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舜宇光学浅析:VR/AR镜片

2016/4/6 9:16:39来源:舜宇光学公司 【字体:

导 读:现在人们总说VR和AR,不绝于耳的总是虚拟现实(VR),但增强现实(AR)逐渐变成了顺带提起的附件,甚至让用户产生混淆。其实VR和AR有很大的区别,VR是在智能技术构造的纯虚拟环境中利用双目的视觉原理看到3D的物体,完全脱离现实环境,目前更多应用于游戏、影音等领域。
关 键 词:舜宇光学 浅析 VR AR 镜片

  现在人们总说VR和AR,不绝于耳的总是虚拟现实(VR),但增强现实(AR)逐渐变成了顺带提起的附件,甚至让用户产生混淆。其实VR和AR有很大的区别,VR是在智能技术构造的纯虚拟环境中利用双目的视觉原理看到3D的物体,完全脱离现实环境,目前更多应用于游戏、影音等领域。而AR是把虚拟套在现实生活中,需要摄像头拍摄或输入现实的场景,再让信息和屏幕中的显示画面做匹配,进行展示和交互,达到现实增强的效果。如自动识别或跟踪看到的物体,万物皆语,可应用于生活中的很多方面。
 
舜宇光学浅析:VR/AR镜片
 
  一、VR/AR定义
 
  虚拟现实(Virtual Reality, VR),是指采用计算机技术为核心的现代高科技手段生成一种虚拟环境,用户借助特殊的输入/输出设备,与虚拟世界中的物体进行自然的交互,通过视觉、听觉和触觉等获得与真实世界相同的感受。
 
  增强现实(Augmented Reality,  AR),是一种实时地计算影像的位置及角度并加上相应图像的技术,这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。
 
  二、VR/AR区别
 
  VR和AR有着不同的应用领域、技术和市场机会,因此区分两者之间的不同至关重要。
 
  VR让用户置身于一个想象出来或者重新复制的虚拟世界(如游戏、电影或航班模拟),亦或是模拟真实的世界(如观看体育直播),VR领域主要的硬件厂商有Oculus、索尼(PlayStation VR)、HTC(Vive)和三星(Gear VR)。AR是把数字想象世界加在真实世界之上,主要硬件厂商包括微软(HoloLens)、谷歌(Google Glass)和Magic Leap。
 
  区分VR和AR的一个简单的方法是:VR需要用一个不透明的头戴设备完成虚拟世界里的沉浸体验,而AR需要清晰的头戴设备看清真实世界和重叠在上面的信息和图像。从目前的观察来看,AR比较适合服务企业级用户,而VR同时适用于消费者和企业用户。有些情况下,两者还会出现重叠市场。例如,目前大多数游戏基于VR研发,但微软也用HoloLens重新创作了《我的世界》这样的游戏。
 
  虽然VR和AR有着不同的应用空间,但这两项技术都将推动HMD设备成为新的计算平台。另外,VR和AR均通过头部和手势操控,这种操控方式非常直观,相信会给计算生态系统带来新的变化。
 
  三、HMD 硬件组成部分
 
  HMD 硬件通常包括以下组成部分:
 
  显示屏:大多数HMD设备都拥有一块或两块屏幕。
 
  处理器:整合式AR HMD设备通过包含一个或多个处理单元。
 
  传感器:传感器可以内置到HMD设备中,也可以作为外设。
 
  摄像头:一些VR/AR HMD设备通过前置摄像头进行拍照、位置追踪和环境映射,必要时也允许用户“看透”HMD设备,一些AR HMD则采用内部摄像头来感知环境和周围目标。
 
  无线连接:HMD和控制器之间应采用无线连接,但目前HMD和PC/游戏机之间的无线连接还有诸多技术故障需要克服,尤其是在高分辨率和高刷新率情况下。
 
  存储/电池: 首先,内存主要用于存储/缓存VR/AR图像和视频,电池对于HMD设备同样重要。
 
  镜片: 当前,VR HMD设备广泛采用非球面镜片,因为它们拥有较短的焦距,意味着与其他镜片相比拥有更高的放大率和更广的视野。
 
  本文主要介绍HMD中镜片实现虚拟现实的原理、目前的局限以及今后的发展方向。
 
  四、VR实现方式
 
  4.1、系统原理
 
  如图1所示,显示器被分为左右两个部分,分别显示左右眼看到的图像。由于左右眼分别看图像,所以会有3D效果。光学镜片为凸透镜,将显示图像放大。由于通过光学系统,人眼看到的景象视角比较大,可以达到100°,所以极大的增强了人们体验到的临场感。同时,姿态检测系统会将头部的姿态传给电脑,电脑会根据头部的姿态调整看到的视场角,从而使人仿佛在现实中观看一样,我们把这种体验称为沉浸式体验。
 
舜宇光学浅析:VR/AR镜片
 
  4.2、人眼视觉原理
 
  眼睛通过左右眼关注到某点的直线交点确定空间中点的位置,如图2所示。正常人的视力范围比视野要小,因为视力范围是要求能迅速、清晰地看清目标细节的范围,只能是视野中的一部分。
 
舜宇光学浅析:VR/AR镜片
 
  简单来说,VR头盔的两个镜片可以看成两个完全相同的放大镜, VR头盔强调的沉浸感,一方面取决于屏幕的大小,另一方面取决于镜片弯折光线的能力。因此,就引出了视场角(FOV)的概念,这也是广大VR厂商经常宣传的一个参数。
 
  五、局限分析
 
  5.1、视场角分析
 
  如图3所示,将物像放在透镜的焦距附近时,人眼可以看到放大的像。
 
舜宇光学浅析:VR/AR镜片
 
  人眼睛看到的视场角为:
 
舜宇光学浅析:VR/AR镜片
 
  当然,为了达到更好的沉浸式效果,视场角越大越好,但是人单眼的舒适角大约只有60°,在这个方位内人眼视力最敏感,超过了这个范围人会本能的转头。一般来说,镜片尺寸越大,人眼越不容易注意到透镜边缘,沉浸感越好。
 
  5.2、解像力分析
 
  从目前市面上的VR设备来看,镜片边缘图像的清晰度常常被用户诟病,这是由于镜片光学设计中的轴外像差所致。我们曾分析一些镜片产品,从分析结果看,离开中心区域稍远一些,其成像质量大幅下降。就好比我们使用质量一般的放大镜时会发现,边缘图像会变模糊,其原因在于受到轴外像差的影响。目前绝大多数公司的处理方法是将透镜前后两个面都做非球面设计,如图4/5所示,尽可能降低轴外像差,提高边缘图像的像质。
 
  因此,像DK2等都采用了双面非球面的设计。当然,仅仅有优秀的光学设计也是不够的,制造工艺业对镜片质量的稳定性也有很高的影响。所以,如果VR厂商能够寻求大的代工厂为其加工镜片,也是对其产品质量的保证。
 
  5.3、色散分析
 
  现在绝大部分的VR头盔在使用时候都会在边缘区域(边缘位置)出现红绿蓝的色变,也就是色散现象。这在使用高折射率材料时很容易出现,就如白光在经过棱镜后会被分成五颜六色的光线。从光学设计的角度来说,需要两种或更多的材料才能消除色散,原理上来说单镜片(一种材料)是无法解决的。因此在图像显示之前,需要用软件做一个相反的颜色补偿,如图6所示
 
舜宇光学浅析:VR/AR镜片
 
  但是该方法仅仅是在软件层面做了修正会对图像清晰度造成一定影响,而且图像上的每一个像素都需要做一次反向色散的处理,增加了硬件负担降低图像的帧率。最好的方法是采用多组材料不同的镜片组成消色差镜组,从光学设计上消除色变。
 
  5.4、畸变分析
 
  畸变用通俗的话来说就是图像扭曲变形,给人以中间凸出(桶形畸变)或是凹陷(负畸变)感觉,这也属于像差的一种,是由于入瞳(也就是人眼)处于光学系统中的前后位置不同造成的。对球面镜片来说该像差是不可避免的,如图所示,并且随着FOV的增大,边缘图像畸变会更加明显。如图7所示,由于畸变的存在,双目重叠后的效果根本无法正常观看。
 
  但由于单镜片能够用来优化的参数极其有限,在满足提高清晰度,增大FOV的情况下就很难同时满足消除畸变的目的。目前的VR头盔方案采用的依旧是类似于消除色散的方法,在图像呈现在使用者之前先做一次桶形畸变用以抵消镜片带来的枕形畸变,从而使使用者感受不到由于镜片畸变造成的不真实感。
舜宇光学浅析:VR/AR镜片
 
  这种方法也有一定缺陷,由于图像在显示时边缘的图像就已经被压缩了。因此经过透镜后虽然消除了畸变,但空缺的信息无法恢复,会出现清晰度下降的问题。并且因为每一帧都要经过软件的后处理,对硬件性能的要求也更高。最好的方式是从光学设计上减小畸变,从而省略该预处理步骤。
 
  5.5、菲涅尔透镜
 
  为了HMD能更薄更轻,部分HMD使用了菲涅尔透镜,HTC Vive内置菲涅尔透镜;Oculus Rift CV1内置混合菲涅尔透镜,使得透镜更薄折射光的方式更便于人眼看清事物。
 
  这款透镜与普通透镜的曲率一致,但其一面刻录了大小不一的螺纹。
舜宇光学浅析:VR/AR镜片
 
  但使用菲涅尔透镜意味着你需要做出一定的牺牲;你可以制作出多螺纹透镜,从而能看到更清晰的图像,但是光线无法聚焦在一点上,曲率也总是不正确的。另外,你也可以使用螺纹较少的菲涅尔透镜,有助于光束集中和提高对比度,但图像的清晰度就会受损。
 
  六、发展方向
 
  目前在售的所有HMD中的镜片几乎都是单镜片,但限于能用于优化的参数过少,镜片的成像质量很难提高,比如色散畸变这类像差,单镜片几乎是无法消除的。为此,多镜片方案是未来的HMD中镜片的发展趋势,它除了能极大提升成像质量以外,还可以实现左右镜片分别调节屈光度,使得左右眼近视度数不同的人也能体验虚拟现实的真实感。
 
  当然,由于镜片数量的增多,设计难度会更大,但这并不是必然的,通过更优秀的设计方案可增大FOV。此外,多镜片的成本显然会高于单镜片,但我相信随着光学设计方案的成熟,价格上还有很大的下降余地。另外可以预见的是,多组镜片的安装公差会更严格,如同轴度,变焦槽精度等等,这都会要求精度更高的模具与更细致的安装步骤,成本也会相应提高,因此需要投入更多的设计时间与经费。但这一切都是为了提升用户体验,必然是HMD镜片的发展方向之一。当然,HMD用户体验的提升不仅仅是靠光学系统性能的提升,显示屏制造技术、图像处理技术的提升同样重要。
 
  七、总结
 
  VR/AR有潜力成为下一个重要的计算机平台,如同PC和智能手机,新的市场终将形成,当前的许多市场将被颠覆。而目前,用户体验、技术局限、内容和应用的开发,以及价格是VR/AR普及的主要障碍。其中用户体验是最重要的因素;目前单镜片实现沉浸感的方式并没有给用户很好的体验,是由于单镜片在光学性能的优化上有很多局限,因此多镜片组的方案将会是HMD镜片发展方向之一。
 
  当前,VR/AR技术仍需要继续完善。Oculus首席科学家迈克尔?阿布拉什(Michael Abrash)曾表示,公司仍在继续研发触觉、视觉显示、音频和追踪等方面的技术。这意味着2016年发布的VR/AR产品将开始解决上述问题,并且在未来三、五年还会持续改善。从长期角度讲,VR/AR产品最终将变得像太阳镜一样轻便。届时,可以把多个设备整合成一款产品,从而取代当前的手机和PC。


 
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