VR頭盔產品鏡片評測

虛擬現實設備自從去年至今，一直是消費電子領域炙手可熱的產品，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領域，國內各類型的VR眼鏡（頭盔）公司也如雨后春筍般的進入人們視野中，這些公司中除了少數有獨立顯示屏外，絕大部分都以手機作為媒介，這可以更進一步降低價格，從而推動VR產品快速進入市場。值得一提的是，國內已經有公司推出了不僅帶有獨立顯示屏，還帶手機模組的VR頭盔，即正在淘寶眾籌的星云Nebula。當然，筆者之所以會關注到星云Nebula，主要還是因為其采用了非球面雙凸型透鏡及彎月型透鏡雙鏡片的鏡片組方案。

目前VR頭盔的價格差距很大，從只要幾美元的谷歌Cardboard，到預計售價350美元的Oculus消費者版本，但他們的原理基本相同，最主要的部件都包括屏幕，陀螺儀，光學鏡片以及一些塑料部件。其中對用戶沉浸感影響最大的部件是兩對光學鏡片。在各類型的智能硬件中，大部分元件都是電子元器件，很少包含光學元件。較為困難的是，評價其質量的指標不能用常見的內存大小，主頻高低，內核的數量等很直觀的指標來衡量。看似簡單的兩個圓形鏡片想要達到理想的成像效果，也包含深奧的學問。

筆者曾體驗過多款VR頭盔，對該領域較為有興趣，加之是光學專業科班出身，工作中經常需要設計各類型的光學系統，在研究綜合目前國內外常見的幾款VR頭盔產品后，對VR頭盔中的重要元件鏡片做簡單分析，并給出自己的一些見解，希望對VR愛好者在產品時能有所借鑒。

簡單來說，VR頭盔的兩個鏡片可以看成兩個完全相同的放大鏡，如下圖1光路剖面圖所示，人眼處于左側實線與光軸的焦點處，中間的為雙凸鏡片，右側為屏幕，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入人眼的，仿佛把屏幕放大到了x’的那么大，VR頭盔強調的沉浸感，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廠商經常宣傳的一個參數。

FOV

目前主要廠商宣稱的FOV統計如下：

可以看出，大部分廠商的FOV都在100°左右，但筆者認為這個參數并沒有非常大的實際價值。首先，不像內存或硬盤的大小，FOV沒有一個可以明確測量的方法，廠商是否會虛標用戶無法確定；第二，人在觀察不處于視野中心的目標時，更傾向于轉頭，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，在這個方位內人眼視力最敏感，超過了這個范圍人會本能的轉頭。所以大家不必太糾結于該參數的大小，而更應該關注60度中心區域內的圖像的清晰程度，以及實際使用佩戴的感受。一般來說，鏡片尺寸越大，人眼會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，目前絕大多數VR頭盔鏡片的尺寸都在50mm左右。

清晰度

作為VR界的標桿，DK1在初期鏡片邊緣圖像的清晰度常常被用戶詬病，這正是由于光學設計中的軸外像差所致。為了精確的測試DK1鏡片光學設計的質量，本人曾經委托浙大光學系的老師在專門用于測量鏡片成像質量的設備，傳遞函數（MTF）測試儀上定量的測量過其成像質量，從分析結果上看，離開中心區域稍遠一些，其成像質量就大幅下降。這就好比我們使用質量一般的放大鏡時會發現，邊緣圖像的會變模糊，其原因在于受到軸外像差的影響。目前絕大多數公司的處理方法是將透鏡前后兩個面都做非球面設計，如下圖所示，盡可能降低軸外像差，提高邊緣圖像的像質。

目前塑料鏡片的壓模工藝已經非常成熟，可以壓制出光學質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計，用戶可以關注VR頭盔的鏡片如果采用了非球面設計，在清晰度上一般會遠高于非球面。當然，僅僅有優秀的光學設計也是不夠的，制造工藝業對鏡片質量的穩定性也有很高的影響，因此，如果VR廠商能夠尋求大的代工廠為其加工鏡片，也是對產品質量的保證之一。

色差

現在絕大部分的VR頭盔在使用時候都會在邊緣區域（邊緣位置）出現紅綠藍的色邊，也就是色散現象，這在使用高折射率材料時很容易出現，就像是白光在經過棱鏡后會被分成五顏六色的光線。在DK1中，該現象尤為明顯。從光學設計的角度來說，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，先用軟件做了一個相反的顏色補償，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，但會對圖像清晰度造成一定影響，而且圖像上的每一個像素都需要做一次反向色散的處理，增加了硬件負擔，會降低圖像的幀率。最好的方法是采用多組材料不同的鏡片組成消色差鏡組，用光學的方法消除色邊。這在鏡頭設計中已非常成熟，如復消色差物鏡(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）處于光學系統中的前后位置不同造成的，對球面鏡片來說，該像差是不可避免的，如下圖左側圖所示，并且隨著FOV的增大，邊緣圖像畸變會更加明顯。為了解決該問題，目前常見的方法是采用非球面的設計，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化的參數極其有限，在滿足提高清晰度，增大FOV的情況下就很難同時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計者所要重點關注的。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造成的不真實感，經過分析DK1的SDK可知，其內部設置了4個畸變系數（k0~k3），組成一個畸變補償方程，通過控制這四個量的大小來適配不同畸變程度的鏡片，從而達到該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被壓縮了，因此經過透鏡后雖然消除了畸變，但空缺的信息無法恢復，會出清晰度的下降問題，并且因為每一幀都要經過軟件的后處理，對硬件性能的要求更高。最好的方式為鏡片不要產生畸變，從而省略該預處理步驟。

 

近視調整

目前中國的近視發生率已超過33%，在高中以上的人口中更高達70%，而VR頭盔的使用人群都集中在高學歷人群中，他們在使用時如果不佩戴眼鏡，往往看不清屏幕上的文字，更談不上體驗所謂的沉浸感了，因此會降低VR設備的普及度。

目前國內的VR頭盔都聲稱不影響400度甚至更高的近視。對此本人是深表懷疑的，Oculus解決該問題的方法是配了3組不同度數的鏡片，從光學原理上相當于有配了三組不同視力的眼鏡片，而國內的VR頭盔大都只有一組鏡片，往往采用兩個方法解決近視問題：一種是佩戴眼鏡，然后再戴頭盔，該方法較為“簡單粗暴”，確實解決了近視問題，但沉浸感大大削弱，因為人眼不能湊近鏡片，而且同時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靠近鏡片，這相當于近視者湊近屏幕看屏幕上的東西，這也會降低沉浸感，因為屏幕邊緣的圖像相當于被移出了畫面，近視者只能看見中間部分的圖像，外側的被裁掉了，該方法的另一個缺陷是近視者更容易看到像素，出現DK1中所謂的紗窗效應，此外，如果使用者左右眼近視度數不同，該方法也無法解決。

然而真的沒有別的更好的方法了嗎？筆者認為不然，其實該方法早已使用在很多單反相機中，如圖7上圖所示，單反的目鏡邊上有一個稱為屈光度調節的旋鈕，通過轉動該旋鈕，在一定范圍內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，取景器內部由多個獨立的鏡片組成，旋轉旋鈕相當于調節某兩個鏡片之間的距離，從而達到改變進入人眼中光線發散或會聚程度的作用，它可以等效于一個變焦鏡頭。而這類型鏡頭的設計方法已有近百年的歷史，是相當成熟的，如果VR頭盔的鏡片也由一片以上的鏡片構成，則經過設計也可以達到調節屈光度的效果，用戶不需要佩戴眼鏡即可使用。

筆者經過多年的光學設計工作，體會到一個優秀的光學設計者必須在各種限制因素中做最好的權衡，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，價格，公差，可加工性等等因素。并且無論再優秀的設計也不能將所有指標同時達到最優，需要針對使用場合做一定的取舍，無數次的實驗，以及和軟件設計者協同工作。很多時候需要設計者有豐富的經驗。一款優秀的VR頭盔中的鏡片往往直接關系到用戶體驗的好壞。

筆者認為，雖然目前在售的所有VR頭盔的鏡片都是單鏡片，但限于能用于優化的參數過少，鏡片的成像質量很難提高，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頭盔中鏡片的發展趨勢，它除了能極大提升成像質量以外，還可以實現左右鏡片分別調節屈光度，使得左右眼近視度數不同的人也能體驗虛擬現實的真實感。

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

當然，由于鏡片數量的增多，設計難度會更大，微軟的設計方案的缺陷之一就是降低了FOV，但這并不是必然的，通過更優秀的設計方案可增大FOV。此外，多鏡片的成本顯然會高于單鏡片，微軟的鏡片價格高達200美元，而DK2總價只有350美元，筆者相信隨著光學設計方案的成熟，價格上還有很大下降余地。另外可以預見的是，多組鏡片的安裝公差會更嚴格，如同軸度，變焦槽精度等等，這都會要求有精度更高的模具與更細致的安裝步驟，成本也會相應提高，因此需要投入更多的設計時間與經費。但這一切都是為了提升用戶體驗，必然是VR頭盔鏡片的發展方向之一。

本文僅僅對VR頭盔中的鏡片做了簡單的分析，影響一個VR產品給用戶帶來良好體驗的技術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容支撐等等，看似簡單的產品其實包含著極高的積淀，這也是Oculus沉寂了兩年才剛剛發布其消費版的原因。

目前國內的VR頭盔類產品正處于爆發式發展階段，在后手機時代被寄予了非常高的期望，毫無疑問該方向是未來消費類互聯網智能硬件中的領頭羊。但從技術的角度來看，國內的VR產品問題也很多，例如產品相似度較高，質量也參差不齊。可以預見的是，隨著Oculus消費版的即將上市，必然會淘汰一大批技術水平能力較低的公司，留下少數幾家真正有研發實力與VR內容積累的公司。從用戶的角度來說，筆者認為大家應該理性看待目前的各類VR產品，多去實際參與體驗，畢竟通過簡單的文字表述很難體會到虛擬現實給人帶來震撼體驗。

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