VR光学设计大解密

观看是VR眼镜最直接最重要的交互方式。当我们拿到一款VR眼镜时,最先体验到的往往是视觉效果。但对于视觉效果,很多用户的了解仅限于视场角(FOV)。在选购VR眼镜时,用户往往认为视场角越大越好。其实对于一款VR眼镜,视场角只是视觉体验中的一方面,还有很多其他因素决定了一款VR眼镜视觉体验的好坏。


一切从视场角说起

既然视场角是VR眼镜最直观的指标,那么我们还是从视场角说起。

视场角,英文为Field Of View, 简称FOV。在显示系统中,视场角就是显示器边缘与观察点连线的夹角。以下面两个图来说明:图1中AD、BC两条屏幕边缘和人眼所形成的夹角就是水平视场角,同理,AB、DC上下两条屏幕边缘和人眼形成的夹角就是垂直视场角;另外也可以像图2一样定义对角线视场角,DOB三点形成的夹角就是对角线视场角。

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水平视场角

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对角线视场角

在VR眼镜中,所有的图像都是从屏幕发出,通过一片透镜后呈现在用户眼中的。VR厂商所宣称的视场角,指的是VR眼镜中镜片的视场角。比如下图,我们在观看VR时,上下转动眼球,所能看到的屏幕投射过来的经过透镜折射后最高和最低两条光线的夹角,就是VR产品所定义的视场角。

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VR视场角


VR眼镜的成像原理

透镜是VR眼镜中必不可少的一个器件。为什么一定要透过透镜才能观看呢?因为人眼是有一个观看范围的。对于一个正常视力的人来说,能够看清的距离大约是从14cm到无穷远;而对于近视眼来说,这个范围则被拉近并且减小了。比如对于500度近视的人来说,他能看清的范围大约在8cm到20cm之间,我们把这两个点分别称为近点和远点,过近或过远都无法看清。

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人眼的观看范围、近点和远点

因为这个原因,我们在使用VR眼镜的时候,也需要把屏幕放在这个有效的观看范围内才能正常观看。而通常VR眼镜中,屏幕距离我们眼镜的距离只有3-4厘米,远小于正常的近点距离,所以需要通过一片凸透镜折射光线,让屏幕上的图像形成一个更大更远的虚像。这个虚像在我们可以有效观看的范围之内。

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VR成像原理

透镜的另一个作用就是将原本5-6英寸的手机屏幕放大几百、上千英寸,形成一个巨幅的画面。VR所宣传的沉浸感也来源于此。当戴上VR眼镜之后,隔绝了外界的画面,只剩下一个巨幅的模拟世界的影像在眼前,自然会让人产生一种在另一个世界的错觉。

在VR眼镜中,放大的图像为用户提供了沉浸感,左右分屏显示存在视差的图像则带来了虚拟的3D感觉。人眼在观看物体时,左右眼看到的图像是不完全一样的,我们称之为视差。左右眼看到的带有视差的图像传给大脑,大脑就可以判断这个物体距离我们有多远。越近的物体视差就越明显。这一点我们通过单独用左眼或右眼观看就能发觉。如果物体在我们双眼都能看到的区域,我们可以准确地判断这个物体的距离;而如果我们只依靠单眼去看一个物体,这种距离感往往就没有那么准确。VR眼镜将左右屏幕分开,分别呈现含有视差的左右图像,简单来说就是距离我们不同距离的物体,在屏幕上具有不同的视差。这样在观看时,我们就有了虚拟的3D感觉。

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VR中的左右眼视差


为什么视场角不是越大越好?

视场角是现在市场上VR厂家宣传的主要指标,而且基本都将更大的视场角作为自己产品的亮点,让消费者认为视场角是越大越好。但事实是否如此呢?

我们首先来看一下人眼的视场。下面的图片是人眼的视场感受。人的单眼舒适视场大约60度,图片中的B和C区域分别代表左右眼的舒适视场角。在这个范围内,人眼不动或微小转动就可以看到清楚的图像。

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人眼视场

双眼视场重叠的区域,也就是此前说的能准确判断物体距离的区域,在人眼不转动的情况下也大约是60度,我们称之为双眼舒适立体视场。如果双眼转动的话,这个区域可以达到124度。而单只眼睛可以达到的极限视场大约是156度。

VR眼镜追求的极致目标是完全还原人眼的真实视角感受。所以从这个层面上来说,视场角确实是越接近人眼视场(单眼156度)越好。

但是不要忘了,视场角提高的同时也要求图像分辨率同步提升。我们在观看真实世界的时候,画面的细腻程度是无限的,而我们在使用VR眼镜的时候,大量的产品仍在使用FHD或2K分辨率的屏幕,远远无法到达我们眼睛所能达到的极限分辨率。

VR眼镜的原理和放大镜一样,当你把屏幕放大10倍、20倍时,所看到的实际分辨率也降低了10倍、20倍,随之而来的也就是目前市面上VR产品常常被人诟病的“颗粒感”、“纱窗效应”。一款VR眼镜如果想拥有大视场角,就需要增大镜片的放大倍数,但这时屏幕的“纱窗”也会被看的更清楚。

VR的“纱窗效应”

VR眼镜追求更大视场角的原因无非是想更贴近人眼的实际视场角,增加沉浸感。但是在现有屏幕分辨率的限制下,更大的视场角就意味着更严重的纱窗效应,反而会令沉浸感丧失。所以视场角并非越大越好,而是需要根据屏幕的分辨率进行设计,在视场角和实际分辨率之间做权衡。


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