新光学设计帮助实现健康舒适的VR观看体验

VR产业全球的发展正如火如荼，不少全球知名的大企业和大资本都在涉足VR产业，比如Facebook、HTC、HP、Steam、Microsoft、Huawei等。有人说VR很有可能引领下一代信息技术革命。现如今，越来越多的人逐渐了解和接触VR产品，也有相当一部分人购置了VR产品使用。在生活品质提高后，人们对健康更为看重，在VR上也不例外。目前，不少的VR产品，从简单的VR盒子、VR观影一体机、VR游戏机到多人参与的那种VR体验馆游戏设备，在观看体验上存在着人眼易疲劳的问题。相比听觉、体感、操作，VR产品最重要的一个体验因素是观看舒适度，眼疲劳了，一切白搭，不能使眼睛感到愉悦的VR产品肯定不是好VR产品。如今VR产品的设计大多从电子硬件上堆料，而光学系统却鲜有突破。然而一个好的光学系统，对于优化VR的观看体验至关重要。

VR显示的本质是通过光学系统将屏幕放大并投射到人眼中，人眼所看到的其实是屏幕的虚像如同电影院大屏一样，从而营造一种虚拟的沉浸感。因而VR产品的观看舒适度与屏幕本身和光学系统两者有直接关系。

图1，VR显示简要光学原理

一般，影响观看舒适度的因素有以下三个：

1、成像畸变

图2，光学成像畸变①

2、视场角与屏幕分辨率

图3，人眼视场角

图4，不同的视场角下的分辨率需求

3、人眼适配（瞳距和屈光适配调节）

图5，通过调节瞳距使得观看到的屏幕重叠

图6， 屈光度调节补偿

广州市多普光电科技有限公司长期从事创新的光学设计，在高清光学成像和投影领域拥有丰富的经验。本文将从光学角度简要分析畸变、视场角与屏幕分辨率、瞳距和屈光度调节三个方面对VR观看体验的影响，并介绍光学设计如何实现健康舒适的VR观看体验。

第一篇：畸变

畸变是光学系统（以下简称镜头或光学镜头）像差的一种，也称为失真，常见的有桶形畸变（Barrel Distortion）和枕形畸变（Pincushion Distortion）。畸变是和光学镜头固有特性有关的，无法被完全消除，只能改善。

图7，光学成像畸变示意图

为了广大读者明白畸变的具体形式，我们做一个简单的试验，使用最简单VR光学架构做模拟，这种光学架构（即一片或者两片透镜）目前正在被广大VR产品所使用着。如下各图所示，我们用手机充当屏幕，首先分别用一片薄菲涅尔透镜、一片研磨凸透镜、一片模压凸透镜对屏幕进行放大，然后观看其放大后的效果。

图8，一张正常的手机屏幕显示的照片

图9，薄菲涅尔透镜

图10，经薄菲涅尔透镜放大后的图像

图11，经研磨凸透镜放大后的图像

图12，模压凸透镜放大后的图像

由这个简单的试验可以看出，经过简单光学系统（只含一片透镜）放大后的图像都是存在畸变的，而且图像边缘还存在色差（明显蓝边，色差和畸变一样，同属像差的一种）。所用透镜的品质决定了成像的品质，而透镜的品质与设计、制造精度息息相关（以上试验对比不作为研磨和模压两种工艺优劣的评判，图12所示的图像扭曲可能与透镜制造的工艺水平和精度有关）。接下来，我们使用相对复杂一点点的光学架构，比如胶合透镜（两片透镜组成）来再次测试。

图13，研磨凸透镜放大后的图像，注意左边分割线在屏幕上肉眼看是竖直和白色的，经透镜放大后畸变弯曲和有显著的边缘色差

图14，采用胶合透镜放大后的图像，畸变已有改善但还是较为明显，色差已有显著改善

有以上试验可知，采用简单的光学架构，固然可以减少成本，但却是以牺牲成像质量作为代价的。为了使VR产品更加轻薄，镜头的焦距往往也在朝着更短的方向发展，此时如果继续采用单片式的简单光学架构，其畸变更是突出。虽然短焦距镜头的使用是VR产品必然的发展方向，它能显著减少VR产品的体积，但是畸变是短焦距镜头非常难以消除的技术痛点。畸变不会影响成像的清晰度，但却因为成像形状与实物的相似度不够（比如明显变形）而严重影响观感，从而影响VR产品的体验舒适度。

既然如此，我们如何改善或者尽可能减小畸变呢？方法无外乎有软和硬两种处理方法。软处理方法是指通过对输入到屏幕的内容进行定制化来改善原本的畸变，简单的如对内容做了非标准长宽比的特殊处理（这似乎也没啥技术含量）。

图15，经过特殊处理后的屏上显示的VR内容，单屏幕分屏

由于市场上不同厂商和品牌的VR产品其镜头的畸变量是不同的（如果采用不同透镜的话），内容（如游戏、视频等）提供商很难针对不同的畸变量去一一提供经过畸变补偿和修正的内容。对于有实力的企业，如一些大资本企业和头部企业，能够特别地针对自家的光学畸变参数对内容进行修正，比如Oculus SDK就有专门的Distortion Mesh内容渲染开发指南。可是这样则形成捆绑销售和资源集中，在某些领域和平台上易导致垄断，开发者受制于人。

图16，Oculus Rift SDK为客户端失真提供的长宽比为1的网格之一

硬处理方法是指通过光学设计比如采用多镜头组合来减小成像畸变甚至达到无畸变，这是一种较为可靠的但技术门槛较高的方法。没有过硬的光学设计能力和镜头制造技术是很难做到的。

图17，采用了多透镜组合式光学架构的无畸变镜头的投影效果

虽然较大的光学畸变对VR使用者是否会导致眼睛视力损害，目前暂时没有权威机构给出明确结论，但对于VR产品这种穿戴时离眼睛非常近的产品而言，由畸变造成的不舒适观看体验与视觉疲劳则是显而易见的。

多普光电在高清成像和投影光学设计领域富有经验。最近多普光电已经成功研发出应用到VR产品的超短焦距光学镜头。在光学畸变的改善方面，多普光电采用了非球面透镜组合的多片透镜光学架构，在68度视场角（匹配屏幕为0.71英寸）的情况下，能够将畸变控制在0.8%以内，从观感上几乎实现无畸变。此外，多普光电还成功研发出仅需单片透镜的Pancake折叠式光路VR镜头方案，视场角达120度，畸变为1.4%。

图18，上为0.8%畸变的图像模拟图（左）和网格畸变图（右），下为1.4%畸变的图像模拟图（左）和网格畸变图（右）