VR/AR鏡片的區(qū)別與�(shí)�(xiàn)方式
一、VR/AR定義
虛擬�(xiàn)�(shí)(Virtual Reality, VR)，是指采用計(jì)算機(jī)技�(shù)為核心的�(xiàn)代高科技手段生成一種虛擬環(huán)�，用戶借助特殊的輸�/輸出�(shè)備，與虛擬世界中的物體�(jìn)行自然的交互，通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)�(jué)和觸�(jué)等獲得與真實(shí)世界相同的感��
增強(qiáng)�(xiàn)�(shí)(Augmented Reality, AR)，是一種實(shí)�(shí)地計(jì)算影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技�(shù)，這種技�(shù)的目�(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在�(xiàn)�(shí)世界并�(jìn)行互�(dòng)�
二、VR/AR區(qū)�
VR和AR有著不同的應(yīng)用領(lǐng)�、技�(shù)和市�(chǎng)�(jī)�(huì)，因此區(qū)分兩者之間的不同至關(guān)重要�
VR讓用戶置身于一�(gè)想象出來(lái)或者重新復(fù)制的虛擬世界(如游�、電影或航班模擬)，亦或是模擬真實(shí)的世�(如觀看體育直�)，VR�(lǐng)域主要的硬件廠商有Oculus、索�(PlayStation VR)、HTC(Vive)和三�(Gear VR)。AR是把�(shù)字想象世界加在真�(shí)世界之上，主要硬件廠商包括微�(HoloLens)、谷�(Google Glass)和Magic Leap�
區(qū)分VR和AR的一�(gè)�(jiǎn)單的方法是：VR需要用一�(gè)不透明的頭戴設(shè)備完成虛擬世界里的沉浸體�(yàn)，而AR需要清晰的頭戴�(shè)備看清真�(shí)世界和重疊在上面的信息和圖像。從目前的觀察來(lái)看，AR比較適合服務(wù)企業(yè)�(jí)用戶，而VR同時(shí)適用于消�(fèi)者和企業(yè)用戶。有些情況下，兩者還�(huì)出現(xiàn)重疊市場(chǎng)。例�，目前大多數(shù)游戲基于VR研發(fā)，但微軟也用HoloLens重新�(chuàng)作了《我的世界》這樣的游��
雖然VR和AR有著不同的應(yīng)用空�，但這兩�(xiàng)技�(shù)都將推動(dòng)HMD�(shè)備成為新的計(jì)算平�(tái)。另外，VR和AR均通過(guò)頭部和手�(shì)操控，這種操控方式非常直觀，相信會(huì)給計(jì)算生�(tài)系統(tǒng)帶來(lái)新的變化�
�、HMD 硬件組成部分
HMD 硬件通常包括以下組成部分�
顯示屏：大多�(shù)HMD�(shè)備都擁有一塊或兩塊屏幕�
處理器：整合式AR HMD�(shè)備通過(guò)包含一�(gè)或多�(gè)處理單元�
傳感器：傳感器可以內(nèi)置到HMD�(shè)備中，也可以作為外設(shè)�
攝像頭：一些VR/AR HMD�(shè)備通過(guò)前置攝像頭�(jìn)行拍�、位置追蹤和�(huán)境映射，必要�(shí)也允許用戶“看透”HMD�(shè)�，一些AR HMD則采用內(nèi)部攝像頭�(lái)感知�(huán)境和周圍目標(biāo)�
�(wú)線連接：HMD和控制器之間�(yīng)采用�(wú)線連接，但目前HMD和PC/游戲�(jī)之間的無(wú)線連接還有諸多技�(shù)故障需要克服，尤其是在高分辨率和高刷新率情況下�
存儲(chǔ)/電池: 首先，內(nèi)存主要用于存�(chǔ)/緩存VR/AR圖像和視�，電池對(duì)于HMD�(shè)備同樣重��
鏡片: �(dāng)�，VR HMD�(shè)備廣泛采用非球面鏡片，因?yàn)樗鼈儞碛休^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視野�
本文主要介紹HMD中鏡片實(shí)�(xiàn)虛擬�(xiàn)�(shí)的原�、目前的局限以及今后的�(fā)展方��
�、VR�(shí)�(xiàn)方式
4.1、系�(tǒng)原理
如圖1所�，顯示器被分為左右兩�(gè)部分，分別顯示左右眼看到的圖像。由于左右眼分別看圖�，所以會(huì)�3D效果。光�(xué)鏡片為凸透鏡，將顯示圖像放大。由于通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)，人眼看到的景象視角比較�，可以達(dá)�100°，所以極大的增強(qiáng)了人們體�(yàn)到的臨場(chǎng)感。同�(shí)，姿�(tài)檢測(cè)系統(tǒng)�(huì)將頭部的姿態(tài)傳給電腦，電腦會(huì)根據(jù)頭部的姿�(tài)�(diào)整看到的視場(chǎng)�，從而使人仿佛在�(xiàn)�(shí)中觀看一�，我們把這種體驗(yàn)稱為沉浸式體�(yàn)�
4.2、人眼視�(jué)原理
眼睛通過(guò)左右眼關(guān)注到某點(diǎn)的直線交�(diǎn)確定空間中點(diǎn)的位�，如�2所�。正常人的視力范圍比視野要小，因?yàn)橐暳Ψ秶且竽苎杆?、清晰地看清�?biāo)�(xì)節(jié)的范圍，只能是視野中的一部分�
�(jiǎn)單來(lái)�(shuō)，VR頭盔的兩�(gè)鏡片可以看成兩�(gè)完全相同的放大鏡� VR頭盔�(qiáng)�(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，就引出了視場(chǎng)角（FOV）的概念，這也是廣大VR廠商�(jīng)常宣傳的一�(gè)參數(shù)�
�、局限分�
5.1、視�(chǎng)角分�
如圖3所�，將物像放在透鏡的焦距附近時(shí)，人眼可以看到放大的像�
人眼睛看到的視場(chǎng)角為�
�(dāng)�，為了達(dá)到更好的沉浸式效�，視�(chǎng)角越大越好，但是人單眼的舒適角大約只�60°，在這�(gè)方位�(nèi)人眼視力最敏感，超�(guò)了這�(gè)范圍人會(huì)本能的轉(zhuǎn)�。一般來(lái)�(shuō)，鏡片尺寸越大，人眼越不容易注意到透鏡邊緣，沉浸感越好�
5.2、解像力分析
從目前市面上的VR�(shè)備來(lái)�，鏡片邊緣圖像的清晰度常常被用戶詬病，這是由于鏡片光學(xué)�(shè)�(jì)中的軸外像差所�。我�?cè)治鲆恍╃R片產(chǎn)�，從分析�(jié)果看，離�(kāi)中心區(qū)域稍�(yuǎn)一�，其成像�(zhì)量大幅下�。就好比我們使用質(zhì)量一般的放大鏡時(shí)�(huì)�(fā)�(xiàn)，邊緣圖像會(huì)變模�，其原因在于受到軸外像差的影�。目前絕大多�(shù)公司的處理方法是將透鏡前后兩�(gè)面都做非球面�(shè)�(jì)，如�4/5所�，盡可能降低軸外像差，提高邊緣圖像的像質(zhì)�
因此，像DK2等都采用了雙面非球面的設(shè)�(jì)。當(dāng)�，僅僅有�(yōu)秀的光�(xué)�(shè)�(jì)也是不夠�，制造工藝業(yè)�(duì)鏡片�(zhì)量的�(wěn)定性也有很高的影響。所�，如果VR廠商能夠?qū)で蟠蟮拇S為其加工鏡片，也是對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量的保證�
5.3、色散分�
�(xiàn)在絕大部分的VR頭盔在使用時(shí)候都�(huì)在邊緣區(qū)域（邊緣位置）出�(xiàn)紅綠�(lán)的色�，也就是色散�(xiàn)�。這在使用高折射率材料�(shí)很容易出�(xiàn)，就如白光在�(jīng)�(guò)棱鏡后會(huì)被分成五顏六色的光線。從光學(xué)�(shè)�(jì)的角度來(lái)�(shuō)，需要兩種或更多的材料才能消除色散，原理上來(lái)�(shuō)單鏡片（一種材料）是無(wú)法解決的。因此在圖像顯示之前，需要用軟件做一�(gè)相反的顏色補(bǔ)�，如�6所�
但是該方法僅僅是在軟件層面做了修正會(huì)�(duì)圖像清晰度造成一定影響，而且圖像上的每一�(gè)像素都需要做一次反向色散的處理，增加了硬件�(fù)�(dān)降低圖像的幀�。最好的方法是采用多組材料不同的鏡片組成消色差鏡�，從光學(xué)�(shè)�(jì)上消除色��
5.4、畸變分�
畸變用通俗的話�(lái)�(shuō)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）感�(jué)，這也屬于像差的一�，是由于入瞳（也就是人眼）處于光�(xué)系統(tǒng)中的前后位置不同造成�。對(duì)球面鏡片�(lái)�(shuō)該像差是不可避免的，如圖所�，并且隨著FOV的增大，邊緣圖像畸變�(huì)更加明顯。如�7所示，由于畸變的存�，雙目重疊后的效果根本無(wú)法正常觀��
但由于單鏡片能夠用來(lái)�(yōu)化的參數(shù)極其有限，在滿足提高清晰�，增大FOV的情況下就很難同�(shí)滿足消除畸變的目的。目前的VR頭盔方案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�(lái)的枕形畸變，從而使使用者感受不到由于鏡片畸�?cè)斐傻牟徽�?shí)��
這種方法也有一定缺�，由于圖像在顯示�(shí)邊緣的圖像就已經(jīng)被壓縮了。因此經(jīng)�(guò)透鏡后雖然消除了畸變，但空缺的信息無(wú)法恢�(fù)，會(huì)出現(xiàn)清晰度下降的�(wèn)�。并且因?yàn)槊恳粠家�?jīng)�(guò)軟件的后處理，對(duì)硬件性能的要求也更高。最好的方式是從光學(xué)�(shè)�(jì)上減小畸�，從而省略該�(yù)處理步驟�
5.5、菲涅爾透鏡
為了HMD能更薄更�,部分HMD使用了菲涅爾透鏡，HTC Vive�(nèi)置菲涅爾透鏡；Oculus Rift CV1�(nèi)置混合菲涅爾透鏡，使得透鏡更薄折射光的方式更便于人眼看清事��
這款透鏡與普通透鏡的曲率一�，但其一面刻錄了大小不一的螺紋�
但使用菲涅爾透鏡意味著你需要做出一定的犧牲；你可以制作出多螺紋透鏡，從而能看到更清晰的圖像，但是光線無(wú)法聚焦在一�(diǎn)�，曲率也總是不正確的。另�，你也可以使用螺紋較少的菲涅爾透鏡，有助于光束集中和提高對(duì)比度，但圖像的清晰度就會(huì)受損�
�、發(fā)展方�
目前在售的所有HMD中的鏡片幾乎都是單鏡�，但限于能用于優(yōu)化的參數(shù)�(guò)�，鏡片的成像�(zhì)量很難提高，比如色散畸變這類像差，單鏡片幾乎是無(wú)法消除的。為�，多鏡片方案是未�(lái)的HMD中鏡片的�(fā)展趨�(shì)，它除了能極大提升成像質(zhì)量以�，還可以�(shí)�(xiàn)左右鏡片分別�(diào)節(jié)屈光度，使得左右眼近視度�(shù)不同的人也能體驗(yàn)虛擬�(xiàn)�(shí)的真�(shí)��
�(dāng)�，由于鏡片數(shù)量的增多，設(shè)�(jì)難度�(huì)更大，但這并不是必然的，通過(guò)更優(yōu)秀的設(shè)�(jì)方案可增大FOV。此外，多鏡片的成本顯然�(huì)高于單鏡�，但我相信隨著光�(xué)�(shè)�(jì)方案的成�，價(jià)格上還有很大的下降余�。另外可以預(yù)�(jiàn)的是，多組鏡片的安裝公差�(huì)更嚴(yán)格，如同軸度，變焦槽精度等等，這都�(huì)要求精度更高的模具與更細(xì)致的安裝步驟，成本也�(huì)相應(yīng)提高，因此需要投入更多的�(shè)�(jì)�(shí)間與�(jīng)�(fèi)。但這一切都是為了提升用戶體�(yàn)，必然是HMD鏡片的發(fā)展方向之一。當(dāng)然，HMD用戶體驗(yàn)的提升不僅僅是靠光學(xué)系統(tǒng)性能的提�，顯示屏制造技�(shù)、圖像處理技�(shù)的提升同樣重��
七、總�(jié)
VR/AR有潛力成為下一�(gè)重要的計(jì)算機(jī)平臺(tái)，如同PC和智能手�(jī)，新的市�(chǎng)終將形成，當(dāng)前的許多市場(chǎng)將被顛覆。而目�，用戶體�(yàn)、技�(shù)局�、內(nèi)容和�(yīng)用的�(kāi)�(fā)，以及價(jià)格是VR/AR普及的主要障�。其中用戶體�(yàn)是最重要的因素；目前單鏡片實(shí)�(xiàn)沉浸感的方式并沒(méi)有給用戶很好的體�(yàn)，是由于單鏡片在光學(xué)性能的優(yōu)化上有很多局限，因此多鏡片組的方案將�(huì)是HMD鏡片�(fā)展方向之一�
�(dāng)�，VR/AR技�(shù)仍需要繼�(xù)完善。Oculus首席科學(xué)家邁克爾?阿布拉什(Michael Abrash)曾表�，公司仍在繼�(xù)研發(fā)觸覺(jué)、視�(jué)顯示、音頻和追蹤等方面的技�(shù)。這意味著2016年發(fā)布的VR/AR�(chǎn)品將�(kāi)始解決上述問(wèn)題，并且在未�(lái)�、五年還�(huì)持續(xù)改善。從�(zhǎng)期角度講，VR/AR�(chǎn)品最終將變得像太�(yáng)鏡一樣輕�。屆�(shí)，可以把多�(gè)�(shè)備整合成一款產(chǎn)�，從而取代當(dāng)前的手機(jī)和PC�