Toplite新光学设计帮助实现更加健康舒适的VR观看体验之第二篇:视场角、屏幕及分辨率

Randy
2021-07-05


新光学设计帮助实现健康舒适的VR观看体验

第二篇,视场角、屏幕和分辨率


视场角和屏幕分辨率篇(1).jpg



VR发展的早期阶段,其硬件产品的形态主要是由两个镜头(每个镜头是一片薄透镜)加上一个大液晶屏幕组成,比如早期流行的VR盒子,使用手机充当屏幕。在手机屏幕的分辨率不是太高的情况下,显示的内容又只能局限在同一屏幕分隔开的两个很小的区域,加上光学简陋,因而具有画面畸变、边界模糊、明显的颗粒感和纱窗效应等缺陷,以至于观看效果不甚理想。同时,将手机作为屏幕往往意味着较大的重量,在佩戴时有较为明显的沉重感(这种感觉一般是由重量分配不均导致,因为手机在最前端,大家可自行脑补力矩和杠杆原理)。


VR盒子示意图 GOOGLE盒子观看效果


改善穿戴和观看体验可以选择采用小屏幕和短焦距光学镜头。随着技术的快速发展,屏幕(LCD、OLED甚至Micro OLED等)能够越做越小,分辨率也越来越高。现如今单个0.71英寸的Micro OLED屏也能完全支持2K甚至更高达4K的分辨率。显示屏和内容分辨率的提升显著地弱化了纱窗效应。同时,高度集成的电子系统可以减轻重量并能更加均匀地分布重量,穿戴和观看的体验也随之得到改善。


0.71英寸高清OLED显示屏

(0.71英寸索尼微型OLED显示屏)


在上一篇“畸变”中提到,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的巨幕一样,从而营造一种虚拟的沉浸感。人类双眼的水平视场角略大于200°,垂直视场角约130°。在60°左右范围内的区域人眼的肌肉处在自然状态,因而能较为轻松地清晰地分辨物体,在此视场区域人眼对于各种信息的变化最为敏感。当物体位置超出该角度范围,需要转动眼球甚至扭头去看,一段时间之后就会感到疲劳。

裸眼视场角


除了裸眼视场角,VR产品的视场角与其搭配的屏幕有关。一般而言,在给定焦距的情况下,屏幕越大,能提供的视场角则越宽,反之越窄。当然,屏幕的选择首先要考虑与光学镜头的参数是否匹配,再者还需要考虑体积、分辨率、刷新率、成本等因素。

屏幕大小与视场角


那么实际视场角与屏幕有什么直接关系呢,这些关系又是如何影响观看的?视场角小意味着看到的影像小,对分辨率的要求低,反之则高。对于VR产品的显示屏而言,视场角在50度以下时,单屏幕分辨率达720p(1K)已经可以满足正常观看体验了;视场角在50到70度时,单屏幕分辨率在1080p(2K)就可以有不错的观看体验;视场角更宽时,对屏幕的分辨率要求会越发的严格,比如当视场角增加到90度,单屏分辨率至少需要达到2160p(4K),才能保证较好的观看体验;当视场角接近或者达到人眼的全视场角时,单屏分辨率要达到4320p(8K)甚至(12K)才能满足基本的观看舒适度要求。


视场角与分辨率


视场角是不是做得越大越好,各有各的看法。目前大多数VR产品都在宣传谁的视场角大,这算是一种主流,但经过德国某机构实测发现都是虚标,有的还虚标特别严重。目前还无法实现一种完美的技术,能够保证在全视角范围都拥有一致均匀的、真正符合人眼观看需求的高清晰度分布。不过,利用眼球追踪技术来实现局部窄视场角范围的内容优化,动态实时调整人眼所见之处的局部高清和其他区域的相对非高清,确实是一种在算力不够的情况下的妥协办法。但对于整块屏幕而言,其本身的分辨率分布是高度一致的。这意味着对屏幕的资源是有浪费的。关于像素、分辨率、视场角、内容渲染等之间的关系已有不少科研人员和工程师在研究并发表了大量文章,以及许多测评人在网上发表了VR体验及测评的有关视频。本文不再深入讨论。之所以有人说VR会引领下一个计算技术革命的原因,或许就在于此吧。


渲染示意图(1).jpg

图,nVidia Multi-res Shading渲染示意图,边缘的部分像素密度较低,中心较高,可提升渲染性能)


作为VR产品的使用者,我们可以回过头来想象,在日常生活中的某一天,我们与家人、朋友一起想要去看巨幕电影而在网上订票的时候,中后排位置的票是不是很抢手,而前排的票几乎无人问津?其实这是一个很自然的选择,因为中后排有合适的观影距离、舒适地观看及清晰地分辨图像的视场角,能够满足人类眼睛的基本生理需求。如果在设计VR产品时不是从这方面去作为第一关注要素,那么可以认为这个VR产品在市场上注定走不远。(堆料堆配置,何时是个头)


视场角-2-01_副本.jpg


我们在视场角方面不做跟随,根据现有的屏幕尺寸、分辨率以及人眼的舒适度方面,有很对性地开发了一款短焦距VR光学镜头,采用多片透镜的光学架构(含非球面设计),重量轻、光损失小,匹配0.71英寸微型高清OLED显示屏(2K分辨率)时视场角为68°,调焦行程仅6mm,为VR头戴式显示器营造出IMAX巨幕的感觉。










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