè）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（jìng）組，從光學（xué）設計上消除色變。

 

5.4、畸變分析

 

畸變（biàn）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（āo）陷（xiàn）（負（fù）畸變（biàn））感覺，這也屬（shǔ）於像差的一種，是由於入瞳（也就是（shì）人眼）處於光學係統中的前後位置不同造成的。對球麵鏡片來說該像差是不可避免的，如圖所示，並且隨著FOV的增大（dà），邊緣圖像畸變會更加明顯。如（rú）圖7所示（shì），由於畸變的存在，雙目重疊後的效果根本無法正常（cháng）觀看。

 

但由於單鏡片能夠用來優化的參數極其有限，在滿（mǎn）足提高清晰度，增大（dà）FOV的情況下就很難同時（shí）滿足消除（chú）畸（jī）變的目的。目前的（de）VR頭盔方案采用的依舊是類似於消（xiāo）除（chú）色散的方（fāng）法，在圖像呈現在使用者之前（qián）先做一次桶形畸變用以抵消鏡（jìng）片帶來的枕形畸變，從（cóng）而使使用者（zhě）感受不（bú）到由（yóu）於鏡片畸（jī）變造成的不真實感。

 

 

這種方法也有一定缺陷，由於圖像在顯示時邊緣的圖像就已經被（bèi）壓縮（suō）了。因此經過透鏡後雖然消除了（le）畸變，但空缺的信息無（wú）法恢複，會出現清晰度下降的問題（tí）。並且因（yīn）為每一幀都要經過軟件的後處理，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（tòu）鏡，HTC Vive內置菲涅爾（ěr）透鏡（jìng）；Oculus Rift CV1內置混合菲涅爾透鏡，使得透鏡更薄折（shé）射光的方式更便（biàn）於人眼看清事物。

 

這款透鏡與普（pǔ）通透鏡的曲率一致，但其一麵刻錄了大小不一的螺紋。

 

 

但使用菲涅爾透鏡意（yì）味著（zhe）你需要做出一（yī）定的犧牲（shēng）；你可以製（zhì）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（bú）正確的。另外，你也可以使用（yòng）螺紋較少的菲涅爾透鏡，有（yǒu）助於光束集中和提高對比度，但圖像的清晰度就會（huì）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，但限於能（néng）用於優化（huà）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（xiāo）除的（de）。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（tí）升成像質量以外，還可以實現左右鏡（jìng）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（zhēn）實感。

 

當然，由於（yú）鏡片數量的增多，設計難度（dù）會（huì）更大，但這並不是（shì）必（bì）然（rán）的，通（tōng）過更優（yōu）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，但我相信隨著光學設計方（fāng）案的成熟，價格上還有很大的下降餘地。另外可以預見的是（shì），多（duō）組鏡片的安裝公差會更嚴格，如同軸度，變焦槽精度等等，這（zhè）都會要求（qiú）精度更（gèng）高的模具與更細致的安裝（zhuāng）步驟，成本也會（huì）相應提高，因此需（xū）要投入更多的設計時間與經費。但這一切都是為了提（tí）升用戶體驗，必然（rán）是HMD鏡片的（de）發展方向之一。當然，HMD用戶體驗的提升不僅僅是靠光（guāng）學係統性能的提升，顯示屏製造技術（shù）、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台，如同PC和智能手機，新（xīn）的（de）市場終將形成，當前的許（xǔ）多市場將被顛覆（fù）。而目前，用戶體驗、技術局限、內容和應用的開發（fā），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並沒（méi）有給用戶很好的體驗，是由於單（dān）鏡片在光（guāng）學性能的優化上有很多局限，因此多鏡（jìng）片組的方（fāng）案將會是HMD鏡片發展方向之（zhī）一。

 

當前，VR/AR技術仍需（xū）要繼續（xù）完善（shàn）。Oculus首（shǒu）席科學家邁克（kè）爾?阿布（bù）拉什(Michael Abrash)曾表示，公司仍（réng）在（zài）繼續研發觸覺、視覺顯示、音頻和追蹤等方麵的技（jì）術。這意（yì）味著2016年發布的VR/AR產品將開始解決上述（shù）問題，並且在（zài）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（biàn）得像太陽鏡一樣輕便。屆時，可以（yǐ）把多個設（shè）備整合成一款產品（pǐn），從而取代（dài）當前的手（shǒu）機（jī）和PC。