虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備自從去年至今，一直是消費(fèi)電子領(lǐng)域炙手可熱的產(chǎn)品，特別是在Oculus被facebook以高大20億美金收購后，幾乎所有科技巨頭均開始涉及VR領(lǐng)域，國內(nèi)各類型的VR眼鏡（頭盔）公司也如雨后春筍般的進(jìn)入人們視野中，這些公司中除了少數(shù)有獨(dú)立顯示屏外，絕大部分都以手機(jī)作為媒介，這可以更進(jìn)一步降低價(jià)格，從而推動(dòng)VR產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)。值得一提的是，國內(nèi)已經(jīng)有公司推出了不僅帶有獨(dú)立顯示屏，還帶手機(jī)模組的VR頭盔，即正在淘寶眾籌的星云Nebula。當(dāng)然，筆者之所以會(huì)關(guān)注到星云Nebula，主要還是因?yàn)槠洳捎昧朔乔蛎骐p凸型透鏡及彎月型透鏡雙鏡片的鏡片組方案。

目前VR頭盔的價(jià)格差距很大，從只要幾美元的谷歌Cardboard，到預(yù)計(jì)售價(jià)350美元的Oculus消費(fèi)者版本，但他們的原理基本相同，最主要的部件都包括屏幕，陀螺儀，光學(xué)鏡片以及一些塑料部件。其中對(duì)用戶沉浸感影響最大的部件是兩對(duì)光學(xué)鏡片。在各類型的智能硬件中，大部分元件都是電子元器件，很少包含光學(xué)元件。較為困難的是，評(píng)價(jià)其質(zhì)量的指標(biāo)不能用常見的內(nèi)存大小，主頻高低，內(nèi)核的數(shù)量等很直觀的指標(biāo)來衡量?？此坪?jiǎn)單的兩個(gè)圓形鏡片想要達(dá)到理想的成像效果，也包含深?yuàn)W的學(xué)問。

筆者曾體驗(yàn)過多款VR頭盔，對(duì)該領(lǐng)域較為有興趣，加之是光學(xué)專業(yè)科班出身，工作中經(jīng)常需要設(shè)計(jì)各類型的光學(xué)系統(tǒng)，在研究綜合目前國內(nèi)外常見的幾款VR頭盔產(chǎn)品后，對(duì)VR頭盔中的重要元件鏡片做簡(jiǎn)單分析，并給出自己的一些見解，希望對(duì)VR愛好者在產(chǎn)品時(shí)能有所借鑒。

簡(jiǎn)單來說，VR頭盔的兩個(gè)鏡片可以看成兩個(gè)完全相同的放大鏡，如下圖1光路剖面圖所示，人眼處于左側(cè)實(shí)線與光軸的焦點(diǎn)處，中間的為雙凸鏡片，右側(cè)為屏幕，由于鏡片有彎折光線的作用，人眼看到屏幕最上方x位置，而給人的感覺是沿著虛線從更高的位置進(jìn)入人眼的，仿佛把屏幕放大到了x’的那么大，VR頭盔強(qiáng)調(diào)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，就引出了可視角（FOV）的概念，這也是廣大VR廠商經(jīng)常宣傳的一個(gè)參數(shù)。

FOV

目前主要廠商宣稱的FOV統(tǒng)計(jì)如下：

可以看出，大部分廠商的FOV都在100°左右，但筆者認(rèn)為這個(gè)參數(shù)并沒有非常大的實(shí)際價(jià)值。首先，不像內(nèi)存或硬盤的大小，F(xiàn)OV沒有一個(gè)可以明確測(cè)量的方法，廠商是否會(huì)虛標(biāo)用戶無法確定；第二，人在觀察不處于視野中心的目標(biāo)時(shí)，更傾向于轉(zhuǎn)頭，而不是斜眼看。引用百度一張人眼視角的示意圖2可見，人眼水平最大視角甚至可以超過180度，而單眼舒適視角只有大約60度，在這個(gè)方位內(nèi)人眼視力最敏感，超過了這個(gè)范圍人會(huì)本能的轉(zhuǎn)頭。所以大家不必太糾結(jié)于該參數(shù)的大小，而更應(yīng)該關(guān)注60度中心區(qū)域內(nèi)的圖像的清晰程度，以及實(shí)際使用佩戴的感受。一般來說，鏡片尺寸越大，人眼會(huì)越不容易注意到透鏡邊緣，沉浸感更好，用戶可以較為直觀的比較該參數(shù)，目前絕大多數(shù)VR頭盔鏡片的尺寸都在50mm左右。

清晰度

作為VR界的標(biāo)桿，DK1在初期鏡片邊緣圖像的清晰度常常被用戶詬病，這正是由于光學(xué)設(shè)計(jì)中的軸外像差所致。為了精確的測(cè)試DK1鏡片光學(xué)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，本人曾經(jīng)委托浙大光學(xué)系的老師在專門用于測(cè)量鏡片成像質(zhì)量的設(shè)備，傳遞函數(shù)（MTF）測(cè)試儀上定量的測(cè)量過其成像質(zhì)量，從分析結(jié)果上看，離開中心區(qū)域稍遠(yuǎn)一些，其成像質(zhì)量就大幅下降。這就好比我們使用質(zhì)量一般的放大鏡時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，邊緣圖像的會(huì)變模糊，其原因在于受到軸外像差的影響。目前絕大多數(shù)公司的處理方法是將透鏡前后兩個(gè)面都做非球面設(shè)計(jì)，如下圖所示，盡可能降低軸外像差，提高邊緣圖像的像質(zhì)。

目前塑料鏡片的壓模工藝已經(jīng)非常成熟，可以壓制出光學(xué)質(zhì)量非常高的塑料鏡片，因此像DK2等都采用了雙面非球面的設(shè)計(jì)，用戶可以關(guān)注VR頭盔的鏡片如果采用了非球面設(shè)計(jì)，在清晰度上一般會(huì)遠(yuǎn)高于非球面。當(dāng)然，僅僅有優(yōu)秀的光學(xué)設(shè)計(jì)也是不夠的，制造工藝業(yè)對(duì)鏡片質(zhì)量的穩(wěn)定性也有很高的影響，因此，如果VR廠商能夠?qū)で蟠蟮拇S為其加工鏡片，也是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的保證之一。

色差

現(xiàn)在絕大部分的VR頭盔在使用時(shí)候都會(huì)在邊緣區(qū)域（邊緣位置）出現(xiàn)紅綠藍(lán)的色邊，也就是色散現(xiàn)象，這在使用高折射率材料時(shí)很容易出現(xiàn)，就像是白光在經(jīng)過棱鏡后會(huì)被分成五顏六色的光線。在DK1中，該現(xiàn)象尤為明顯。從光學(xué)設(shè)計(jì)的角度來說，需要兩種或更多的材料才能消除色散，因此原理上來說單鏡片（一種材料）是無法解決的，DK2為了解決該問題，在圖像顯示之前，先用軟件做了一個(gè)相反的顏色補(bǔ)償，如圖4所示，基本解決了該問題。

該方法僅僅是在軟件層面做了修正，但會(huì)對(duì)圖像清晰度造成一定影響，而且圖像上的每一個(gè)像素都需要做一次反向色散的處理，增加了硬件負(fù)擔(dān)，會(huì)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，用光學(xué)的方法消除色邊。這在鏡頭設(shè)計(jì)中已非常成熟，如復(fù)消色差物鏡(Apochromatic objective)，能夠完全消除圖像的色差。

 

畸變

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(fù)畸變），這也屬于像差的一種，是由于入瞳（也就是人眼）處于光學(xué)系統(tǒng)中的前后位置不同造成的，對(duì)球面鏡片來說，該像差是不可避免的，如下圖左側(cè)圖所示，并且隨著FOV的增大，邊緣圖像畸變會(huì)更加明顯。為了解決該問題，目前常見的方法是采用非球面的設(shè)計(jì)，如下圖右所示，它可以大大降低圖像的畸變，而且還能大大減輕鏡的重量，這也是目前高度數(shù)眼鏡片不再如瓶底那么厚的原因。

但由于單片式的鏡片能夠用來優(yōu)化的參數(shù)極其有限，在滿足提高清晰度，增大FOV的情況下就很難同時(shí)又滿足消除畸變的目的。如何折中三者之間的得失就成為了鏡片設(shè)計(jì)者所要重點(diǎn)關(guān)注的。鑒于目前的VR頭盔方案都借鑒于DK2，從它的方案可知，它采用的依舊是類似于消除色散的方法，在圖像呈現(xiàn)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，如圖6所示，從而使使用者感受不到由于鏡片畸變?cè)斐傻牟徽鎸?shí)感，經(jīng)過分析DK1的SDK可知，其內(nèi)部設(shè)置了4個(gè)畸變系數(shù)（k0~k3），組成一個(gè)畸變補(bǔ)償方程，通過控制這四個(gè)量的大小來適配不同畸變程度的鏡片，從而達(dá)到該SDK通用不同鏡片的目的。

但這種方法也有一定缺陷，由于圖像在顯示中邊緣的圖像就已經(jīng)被壓縮了，因此經(jīng)過透鏡后雖然消除了畸變，但空缺的信息無法恢復(fù)，會(huì)出清晰度的下降問題，并且因?yàn)槊恳粠家?jīng)過軟件的后處理，對(duì)硬件性能的要求更高。最好的方式為鏡片不要產(chǎn)生畸變，從而省略該預(yù)處理步驟。

 

近視調(diào)整

目前中國的近視發(fā)生率已超過33%，在高中以上的人口中更高達(dá)70%，而VR頭盔的使用人群都集中在高學(xué)歷人群中，他們?cè)谑褂脮r(shí)如果不佩戴眼鏡，往往看不清屏幕上的文字，更談不上體驗(yàn)所謂的沉浸感了，因此會(huì)降低VR設(shè)備的普及度。

目前國內(nèi)的VR頭盔都聲稱不影響400度甚至更高的近視。對(duì)此本人是深表懷疑的，Oculus解決該問題的方法是配了3組不同度數(shù)的鏡片，從光學(xué)原理上相當(dāng)于有配了三組不同視力的眼鏡片，而國內(nèi)的VR頭盔大都只有一組鏡片，往往采用兩個(gè)方法解決近視問題：一種是佩戴眼鏡，然后再戴頭盔，該方法較為“簡(jiǎn)單粗暴”，確實(shí)解決了近視問題，但沉浸感大大削弱，因?yàn)槿搜鄄荒軠惤R片，而且同時(shí)戴兩副眼鏡的方案也非常笨拙。另一種是不戴眼鏡，而是將屏幕或是手機(jī)靠近鏡片，這相當(dāng)于近視者湊近屏幕看屏幕上的東西，這也會(huì)降低沉浸感，因?yàn)槠聊贿吘壍膱D像相當(dāng)于被移出了畫面，近視者只能看見中間部分的圖像，外側(cè)的被裁掉了，該方法的另一個(gè)缺陷是近視者更容易看到像素，出現(xiàn)DK1中所謂的紗窗效應(yīng)，此外，如果使用者左右眼近視度數(shù)不同，該方法也無法解決。

然而真的沒有別的更好的方法了嗎？筆者認(rèn)為不然，其實(shí)該方法早已使用在很多單反相機(jī)中，如圖7上圖所示，單反的目鏡邊上有一個(gè)稱為屈光度調(diào)節(jié)的旋鈕，通過轉(zhuǎn)動(dòng)該旋鈕，在一定范圍內(nèi)的近視使用者也能看清取景器里的圖像，而無需佩戴眼鏡。其原理如圖7下圖所示，取景器內(nèi)部由多個(gè)獨(dú)立的鏡片組成，旋轉(zhuǎn)旋鈕相當(dāng)于調(diào)節(jié)某兩個(gè)鏡片之間的距離，從而達(dá)到改變進(jìn)入人眼中光線發(fā)散或會(huì)聚程度的作用，它可以等效于一個(gè)變焦鏡頭。而這類型鏡頭的設(shè)計(jì)方法已有近百年的歷史，是相當(dāng)成熟的，如果VR頭盔的鏡片也由一片以上的鏡片構(gòu)成，則經(jīng)過設(shè)計(jì)也可以達(dá)到調(diào)節(jié)屈光度的效果，用戶不需要佩戴眼鏡即可使用。

筆者經(jīng)過多年的光學(xué)設(shè)計(jì)工作，體會(huì)到一個(gè)優(yōu)秀的光學(xué)設(shè)計(jì)者必須在各種限制因素中做最好的權(quán)衡，如上文所提到的FOV，清晰度，色差，畸變等，還包括材料，體積，重量，價(jià)格，公差，可加工性等等因素。并且無論再優(yōu)秀的設(shè)計(jì)也不能將所有指標(biāo)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，需要針對(duì)使用場(chǎng)合做一定的取舍，無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，以及和軟件設(shè)計(jì)者協(xié)同工作。很多時(shí)候需要設(shè)計(jì)者有豐富的經(jīng)驗(yàn)。一款優(yōu)秀的VR頭盔中的鏡片往往直接關(guān)系到用戶體驗(yàn)的好壞。

筆者認(rèn)為，雖然目前在售的所有VR頭盔的鏡片都是單鏡片，但限于能用于優(yōu)化的參數(shù)過少，鏡片的成像質(zhì)量很難提高，像色散畸變這類像差，單鏡片幾乎是無法消除的，為此，鏡片組的方案是未來的VR頭盔中鏡片的發(fā)展趨勢(shì)，它除了能極大提升成像質(zhì)量以外，還可以實(shí)現(xiàn)左右鏡片分別調(diào)節(jié)屈光度，使得左右眼近視度數(shù)不同的人也能體驗(yàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感。

就在近日，微軟研究越為Oculus提供設(shè)計(jì)了新的鏡片，它就采用了四片兩組的結(jié)構(gòu)，可以大大提升圖像清晰度，消除色散與畸變，如下圖所示。

當(dāng)然，由于鏡片數(shù)量的增多，設(shè)計(jì)難度會(huì)更大，微軟的設(shè)計(jì)方案的缺陷之一就是降低了FOV，但這并不是必然的，通過更優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案可增大FOV。此外，多鏡片的成本顯然會(huì)高于單鏡片，微軟的鏡片價(jià)格高達(dá)200美元，而DK2總價(jià)只有350美元，筆者相信隨著光學(xué)設(shè)計(jì)方案的成熟，價(jià)格上還有很大下降余地。另外可以預(yù)見的是，多組鏡片的安裝公差會(huì)更嚴(yán)格，如同軸度，變焦槽精度等等，這都會(huì)要求有精度更高的模具與更細(xì)致的安裝步驟，成本也會(huì)相應(yīng)提高，因此需要投入更多的設(shè)計(jì)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)。但這一切都是為了提升用戶體驗(yàn)，必然是VR頭盔鏡片的發(fā)展方向之一。

本文僅僅對(duì)VR頭盔中的鏡片做了簡(jiǎn)單的分析，影響一個(gè)VR產(chǎn)品給用戶帶來良好體驗(yàn)的技術(shù)因素還包括屏幕的分辨率，跟蹤算法，佩戴舒適度以及是否擁有充足的內(nèi)容支撐等等，看似簡(jiǎn)單的產(chǎn)品其實(shí)包含著極高的積淀，這也是Oculus沉寂了兩年才剛剛發(fā)布其消費(fèi)版的原因。

目前國內(nèi)的VR頭盔類產(chǎn)品正處于爆發(fā)式發(fā)展階段，在后手機(jī)時(shí)代被寄予了非常高的期望，毫無疑問該方向是未來消費(fèi)類互聯(lián)網(wǎng)智能硬件中的領(lǐng)頭羊。但從技術(shù)的角度來看，國內(nèi)的VR產(chǎn)品問題也很多，例如產(chǎn)品相似度較高，質(zhì)量也參差不齊。可以預(yù)見的是，隨著Oculus消費(fèi)版的即將上市，必然會(huì)淘汰一大批技術(shù)水平能力較低的公司，留下少數(shù)幾家真正有研發(fā)實(shí)力與VR內(nèi)容積累的公司。從用戶的角度來說，筆者認(rèn)為大家應(yīng)該理性看待目前的各類VR產(chǎn)品，多去實(shí)際參與體驗(yàn)，畢竟通過簡(jiǎn)單的文字表述很難體會(huì)到虛擬現(xiàn)實(shí)給人帶來震撼體驗(yàn)。

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