字节跳动投资了阿里前女员工
06-17
虚拟现实设备自去年以来一直是消费电子领域的热门产品。
尤其是Oculus被Facebook以20亿美元巨资收购后，几乎所有科技巨头都开始涉足VR领域。
国内企业各类VR眼镜（头盔）企业也如雨后春笋般进入人们的视野。
这些公司除了少数拥有独立显示器外，大部分都采用手机作为媒介，这可以进一步降低价格，促进VR产品的快速发展。
进入市场。
值得一提的是，国内已经有一家公司推出了一款不仅有独立显示屏还带有手机模块的VR头盔，那就是星云，正在淘宝众筹。
当然，我之所以关注Nebula，主要是因为它采用了非球面双凸透镜和弯月透镜的镜头组方案。
目前，VR头显的价格差别很大，从仅售几美元的Google Cardboard到预计售价1美元的Oculus消费者版，但它们的原理基本相同。
主要部件包括屏幕、陀螺仪、光学镜头和一些塑料件。
其中，对用户沉浸感影响最大的组件是两对光学镜头。
在各类智能硬件中，大部分部件都是电子部件，光学部件很少。
更难的是，评价其好坏的指标无法用内存大小、主频、核心数等常见的直观指标来衡量。
看似简单的两颗圆形镜头，要想达到理想的成像效果，也涉及到深厚的学问。
笔者体验过很多款VR头盔，对这个领域比较感兴趣。
另外，作为一名光学专业人士，我在工作中经常需要设计各类光学系统。
在研究综合了国内外几种常见的VR头盔产品后，我有了这个想法。
我简单分析了VR头盔的重要部件——镜头，并给出了一些自己的见解，希望VR爱好者在设计产品时能够借鉴。
简单来说，VR头盔的两个镜片可以看做是两个一模一样的放大镜。
如下图一光路剖面所示，人眼位于左侧实线与光轴的焦点处，中间的是双凸透镜。
右侧是屏幕。
由于镜头具有弯曲光线的功能，人眼看到屏幕上方的x位置，给人的感觉是沿着虚线从较高的位置进入人眼，就好像屏幕被放大了一样到x'这么大，VR头盔所强调的沉浸感一方面取决于屏幕的大小，另一方面取决于镜片弯曲光线的能力。
因此引入了视角（FOV）的概念，这也是VR厂商经常宣传的一个参数。
FOV 目前各大厂商声称的FOV统计如下： 可以看出，大部分厂商的FOV都在°左右，但笔者认为这个参数并没有很大的实用价值。
首先，与内存或硬盘的大小不同，FOV没有明确的测量方法，用户无法确定厂商是否会虚假标注；其次，当人们观察不在视野中心的目标时，他们更有可能转头而不是斜视。
引用百度的人眼可视角度示意图2可以看出，人眼的最大水平可视角度甚至可以超过10度，而单眼的舒适可视角度只有60度左右。
在这个方向上，人眼的视觉最为敏感。
超出这个范围，人们会本能地转身。
头。
因此，大家不需要太迷恋这个参数的大小，而应该更加关注60度中心区域的图像清晰度以及实际的佩戴体验。
一般来说，镜头尺寸越大，人眼越不容易注意到镜头边缘，沉浸感越好。
用户可以更直观地比较这个参数。
目前，大多数VR头盔镜片的尺寸在50mm左右。
清晰度 作为VR行业的标杆，DK1镜头边缘图像的清晰度在早期经常被用户诟病。
这是由于光学设计中的离轴像差造成的。
为了准确测试DK1镜头的光学设计质量，我曾委托浙江大学光学系的老师在专门用于测量成像的传递函数（MTF）测试仪上定量测量其成像质量。
镜片的质量。
从分析结果可以看出，当距离中心区域稍远时，图像质量明显下降。
这就像当我们使用质量一般的放大镜时，我们会发现边缘图像会变得模糊。
原因是它受到离轴像差的影响。
目前大多数公司的处理方法是在镜头的前后表面都设计非球面，如下图所示，以尽可能减少轴外像差，提高边缘图像的图像质量。
目前，塑料镜片的成型工艺已经非常成熟，可以生产出光学质量非常高的塑料镜片。
因此，DK2等均采用双面非球面设计。
用户可以关注VR头盔的镜片是否采用非球面设计。
清晰度一般比非球面高很多。
当然，仅有出色的光学设计还不够。
制造工艺行业对镜片质量的稳定性也有很大影响。
因此，VR厂商如果能够寻求大型代工厂为其加工镜头，也是对产品品质的一个保证。
一。
色差：大多数VR头盔使用时，边缘区域（边缘位置）会出现红、绿、蓝三色边缘，这就是色散现象。
当使用高折射率材料时，很容易出现这种情况，就像白光经过一样。
经过三棱镜后，会被分成七彩光芒。
在DK1中，这种现象尤为明显。
从光学设计的角度来看，需要两种或多种材料来消除色散，因此原则上单一透镜（一种材料）无法解决问题。
为了解决这个问题，DK2在显示图像之前使用了软件。
做了相反的颜色补偿，如图4所示，基本解决了问题。
该方法仅在软件层面进行校正，但会对图像清晰度造成一定的影响，并且图像上的每个像素都需要进行逆色散处理，增加了硬件的负担，降低了图像的帧率。
最好的办法是采用多组不同材质的镜片组成消色差镜片组，用光学方法消除色边。
这在镜头设计上已经非常成熟，比如复消色差物镜，可以完全消除图像中的色差。
畸变通俗地说，畸变就是图像的扭曲，给人一种中间凸起（桶形畸变）或者凹陷（负畸变）的感觉。
这也是像差的一种，是由于入瞳（即人眼）在光学系统中前后位置不同造成的。
对于球面镜头来说，这种像差是不可避免的，如下图左侧所示，并且随着FOV的增大，边缘图像畸变会变得更加明显。
为了解决这个问题，目前常见的方法是采用非球面设计，如下图右侧所示，这样可以大大减少图像的畸变，同时也可以大大减轻镜头的重量。
这就是为什么现在的高清眼镜镜片已经不如瓶子的原因了。
底部这么厚的原因。
然而，由于单片镜头可优化的参数极其有限，因此很难达到消除畸变同时提高清晰度和增加FOV的目的。
如何权衡三者之间的得失，成为镜头设计者重点关注的问题。
鉴于目前的VR头盔解决方案均借鉴于DK2，从其解决方案可以看出，其仍然采用了类似消除色散的方法。
在将图像呈现给用户之前，首先进行桶形畸变以抵消镜头造成的畸变。
枕形畸变如图6所示，可以防止用户感受到镜头畸变带来的不真实感。
分析DK1的SDK可以看出，内部设置了4个畸变系数（k0~k3），形成畸变补偿方程，控制这四个量的大小，以适应不同畸变程度的镜头，从而实现SDK的目的是针对不同的镜头通用。
然而，这种方法也存在一定的缺陷。
由于图像边缘的图像在显示过程中已经被压缩，虽然经过镜头后失真消除了，但空缺的信息无法恢复，导致清晰度下降，而且由于每一帧都是经过后期处理的通过软件实现，对硬件性能要求较高。
最好的方法是避免镜头变形，从而省略这个预处理步骤。
近视调节：目前我国近视发生率已超过33%，高中以上人群近视发生率高达70%。
VR头盔的用户集中在高学历人群。
如果他们在使用时不戴眼镜，他们通常会看不到东西。
无法清晰地理解屏幕上的文字，更谈不上体验所谓的沉浸感，因此会降低VR设备的普及率。
目前国产VR头盔都声称不会影响近视甚至高度近视。
我对此深表怀疑。
Oculus解决这个问题的方法是配备三组不同倍率的镜片。
从光学原理上来说，相当于拥有三组不同视力的眼镜镜片。
然而，大多数国产VR头盔都只有一个。
在设置镜片时，常采用两种方法来解决近视问题：一是先戴眼镜，再戴头盔。
这种方法比较“简单粗暴”，确实解决了近视问题，但由于人眼无法靠近镜头，沉浸感大大削弱。
而且同时佩戴两副眼镜的解决方案也非常笨拙。
另一种是不戴眼镜，而是将屏幕或手机靠近镜片。
这相当于一个近视的人靠近屏幕看屏幕上的内容。
这也会降低沉浸感，因为屏幕边缘的图像相当于被移出了屏幕。
近视的人只能看到图像的中间部分，外部部分被裁剪掉。
这种方法的另一个缺陷是近视的人更容易看到像素，从而导致DK1中出现所谓的纱门效应。
另外，如果用户的左右眼近视程度不同，该方法也无法解决。
但真的就没有其他更好的办法了吗？笔者却不这么认为。
事实上，这种方法已经在很多单反相机中得到应用。
如图7上图所示，在单反的目镜侧面有一个称为屈光度调节的旋钮。
通过转动旋钮，一定范围内的近视用户可以调节屈光度调节旋钮。
无需戴眼镜也能清晰地看到取景器中的图像。
原理如下图7所示，取景器内部由多个独立的镜头组成。
旋转旋钮相当于调节两个镜片之间的距离，从而改变进入人眼的光线的发散或会聚程度。
它可以相当于变焦镜头。
这类镜头的设计方法已有近一百年的历史，相当成熟。
如果VR头盔的镜片由多个镜片组成，还可以设计成可调节屈光度，用户无需佩戴眼镜。
使用。
经过多年的光学设计工作，作者认识到，一个优秀的光学设计师必须在上述各种限制因素，如FOV、清晰度、色差、畸变等以及材料之间做出最佳的权衡。
和体积。
、重量、价格、公差、加工性能等因素。
而且无论设计多么优秀，也不可能同时优化所有指标。
它需要根据使用场景、无数次的实验以及与软件设计人员的协作进行一定的权衡。
很多时候设计师需要有丰富的经验。
一款优秀的VR头盔中的镜片往往直接关系到用户体验的质量。
笔者认为，虽然目前在售的VR头盔的镜头均为单镜头，但可用于优化的参数太少。
镜头的成像质量很难提高。
色散畸变等像差几乎不可能用单个镜头来解决。
因此，镜头组方案是未来VR头盔镜头的发展趋势。
除了大大提高成像质量外，它还可以分别调节左右镜片的屈光度，让左右眼不同近视度数的人也能体验到虚拟现实的真实感。
就在最近，微软研究院为 Oculus 设计了一款新镜头。
它采用两组四片的结构，可以大大提高图像清晰度，消除色散和畸变，如下图所示。
当然，随着镜头数量的增加，设计的难度也会加大。
微软设计解决方案的缺陷之一是视场角减小，但这并非不可避免。
可以通过更好的设计解决方案来增加视场。
另外，多个镜头的成本显然会高于单个镜头。
微软的镜头售价高达美元，而DK2的总价仅为美元。
相信随着光学设计的成熟，价格还有很大的下降空间。
此外，可以预见的是，多组镜头的安装公差将会更加严格，如同轴度、变焦槽精度等，这将需要更高精度的模具和更详细的安装步骤，成本也会相应增加。
需要投入更多的设计时间和资金。
但这一切都是为了提高用户体验，想必也是VR头盔镜头的发展方向之一。
本文仅简单分析VR头盔中的镜片。
影响VR产品能否给用户带来良好体验的技术因素还包括屏幕分辨率、追踪算法、佩戴舒适度以及是否有足够的内容支持等。
看似简单的产品实际上蕴藏着很多体验，这就是为什么沉寂两年后，Oculus 刚刚发布了其消费者版本。
目前，国内VR头盔产品正处于爆发式发展阶段，后手机时代被寄予了非常高的期望。
毫无疑问，这个方向将是未来消费互联网智能硬件的主导方向。
但从技术角度来看，国产VR产品也存在产品相似度高、质量参差不齐等诸多问题。
可以预见的是，随着Oculus消费版的即将推出，一大批技术能力较低的公司将不可避免地被淘汰，只剩下少数有真正研发能力和VR内容积累的公司。
从用户的角度来看，笔者认为大家应该理性看待当前的各种VR产品，并参与实际体验。
毕竟，虚拟现实给人们带来的震撼体验很难通过简单的文字表达来体会。
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