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（shǒu）段（duàn）生成一種虛擬（nǐ）環境，用戶借助（zhù）特（tè）殊的輸入/輸（shū）出設備，與虛擬世界中的物體進（jìn）行自然的交互（hù），通過視覺、聽覺和觸覺等獲得與真實世界相同的感受。

 

增強（qiáng）現實(Augmented Reality,  AR)，是一種實（shí）時（shí）地計算影像的位置及角度並加上相應（yīng）圖像的技術，這種技術的目標是在屏（píng）幕（mù）上把虛擬世界套在現實世界（jiè）並進行互動。

 

二、VR/AR區別

 

VR和AR有著不同（tóng）的應用領域、技術和市場機會，因此區分兩者（zhě）之間的（de）不同至關重要。

 

VR讓用戶置（zhì）身於一個（gè）想象出來或者重新複製的虛（xū）擬世界(如遊戲、電（diàn）影或航班模（mó）擬)，亦或（huò）是模擬（nǐ）真實的世界(如觀看體育直（zhí）播)，VR領域主要的（de）硬件（jiàn）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（jiè）之上，主要硬件廠商（shāng）包括微軟（ruǎn）(HoloLens)、穀歌(Google Glass)和Magic Leap。

 

區（qū）分VR和AR的一個（gè）簡單的方法是：VR需要用（yòng）一（yī）個不透明的頭戴設備完成虛擬世界（jiè）裏的沉浸（jìn）體驗（yàn），而AR需（xū）要清晰的頭戴（dài）設備看（kàn）清（qīng）真實世界（jiè）和重疊在上麵的信息和圖像。從目前的觀察來看，AR比較適合服務企業級用戶（hù），而VR同時適用於消費者和（hé）企業用戶。有些情況下，兩者還會出現重疊市場。例如，目前（qián）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（xì）。

 

雖然VR和AR有（yǒu）著不同的（de）應用空間，但這兩項技術都將推動HMD設備成為新的計算平台。另外，VR和AR均通過頭部和手勢操控（kòng），這種操控方式非常直觀，相信會給（gěi）計算生（shēng）態係統帶來新的變化（huà）。

 

三、HMD 硬件組成部分

 

HMD 硬件通常包括以下組成部（bù）分：

 

顯示屏：大多數HMD設備（bèi）都（dōu）擁有一塊（kuài）或兩塊屏幕。

 

處理器：整合式AR HMD設備通過包（bāo）含一個（gè）或多個處（chù）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（wài）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（jìng）映射，必要時也（yě）允許用戶（hù）“看透”HMD設備（bèi），一些（xiē）AR HMD則采用內部攝像（xiàng）頭（tóu）來感知環境和周（zhōu）圍目標。

 

無線連接：HMD和（hé）控製（zhì）器之間應采用無線連接，但目前HMD和PC/遊戲機之間的無線連接還有諸多技術故障需（xū）要克服，尤其是（shì）在高分辨率和高刷新率情（qíng）況下。

 

存儲/電（diàn）池: 首先，內存主要用於（yú）存儲/緩存VR/AR圖像和視頻，電池對於（yú）HMD設備同樣重要（yào）。

 

鏡片: 當前，VR HMD設備廣泛采用非球麵鏡片，因為它們擁有較短（duǎn）的焦距，意味著（zhe）與其他鏡片相比擁（yōng）有更高的放（fàng）大率（lǜ）和更廣的視野（yě）。

 

本文主要介紹（shào）HMD中鏡片實現虛擬現實的（de）原理、目（mù）前（qián）的局限以及今後的發展方向。

 

四（sì）、VR實（shí）現（xiàn）方式（shì）

 

4.1、係統原（yuán）理

 

如圖1所示，顯示器被分為（wéi）左右兩（liǎng）個部分，分別顯示（shì）左右眼看到的圖像。由於左右眼分別看圖像，所以會（huì）有3D效果。光（guāng）學鏡片為凸透鏡，將顯示圖像（xiàng）放大。由於通過光學係統，人眼看（kàn）到的景象視角比較大，可（kě）以達到100°，所以極大的增（zēng）強了人們（men）體驗（yàn）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（nǎo）會根據頭部的（de）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（yǎn）視覺原理

 

眼睛通過（guò）左右眼關注到某點的直線交點（diǎn）確定空（kōng）間中點的位置（zhì），如圖2所示。正常人的視力範圍比視野要小，因為視力範圍是要求能迅速、清晰地看清目（mù）標細（xì）節的（de）範圍，隻能是視野中的一部分。

 

 

簡單來說，VR頭盔的兩（liǎng）個鏡片可以看成兩（liǎng）個完全相同的放（fàng）大鏡（jìng）， VR頭盔強調的沉浸感，一（yī）方麵取（qǔ）決於屏幕（mù）的大小，另一方麵取決於鏡（jìng）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（dà）VR廠商經常（cháng）宣傳（chuán）的一個參（cān）數。

 

五（wǔ）、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（fù）近時，人眼可以（yǐ）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隻有（yǒu）60°，在（zài）這個方位內人眼視力最敏（mǐn）感，超過了這個範圍人會本能的轉頭。一般來說，鏡片尺寸越大，人眼越（yuè）不容（róng）易注意到透鏡邊緣，沉浸感越好。

 

5.2、解像力分析

 

從目前（qián）市麵上的VR設備來看，鏡片邊（biān）緣圖（tú）像的（de）清晰度常常被用戶詬病，這是由於鏡片光學設計（jì）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（chéng）像質量大幅下降（jiàng）。就好（hǎo）比我們使用質量一般的放大鏡（jìng）時會發現，邊緣圖像會變模糊，其原因在於受到軸外像差的影響。目前絕大多（duō）數公司的處理方法是將（jiāng）透鏡前後兩個（gè）麵都做非球麵設計（jì），如圖4/5所示，盡可能降低軸（zhóu）外像差，提（tí）高邊緣圖像的像質。

 

 

因此，像DK2等都采用了雙麵非球麵的設計。當然，僅僅有優秀的光學（xué）設計也是（shì）不夠的，製造工藝業對鏡片質量的穩定性也有很高的影響。所以，如（rú）果VR廠商能夠（gòu）尋求大的代工廠為其加工（gōng）鏡片，也是（shì）對其產品質量的保證。

 

5.3、色散（sàn）分析（xī）

 

現在絕大部分的（de）VR頭盔在（zài）使用（yòng）時候都會在邊緣區域（邊緣位置）出現紅綠（lǜ）藍的色變，也就是色散現象。這在使用高折射（shè）率材料時很容易出現，就如白光在經過棱鏡後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（liào）才能消除色散，原理上來說單鏡（jìng）片（一種材料）是無（wú）法解決的。因此在圖像（xiàng）顯示之前，需要用軟件做一個相（xiàng）反的顏色補償，如圖6所示

 

 

但是該方法僅僅是在軟件（jiàn）層麵做了修正會對圖像清晰度（dù）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（yìng）件負擔降低圖像的幀（zhēn）率。最好（hǎo）的方法是采用多組材料不同的鏡片組成消（xiāo）色差（chà）鏡組，從光學設計上消（xiāo）除色變（biàn）。

 

5.4、畸變分析

 

畸變（biàn）用通（tōng）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，這也屬於像差的一（yī）種，是由於入瞳（也就是人眼）處於光學係統中的前後位置不同造（zào）成的。對球麵鏡片來說該像差是不（bú）可避免的（de），如圖所示（shì），並且隨（suí）著FOV的增大，邊緣圖像畸變會更加明顯。如圖7所示，由於畸變的存在，雙目重疊後的效果根本（běn）無法正常觀看。

 

但由於單鏡片能夠（gòu）用來優化的參數極其有限，在滿足提高清晰度（dù），增大FOV的情況（kuàng）下就很難同時滿足消除（chú）畸變（biàn）的目的。目前的VR頭盔方案采用的依舊是（shì）類似於消除色散的方法，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（dài）來的枕形畸變，從而使使用者感受不到由於（yú）鏡片畸變造（zào）成的不真實感。

 

 

這種方法也有（yǒu）一定缺陷，由於圖像在顯示時邊緣的圖像就（jiù）已經被壓縮了。因（yīn）此（cǐ）經過（guò）透鏡後雖然消除了畸變，但空缺的信息無法恢複，會出現（xiàn）清晰度下降的問題。並且因為每一（yī）幀（zhēn）都要經過軟件的後處理，對硬件性能的要求也（yě）更高。最好的方式是從光（guāng）學設計上減小畸變，從而省略該預處理（lǐ）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（shé）射光的方（fāng）式更便於人眼看清事物。

 

這款透鏡與普通（tōng）透鏡的曲率一致，但其（qí）一麵刻錄了（le）大（dà）小不一的（de）螺紋。

 

 

但使用（yòng）菲涅爾透鏡意味著你需要做出一定（dìng）的犧牲；你可以製作出多螺紋透鏡，從而能看到更清晰（xī）的（de）圖像，但是光（guāng）線無法聚焦在一點（diǎn）上，曲率也總是不正確的。另外，你也可（kě）以使用螺紋較少的菲涅（niè）爾透鏡，有助於光束集中和提高對比度，但（dàn）圖（tú）像的清晰度（dù）就會受損。

 

六、發展方向

 

目（mù）前在（zài）售的所有HMD中的鏡片幾（jǐ）乎都是單鏡片，但限（xiàn）於能（néng）用於優化的參數（shù）過少，鏡片（piàn）的（de）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（shì），它除（chú）了能極大提升成像質量以外，還可以實現左右鏡片分（fèn）別調節屈光度，使（shǐ）得左右眼近視度數（shù）不同的人也（yě）能體驗虛擬現實的真實感（gǎn）。

 

當然，由於鏡片數量的增多，設計難度會更大，但這並（bìng）不是必然的，通過更（gèng）優秀的設計方案可增大FOV。此外，多（duō）鏡片的成本顯然會高於（yú）單鏡（jìng）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餘地。另外可以（yǐ）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（jīng）度等等（děng），這都會要（yào）求精度（dù）更高的模具與更細致的安裝步驟（zhòu），成本也會相（xiàng）應提高，因此需（xū）要（yào）投入更多的設計時（shí）間（jiān）與經費。但這一切都是為了（le）提升用戶（hù）體驗，必然是（shì）HMD鏡片的發展方向之一。當然，HMD用戶體驗的提（tí）升不僅僅是靠光學係（xì）統性能的提升（shēng），顯示屏製造技術、圖像處理技術的提升同樣（yàng）重要（yào）。

 

七、總（zǒng）結

 

VR/AR有潛力成（chéng）為下一個重要的計算機平台（tái），如同（tóng）PC和智能手機，新的市場終將（jiāng）形成，當（dāng）前的許多市場將被顛覆。而目前（qián），用戶體驗、技術（shù）局限、內容和應用的開發，以及價格是VR/AR普及的主要（yào）障（zhàng）礙（ài）。其中用（yòng）戶體驗是（shì）最重要的因素；目前單鏡片實現沉浸感的（de）方式並沒有給用戶很好（hǎo）的體（tǐ）驗，是由於單鏡片在光學性能的優化（huà）上（shàng）有很（hěn）多局限，因此多鏡（jìng）片組的方案將會是HMD鏡片發展方向（xiàng）之一。

 

當前，VR/AR技術仍需要繼續完善。Oculus首席（xí）科學家邁（mài）克爾?阿布拉什（shí）(Michael Abrash)曾表（biǎo）示，公司仍在繼續研發觸覺、視覺顯示、音頻和追蹤等方麵的技（jì）術（shù）。這意味著2016年發布的VR/AR產品將（jiāng）開始解決上述問題，並且在未來三、五年還（hái）會持續（xù）改善。從長期角度講，VR/AR產品最終（zhōng）將變（biàn）得像（xiàng）太（tài）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。