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VR即Virtual Reality,意思是“虚拟现实”,是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。它利用计算机生成一种模拟环境,是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真,使用户沉浸到环境中。

在VR领域里,最被大家所熟知的就是VR眼镜了。VR眼镜是“虚拟现实头戴式显示器设备”的简称,亦可称为VR头显。

VR眼镜原理

VR眼镜最重要的配置是两片透镜,透镜表面设计有平凸(非球面)、双凸和凹凸效果,边缘薄,中心厚。凸透镜能修正晶状体的光源角度,导致人眼重新读取,达到增大视角、放大画面、增强立体感的作用,从而让人感觉身临其境。

显示技术是VR眼镜的核心,显示技术包括:交错显示、画面交换、视差融合。

1.交错显示

交错显示的工作原理是将一个画面分为两个图场,即单数描线所构成的单数扫描线图场或单图场与偶数描线所构成的偶数扫描线图场或偶图场。在使用交错显示模式做立体显像时,我们便可以将左眼图像与右眼图像分置于单图场和偶图场(或相反顺序)中,我们称此为立体交错模式。

如果使用快门立体眼镜与交错模式搭配,则只需将图场垂直同步讯号当作快门切换同步讯号即可,即显示单图场(即左眼画面)时,立体眼镜会遮住使用者的一只眼睛,而当显示偶图场时,则切换遮住另一只眼睛,如此周而复始,便可达到立体显像的目的。

由于交错模式不适于长时间且近距离的操作使用,就计算机显示周边技术而言,交错模式需要显示硬件与驱动程序的双重支持之下方可运行。随着相关显示周边技术的进步,非交错模式已完全取代交错模式成为标准配备。

2.画面交换

画面交互的工作原理是将左右眼图像交互显示在屏幕上的方式,使用立体眼镜与这类立体显示模式搭配,只需要将垂直同步讯号作为快门切换同步讯号即可达成立体显像的目的。而使用其它立体显像设备则将左右眼图像(以垂直同步讯号分隔的画面)分送至左右眼显示设备上即可。

画面交换提供全分辨率的画面质量,故其视觉效果是四种立体显示模式中最佳的。

3.视差融合

人之所以能够看到立体的景物,是因为双眼可以各自独立看东西,左右两眼有间距,造成两眼的视角有些细微的差别,而这样的差别会让两眼个别看到的景物有一点点的位移。而左眼与右眼图像的差异称为视差,人类的大脑很巧妙地将两眼的图像融合,产生出有空间感的立体视觉效果在大脑中。

由于计算机屏幕只有一个,而人却有两个眼睛,又必须要让左、右眼所看的图像各自独立分开,才能有立体视觉。这时,就可以通过3D立体眼镜,让这个视差持续在屏幕上表现出来。通过控制IC送出立体讯号(左眼-》右眼-》左眼-》右眼-》依序连续互相交替重复)到屏幕,并同时送出同步讯号到3D立体眼镜,使其同步切换左、右眼图像,换句话说,左眼看到左眼该看到的景像,右眼看到右眼该看到的景像。

3D立体眼镜是一个穿透液晶镜片,通过电路对液晶眼镜开、关的控制,开可以控制眼镜镜片全黑,以便遮住一眼图像;关可以控制眼镜镜片为透明的,以便另一眼看到另一眼该看到的图像。3D立体眼镜就可以模仿真实的状况,使左、右眼画面连续互相交替显示在屏幕上,并同步配合3D立体眼镜,加上人眼视觉暂留的生理特性,就可以看到真正的立体3D图像。

VR眼镜效果参数

1.FOV

VR眼镜的两个镜片可以看成两个完全相同的放大镜,如下图中光路剖面图所示,人眼处于左侧实线与光轴的焦点处,中间的为双凸镜片,右侧为屏幕,由于镜片有弯折光线的作用,人眼看到屏幕最上方x位置,而给人的感觉是沿着虚线从更高的位置进入人眼的,仿佛把屏幕放大到了x’的那么大,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,就引出了可视角(FOV)的概念,这也是广大VR厂商经常宣传的一个参数。

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目前主要厂商宣称的FOV统计如下:

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可以看出,大部分厂商的FOV都在100°左右,但有学者认为这个参数并没有非常大的实际价值。首先,不像内存或硬盘的大小,FOV没有一个可以明确测量的方法,厂商是否会虚标用户无法确定;第二,人在观察不处于视野中心的目标时,更倾向于转头,而不是斜眼看。引用百度一张人眼视角的示意图可见,人眼水平最大视角甚至可以超过180度,而单眼舒适视角只有大约60度,在这个方位内人眼视力最敏感,超过了这个范围人会本能转头。所以大家不必太纠结于该参数的大小,而更应该关注60度中心区域内的图像的清晰程度,以及实际使用佩戴的感受。一般来说,镜片尺寸越大,人眼会越不容易注意到透镜边缘,沉浸感更好,用户可以较为直观的比较该参数,目前绝大多数VR头盔镜片的尺寸都在50mm左右。

2.清晰度

作为VR界的标杆,DK1在初期镜片边缘图像的清晰度常常被用户诟病,这正是由于光学设计中的轴外像差所致。离开中心区域稍远一些,其成像质量就大幅下降。这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,如下图所示,尽可能降低轴外像差,提高边缘图像的像质。

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目前塑料镜片的压模工艺已经非常成熟,可以压制出光学质量非常高的塑料镜片,因此像DK2等都采用了双面非球面的设计,用户可以关注VR眼镜的镜片,如果采用了非球面设计,在清晰度上一般会远高于非球面。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,因此,如果VR厂商能够寻求大的代工厂为其加工镜片,也是对产品质量的保证之一。

3.色差

现在绝大部分的VR眼镜在使用时,都会在边缘区域出现红绿蓝的色边,也就是色散现象,这在使用高折射率材料时很容易出现,就像是白光在经过棱镜后会被分成五颜六色的光线。在DK1中,该现象尤为明显。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,因此原理上来说单镜片(一种材料)是无法解决的,DK2为了解决该问题,在图像显示之前,先用软件做了一个相反的颜色补偿,如下图。

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该方法仅仅是在软件层面做了修正,但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,会降低图像的帧率。最好的方法是采用多组材料不同的镜片组成消色差镜组,用光学的方法消除色边。这在镜头设计中已非常成熟,如复消色差物镜(Apochromatic objective),能够完全消除图像的色差。

4.畸变

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),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,如下图左侧图所示,并且随着FOV的增大,边缘图像畸变会更加明显。为了解决该问题,目前常见的方法是采用非球面的设计,如下图右所示,它可以大大降低图像的畸变,而且还能大大减轻镜的重量,这也是目前高度数眼镜片不再如瓶底那么厚的原因。

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5.近视调整

目前中国的近视发生率,在高中以上的人口中高达70%以上,而VR眼镜的使用人群都集中在高学历人群中,他们在使用时如果不佩戴眼镜,往往看不清屏幕上的文字,更谈不上体验所谓的沉浸感了,因此会降低VR设备的普及度。

目前国内的VR眼镜都声称不影响400度甚至更高的近视。Oculus解决该问题的方法是配了3组不同度数的镜片,从光学原理上相当于有配了三组不同视力的眼镜片,而国内的VR眼镜大都只有一组镜片,往往采用两个方法解决近视问题:一种是佩戴眼镜,然后再戴VR眼镜,这种方法确实解决了近视问题,但沉浸感大大削弱,因为人眼不能凑近镜片,而且同时戴两副眼镜的方案也非常笨拙。另一种是不戴眼镜,而是将屏幕或是手机靠近镜片,这相当于近视者凑近屏幕看屏幕上的东西,这也会降低沉浸感,因为屏幕边缘的图像相当于被移出了画面,近视者只能看见中间部分的图像,外侧的被裁掉了,该方法的另一个缺陷是近视者更容易看到像素,出现DK1中所谓的纱窗效应,此外,如果使用者左右眼近视度数不同,该方法也无法解决。

其实在很多单反相机中,就有好的解决方案,单反的目镜边上有一个称为屈光度调节的旋钮,通过转动该旋钮,在一定范围内的近视使用者也能看清取景器里的图像,而无需佩戴眼镜。其原理如下图所示,取景器内部由多个独立的镜片组成,旋转旋钮相当于调节某两个镜片之间的距离,从而达到改变进入人眼中光线发散或会聚程度的作用,它可以等效于一个变焦镜头。而这类型镜头的设计方法已有近百年的历史,是相当成熟的,如果VR眼镜的镜片也由一片以上的镜片构成,则经过设计也可以达到调节屈光度的效果,用户不需要佩戴眼镜也可使用。

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VR眼镜的应用

1.可视化药物分子结构

VR眼镜的应用有很多,健康医疗是VR眼镜应用中不容忽视的领域。有很多关于健康医疗的VR新技术出现。例如用VR可视化药物分子结构,以帮助新药研发。有一款叫做4Sight的技术,旨在帮助化学家将复杂分子的结构可视化。

2.外科手术

英国最大儿童医院,用HoloLens进行外科手术。医院的工作人员计划在手术室中使用HoloLens,以便在操作过程中查看患者的治疗情况。同时,工作人员还将配合使用SurfaceHub,实现电子存储诸如图表、测试和医学图像之类的文件。

3.分析大脑健康

某神经技术公司用VR分析运动员大脑健康。为用户提供交互式VR内容,支持实时反馈,以及可选择的分级培训范例。这些功能的主要目的是用于对,使运动员处于额外受伤风险的身体缺陷,进行早期筛查。此外,其还将在康复过程中为专业人员提供支持。

据Digi-Capital的数据显示,到2021年,VR将会演变为300亿美元的大市场。尽管目前该技术仍需要进行测试以及改善,很多公司已经在VR上投入了相当多的人力财力开发产品技术。

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