一、VR/AR定義

 

虛擬現（xiàn）實(Virtual Reality, VR)，是指采用計（jì）算機技術為核心的現代高科技（jì）手段生成一種虛擬環境，用戶借助特殊的輸（shū）入/輸出設備（bèi），與虛擬世界中的物體進行自然的交互（hù），通過（guò）視覺、聽（tīng）覺和觸覺等獲得與真實（shí）世界相同（tóng）的感受。

 

增（zēng）強現實(Augmented Reality,  AR)，是一種實時地計算（suàn）影像的位置及角度並加上相應圖像（xiàng）的技術，這種技術的目標是在屏（píng）幕上把虛擬世界套在現實世界並進行互動。

 

二、VR/AR區別

 

VR和AR有著不同的（de）應用（yòng）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讓用戶置身於一個想（xiǎng）象出來或者重新複製的虛擬世（shì）界(如（rú）遊戲、電（diàn）影或航班模擬)，亦（yì）或是模擬真（zhēn）實的世界(如觀看體育（yù）直播)，VR領域主要的硬件廠商有Oculus、索尼（ní）(PlayStation VR)、HTC(Vive)和三星(Gear VR)。AR是把數字想象世界（jiè）加在真實世界之（zhī）上，主要硬件（jiàn）廠商包括微軟(HoloLens)、穀歌(Google Glass)和Magic Leap。

 

區分VR和AR的（de）一個簡單的（de）方法是（shì）：VR需要（yào）用一個不透明的頭戴設備完成虛擬世界裏的沉浸體驗（yàn），而AR需要清晰的（de）頭戴設備看（kàn）清真實世界和重疊在上麵的信息和（hé）圖（tú）像。從目前的觀察來看，AR比較適合服務企業級用（yòng）戶，而VR同（tóng）時適用於消費者和企業用戶。有些（xiē）情況下，兩者還（hái）會出現重疊市場。例（lì）如，目前大多（duō）數遊戲基於VR研發，但微軟也用HoloLens重新創作了《我的世界（jiè）》這樣的遊（yóu）戲（xì）。

 

雖然VR和AR有著不同的應（yīng）用（yòng）空間，但（dàn）這兩（liǎng）項技術都將（jiāng）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（shì）操控，這種操控方式非常直觀，相信會給計算生（shēng）態係統帶（dài）來新的變化。

 

三、HMD 硬件組成部分

 

HMD 硬件通常包括以下組（zǔ）成部分：

 

顯示屏：大多數HMD設備都擁有（yǒu）一塊或兩塊屏（píng）幕。

 

處理器：整合式AR HMD設（shè）備通過包（bāo）含一個或多個處理單（dān）元。

 

傳感器：傳感器可以內置（zhì）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（jìng）映射，必要時也允許用戶“看透”HMD設備，一些AR HMD則采用內（nèi）部攝（shè）像頭來感知環（huán）境和周圍目標。

 

無線連接：HMD和控製器之間（jiān）應采用無線（xiàn）連接，但目前HMD和PC/遊（yóu）戲機之間的無線連接還有諸多（duō）技術（shù）故障需要克服（fú），尤其是在高分辨（biàn）率和高（gāo）刷新率情（qíng）況下。

 

存儲/電池: 首（shǒu）先，內存主要用於存儲/緩存VR/AR圖（tú）像和視頻，電池對於HMD設備同樣重要。

 

鏡片: 當（dāng）前，VR HMD設備（bèi）廣泛采用非球麵鏡片（piàn），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（de）視野。

 

本文（wén）主要介紹HMD中鏡片實（shí）現虛擬現實的原理、目前（qián）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，顯示器被分（fèn）為左右兩個部分，分別顯示左右眼看（kàn）到的圖像。由於左右眼（yǎn）分別看圖像，所（suǒ）以會有3D效果。光學鏡片為凸透鏡，將顯示圖像放大。由於通過光學係統，人眼看到的景象視角比（bǐ）較（jiào）大，可以達（dá）到100°，所以極（jí）大的增強了人們體（tǐ）驗到的臨場感。同時，姿態（tài）檢測係統會將頭部的姿態（tài）傳給電腦，電腦會根據頭（tóu）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（yī）樣，我們把這種體驗稱為沉浸式體驗（yàn）。

 

 

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（què）定空間中點的位置，如圖2所示。正常人的視力範圍比（bǐ）視野要（yào）小，因為視力範（fàn）圍是要求能迅速、清晰地（dì）看（kàn）清目標細節的範圍，隻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（wán）全相（xiàng）同的放大鏡， VR頭盔（kuī）強調的沉浸感，一方麵取決於屏幕的大小，另（lìng）一方麵取決於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（fèn）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近時，人眼可以看到放大的像。

 

 

人眼睛看到的視（shì）場角為：

 

 

當然，為了達（dá）到（dào）更（gèng）好的沉（chén）浸式效果，視場角越大越好（hǎo），但是人單眼的舒適角大約隻（zhī）有60°，在這個方位內人眼視力最敏感，超過了（le）這個（gè）範圍人會本能的轉頭。一般來（lái）說（shuō），鏡片尺寸越（yuè）大，人眼（yǎn）越不（bú）容易注意到透鏡邊緣，沉浸感越好。

 

5.2、解像力（lì）分析

 

從目（mù）前市（shì）麵上的VR設備來看，鏡片邊緣圖像的清（qīng）晰度常常被用戶詬病，這是由於鏡（jìng）片光學設計中的軸外像差所致。我們曾（céng）分析一（yī）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（dà）鏡時會發現，邊緣圖像會變模糊，其原因（yīn）在於受到軸（zhóu）外像差的影響。目前絕（jué）大多數公司的處理方法是（shì）將透鏡前後兩個麵（miàn）都做非（fēi）球（qiú）麵設計，如（rú）圖4/5所（suǒ）示，盡可能降低軸外（wài）像差，提（tí）高邊（biān）緣圖像（xiàng）的像質。

 

 

因此，像DK2等都采用了雙麵非球麵的（de）設計。當然，僅僅有優秀（xiù）的光學設計也是不夠的，製造工藝業對鏡片（piàn）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（xiàn）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（chū）現紅（hóng）綠藍的色變，也（yě）就是色（sè）散現（xiàn）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後會被分成五顏六色的光線。從光學設計的角度來（lái）說，需要（yào）兩種或更多的材料才（cái）能消除色散，原理上來說單鏡片（一種材料）是無法解決（jué）的。因此（cǐ）在圖像顯示之前，需要用軟件（jiàn）做一個相反的顏色補償，如圖6所示

 

 

但是該方法僅僅（jǐn）是在軟件層麵做了（le）修（xiū）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（xiàng）色散的處理，增加了硬件負擔降低圖（tú）像的幀率。最好的方法是采用多組材料不（bú）同的鏡片組成消色差鏡組，從光學設計上（shàng）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，這也屬於像差的一種，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成的（de）。對球麵（miàn）鏡片來說（shuō）該像差是不（bú）可避免的，如圖所（suǒ）示，並且隨著FOV的（de）增大，邊（biān）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（chóng）疊後（hòu）的效果根（gēn）本無法正常觀看。

 

但由於單鏡片能夠用來優化的參（cān）數極其有限，在滿足提高清（qīng）晰度（dù），增大FOV的（de）情況下（xià）就很難同時滿足消除畸變的目的。目前的VR頭盔（kuī）方案采用的（de）依舊是類似於消除色散的方法（fǎ），在（zài）圖像呈現在使用者（zhě）之前先做一次桶形畸（jī）變用以抵（dǐ）消鏡片（piàn）帶來的枕形畸變，從而使使用者（zhě）感受不（bú）到由於鏡片（piàn）畸（jī）變造成的不真實感。

 

 

這種方（fāng）法也有一定缺陷，由於圖像在顯示時邊緣的圖像就已經（jīng）被壓縮（suō）了。因此（cǐ）經過透鏡後雖然（rán）消除了畸變，但（dàn）空缺（quē）的信息無法恢複，會（huì）出現清（qīng）晰度下降的問題。並且因為每一幀都要經（jīng）過軟件的後處理，對硬（yìng）件性能的要求也更高。最好的方式是從光（guāng）學設計上減小畸變，從而省略該預處理步驟（zhòu）。

 

5.5、菲涅爾透鏡

 

為了HMD能更薄更輕,部分HMD使用（yòng）了菲（fēi）涅爾透鏡，HTC Vive內置菲涅爾（ěr）透鏡；Oculus Rift CV1內置混合菲涅爾透（tòu）鏡，使得透鏡更薄折射光的方式更便於人眼看清事物。

 

這款透鏡與普通透（tòu）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（jìng）意味著（zhe）你需要做出一定的犧（xī）牲；你（nǐ）可以製作出多螺紋（wén）透鏡，從而能看到更（gèng）清晰的圖像，但是光線無（wú）法聚焦在一點上，曲率也（yě）總是不正確（què）的。另外，你也可以使用螺紋較（jiào）少的菲涅爾透鏡，有助（zhù）於光束集中和提高對比度，但圖（tú）像的清晰（xī）度就會受損。

 

六、發展方向

 

目前在售的所有HMD中的鏡片（piàn）幾（jǐ）乎都是單鏡片，但限於能用於優化（huà）的參數（shù）過（guò）少，鏡片的成像質量很難提高，比如色散（sàn）畸（jī）變這類像差，單鏡片幾乎是無（wú）法消除的。為（wéi）此，多鏡片方案是未來的HMD中鏡（jìng）片的發展趨勢，它除了能極大提升成像質量以外（wài），還可以實（shí）現左（zuǒ）右鏡片分別調節屈光度，使得左（zuǒ）右眼近視度數不同的人（rén）也能體驗虛擬現實的真實感。

 

當然，由於（yú）鏡片數量的增（zēng）多，設計難度會更大，但這並不是必然的，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於單鏡片，但我相信隨著光學設（shè）計方案的成熟，價格上還有很大的（de）下降餘地。另外可以預見的是，多組鏡片的安裝公差會（huì）更嚴格，如同軸度，變焦槽（cáo）精度（dù）等等，這都（dōu）會要求精度更高的模（mó）具（jù）與更細致的安（ān）裝步驟，成本也會相應提高，因此需要投入更多的設計（jì）時間（jiān）與經費。但這一切都是（shì）為了提升用戶體驗，必然是（shì）HMD鏡片的發展方向之一。當然，HMD用戶體驗的提升不僅僅是靠光學係統性能的提升，顯示屏製造技術、圖像（xiàng）處理技（jì）術的（de）提升同樣重要。

 

七、總結

 

VR/AR有潛力成為（wéi）下一個重（chóng）要的計算機平台（tái），如同PC和智能（néng）手機，新的市場終（zhōng）將形成，當前的（de）許多市場將被（bèi）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（gé）是VR/AR普及的主要障礙。其中用戶體驗是最重要的（de）因素；目前單鏡片實現沉浸感（gǎn）的方式並（bìng）沒有給用戶很好的體驗，是由於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（yào）繼續完善（shàn）。Oculus首席科學家邁克（kè）爾?阿布拉什(Michael Abrash)曾表示（shì），公司仍在（zài）繼續研發觸覺（jiào）、視覺顯示、音頻和（hé）追蹤等方麵的技術。這意味著2016年（nián）發布的VR/AR產品將開始解決上述問題，並且在未來三、五年還會持續改善（shàn）。從長期角度講，VR/AR產品最終將（jiāng）變得像太陽鏡（jìng）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。