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让你玩VR玩到吐的元凶 起底VR镜头的那些门道 | 智能内参

小智头条 智能内参 虚拟现实2016/08/28

智东西(公众号:zhidxcom) 编 | 小智 如今市面上的VR设备品类繁多,质量也良莠不齐。随着买到VR的 […]

智东西(公众号:zhidxcom)
编 | 小智

如今市面上的VR设备品类繁多,质量也良莠不齐。随着买到VR的使用者越来越多,人们在新鲜劲过了之后,对于VR的抱怨和质疑也不绝于耳。玩VIVE虽然high,但是很多移动类型的VR盒子,体验起来实在是一言难尽。

今天智能内参邀请了映墨科技的光学设计师黄治来为大家从光学器件和性能的角度解答诸多疑惑。黄治毕业于浙江大学,是光学工程博士。曾任华为多媒体研究院工程师。

VR镜片的评价标准

黄博士将VR镜片按照设备整体的品质指标总结为八条标准:图像清晰、沉浸感好、畸变小、色散小、重量轻、价格优势、可加工性能好、以及使用人群广。

1.图像清晰

(1)MTF值高

摄影爱好者可能熟悉MTF曲线,全称为调制传递函数(Modulation Transfer Function),这是一种通过数学函数表现镜头对图像作用的衡量工具。MTF是一个归一化的数值,反映了镜头对物体的还原能力,数值越高,则镜片品质越好。

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(上图为尼康镜头AF-S-NIKKOR-35mm-f1.8G-ED的MTF曲线。)

摄影爱好者们对于MTF值反映镜头成像质量的几条通用的标准体现为:

1. MTF值越接近1越好,即MTF线越高越好
2.粗线(上图的红线)越高,说明镜头的反差表现越好
3.细线(上图的蓝线)越高,说明镜头的分辨率越好
4. MTF曲线越平坦,说明边缘和中心的成像差距越小
5.实线和虚线越接近,说明镜头的焦外成像越好

不同类型的VR设备,其构成模块都有不同,但即便原理最简单的VR盒子也需要光学模块,这一部分是使用者最直接体验的性能。 而就元件品质而言,MTF的衡量标准是光学元件通用的。

(2)像差小

像差(Optical aberration)反应理论成像与镜头(或镜头组合)实际成像的偏差。在光学系统设计中,尽可能减小相差是重要的指标。

(3)孔径大

这里指的是镜头的数值孔径。数值孔径越大,镜头的空间分辨率越高,成像越明亮。但景深也会越浅,同时容易引入像差。

2.沉浸感好

(1)FOV大

FOV(Field of view )指的是镜头的视场,也就是通过镜头能观测物空间的范围。通过焦距或其他物距参数进行换算,就是我们常说的视场角。视场越大,沉浸感越好。

(2) 清晰度一致

成像质量均匀一致,用户才不会“一秒出戏”。

3.畸变小

畸变其实也是前文中我们所说“像差”的一种。它的产生是由于物方与镜头主光轴存在垂直偏差。镜头焦距的不同会使得成像容易产生不同的畸变。

畸变

畸变越小,对其矫正就越少,清晰度的损失也就越小。

4.色散小

色散-640

色散是一个很常见的光学现象,反映了波长不同的单色光在成像时表现出的位置偏移。

反映在镜头成像时就是这个样子。(是不是找到了手机拍照渣画质的一大元凶了?)

色散例子-640

(上图引用自网友对索尼RX100 II镜头的评测)

同样也是基于对色散的矫正,会议损失画面清晰度为代价,所以需要成像系统色散越小越好。

5.重量轻

现阶段VR设备基本都是头带式,所以需要重量轻、折射率高、密度小。

6.价格优势

出于对于成本的控制,价格具备优势的镜片更利于大批量生产,同时还要考虑元件用料,以及镜片的成品率等问题。

7.可加工性能好

镜片作为VR设备的中间元件,在设备制造过程中还需要进行加工。需要镜片公差松、中间边缘厚度比较小、镜片制成材料热稳定性好。

镜头组-640

8.使用人群广

针对用户千姿百态的眼睛,甚至眼镜,产品设计出来都要使用舒适且便捷,就需要做到瞳距可调、近视可调、能戴眼镜(出瞳距大)。

最后产品能呈现出来,就是设计者和制造者尽可能符合上面各个标准的折中方案。

两种常见的VR镜头方案

在认识到上面说的基本指标基础上,黄博士向我们简单介绍了目前VR设备常见的两种设计方案。

双镜片方案

双镜头

这种方案采用的是两片非球面光学镜片,实现的视场角较大,可以达到108°。特点则表现在以下三个地方:

1.正常视力到800度近视人群均可使用(无需佩戴眼镜),独立调节。

2.可完全消除镜片色散,不需软件反色散校正。

3.采用双非球面镜片组结构,清晰度高,畸变小。

双面菲涅尔镜片方案

上面动图对于菲涅尔透镜的原理讲解的不能更明白了。这种透镜又称为螺纹透镜,长得就像下面的样子。当然,下图其实是HTC VIVE采用的镜头。

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这种方案焦距为32mm,视场角更大一点,可以达到110°,厚度仅为10mm。厚度薄、重量轻、材质选择范围大都是这种方案的优点。不过其设计难度较大,制造也比较困难,同时精度也要求更高。

而未来VR镜片的发展方向主要会在元器件性能、光学设计方案、成像基本原理以及镜片材质方面寻求突破。

发展房型

供应链江湖门道多

当然,除了VR设备对镜片的品质需求外,黄博士还对供应链上的镜头品质做了介绍。

从材质上看,VR设备不会采用玻璃镜头,而是使用较轻的塑料镜头,最常用的材质是有机玻璃,我们常说的亚克力或者PMMA指的都是它。折射率较高、性能较好的很多镜片,其实是日本化工方向的大厂将粉末状的工业原料销往国内,再由国内镜片厂商重新制造而成。

据黄博士介绍,VR镜头相关的供应链厂商有大立光、索尼等等,国内镜头做的最好的是余姚的舜宇光学,而深圳做镜片的厂商则更多,国内众多VR厂商也大多使用深圳的镜片。根据智东西此前的了解,Oculus Rift CV1 光学镜头采用的就是菲涅尔镜片方案,镜片供应商为歌尔股份,他们同时也是Oculus Rift CV1和PS VR的代工方。

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(上图为Oculus Rift CV1 镜头)

除了主机类型VR设备外,一体机类型产品相比之下,采用的镜头则在品控上较主机类三大头显有一定差距,主要是由于这一类自带屏幕的VR设备与内部镜片匹配度不同,导致了前文说的各参数产生了不同程度上的差异。所以我们也可想而知,据称使用“成本仅在1块钱,最多不超过3块钱”的廉价镜头制成的移动VR产品,手机屏幕和镜片匹配度的问题无法解决,屏幕的帧率和分辨率也要做出一定的妥协,影响体验也就在所难免了。

不必担心VR太近伤眼睛

这里黄博士顺便向我们科普了一下VR总是带着不太舒服这方面的种种问题。

基本上,刚刚我们提到的镜头和光学设计品质带来的影响就是:做得好你就感受不到,做得差你就“辣眼睛”了。帧率和分辨率也要比较给力的设备才会让你玩着不晕。但是设备太重也总是“压得人抬不起头”。最关键的是,除了玩游戏,我们大概很难以沉浸的方式观影太久,尽管通过计算法可以改善眼镜过度接受信息的情况,但是看久了你还是会累。至于距离太近伤眼睛这种问题,则不必担心。

作死

你如果像上图的熊孩子这么看,那当然是在作妖。而VR屏幕尽管距离近,但镜头存在的作用就是将成像调节为人眼舒适的距离,身临其境和“屏幕糊一脸”那不是一回事。

结语

VR技术最终能够以产品的形式呈现在我们眼前,除了光学设计,还需要算法进行配合。无论是自行进行底层算法的开发,还是使用英伟达、高通等大厂开放的SDK—都是影响我们最终体验的重要环节。算法方面虽有大厂领跑,但光学元件却没有行业标准,各类镜片质量良莠不齐,也无法做到通用。

同时,这一领域较为专门,业内人才也比较稀缺,华为这样体量并注重研发的大型企业可能会有相应的技术储备,创业公司主要还是在供应链的基础上进行“积木式创新”。尽管在VR方面我们对于光学设计的影响体会还不深,但在AR的层面上,无论是全息立体成像的HoloLens,还是主打光场技术的Magic Leap,都是以创新性的光学设计为先导,以强大的计算性能和算法为支撑,才最终诞生了颠覆想象力的新设备。(所以AR其实不是拿手机抓小精灵这么简单哦!)

本文为智东西整理呈现,文中所有数据结论版权归原作者所有。

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