VR透镜技术大揭秘:你是怎么样看到360度的内容的?

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在如今的任何VR头显内部,在圆圆的遮光眼镜里面,你会发现两样东西:一个是一块屏幕,将呈现你将看到的虚拟世界,另一个是一组镜头,置于该块屏幕之前。虽然许多技术迷们熟悉的显示部分技术受到了较多的关注。分辨率是多少?更新率又是多少?对比度呢?等等。不过屏幕之前的镜头也一样的重要。

所以为什么镜头对于VR头显来说是如此重要的组成部分,以及他们是怎样影响到VR体验的质量的呢?

镜头那些事儿

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透镜已经存在了几千年,我们很容易观察到其背后的基本原理。手拿一块普通的玻璃,你会注意到透过它看到的视图是扭曲的。玻璃(或水,或半透明材料)会将通过它的光线弯曲。如果将给定的材料中塑造成某种形状,以你想要的方式来弯曲光线,那么你就有了一块透镜。

斯涅尔定律描述了这一切背后的物理学。在这里,我们不会给你展示庞大的公式,而是给你一些和方程相关的术语,所以当谈论到镜头属性的时候,你知道我们的关注点在哪里:

第一个属性被称为折射率,它告诉你一个给定的材料可以在多大程度弯曲进入它的光线。这种效应之所以发生是因为光线进入材料的时候速度会减慢,并且光线减慢得越多,光线被弯曲的程度也越大。常见的例子包括空气(只有轻微的折射),以及(折射率逐渐增加的)水、塑料和玻璃。

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另一个性质是材料的角度与光线照射到它的角度之间的比率,也就是说光线的弯曲取决于1)它来自何处以及透镜的形状,2)进入和离开透镜所需的时间,或更确切地说是透镜的厚度,以及3)光的波长(颜色)。

最后一个因素是镜头当中存在的多余的伪影或像差。正如你可能直观感受到的那样,棱镜只是另一种类型的镜头。和棱镜一样,当光线弯曲时,一个透镜会将颜色彼此分开。这就是所谓的像差。

还有其他的一些相差。球面像差会导致图像的不同部分聚焦在不同的点上,这意味着如果你希望图像的中心变得锐利和清晰,那么边缘就会渐进地变得模糊。你的眼睛/相机的焦点可以位于F a,b或c,因此你可以选择对哪个区域进行聚焦。

最后是桶形畸变和枕形畸变,当镜片试图纠正上述两种畸变,以及试图产生广视场的视野的时候,这些畸变就会经常发现。这些导致了最终的图像在直线网格中或者被拉伸,或者被压缩。

镜头和VR

说到镜头以及它们如何影响VR头戴式显示器,首先要考虑的是显示器的尺寸。 VR头戴式显示器的尺寸越大,所展现的视野就越多,视野范围就越广。但是,如果显示器太大,则重量会变大,而且也会很笨重。从这个角度来看,显示器越小越好。

想要共同解决重量和尺寸问题的方法很简单,就是把屏幕置于离你眼睛更近的地方。这有两个好处。首先,你不需要更大的显示器来获得更广阔的视野。其次,由于阿基米德和他的杠杆法则,显示器越接近你的脸,不管重量如何,它施加的力量越小。不幸的是,人的眼睛无法舒适地聚焦于太近的地方,这就限制了你放置HMD显示器的距离。

这就提出了一个问题。我们面对世界时正常视野可以延展超过180度。作为参考,一块现代的HMD屏幕可能在对角线上伸展约7英寸(18厘米),当这块屏幕尽可能舒服地接近你的眼睛时,它将填补相对较少的视野。其结果是需要尝试通过一个非常狭窄的视角来查看你的虚拟世界,比如试图用一对眼罩来驾驭现实世界。

解决这个问题的一个办法是在你的脸部和显示器之间放置一个镜头或一系列镜头。我们的目标是使用实质上的放大镜镜头来弯曲光线并为你提供一个比你的裸眼可以看到的更广阔的视野。你甚至可以将屏幕移动到通常不舒服的位置,因为使用了正确的镜头,你的视野将会非常的舒适。

但是,当你引入镜头并试图将小视野变成更宽广的视野时,你会在上述像差中引入新的问题。而相机镜头就利用一堆复杂的镜头,结合它们的畸变,解决了这个问题,至少可以试图消除所有的像差,并给你一张干净的,没有失真的照片。不幸的是,任何摄影师都可以告诉你,所有的这些镜头都增加了重量、长度和相当多的成本。

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目前的解决方案是使用应用在HTC Vive、Oculus Rift和其他HMD中的菲涅耳透镜。菲涅尔透镜相对较薄,并不是一个光滑的形状,具有一系列刻在其中的同心环,根据光线所碰到的透镜的哪一部分来不同地弯曲光线。如果设计得正确,这可以帮助克服仅使用单个镜头(或者在HMD以及一对镜头的情况下)遇到的像差。因此,你不需要像相机那样需要一堆的镜头。

然而,再一次不幸的是,这并不能解决所有问题。虽然菲涅尔透镜提供了一个广阔的视野,但对于单一镜头大多的无色差,他们并没有解决桶形或枕形畸变的问题。

对于现代的HMD来说,目前使用的解决方案是利用软件; 你必须对由于镜头的畸变所产生的反转图像进行预变形。这样一来,当查看图像的时候,就会得到一个(接近)正确的图像。比如说,如果要获得枕形效果,就必须用桶形畸变对图像进行预变形,反之亦然。

在那里,你可以拥有一个宽阔的视野,可以从摆在你面前的更小屏幕看到一个透过镜头的正确图像。

近期和远期未来

目前解决镜头和VR头显的方法虽然聪明但仍然缺乏。那么未来的解决方案是什么呢?根据你所关注的时间范围,有那么几个答案,但最近未来的一个答案再次和“不幸的是”这个词难舍难分。

因为正如我们所说的,不幸的是,菲涅尔透镜不能解决所有问题。不仅是无法满足预扭曲的图像要求,这种图像会让你虚拟视角的焦点部分分辨率更高,而边缘分辨率则变低(这是分辨率太低的VR世界中早已出现的问题),而且菲涅尔透镜本身并不能产生完美集中的图像。这就是为什么相机要使用一大堆昂贵镜头,而不是一个菲涅耳透镜; 即使今天的低分辨率VR头显中的图像也会被他们使用的菲涅耳透镜所模糊。而到了更高分辨率的时候,情况会变得更糟糕。

幸运的是,各种各样的不同公司设计的不同镜头都在寻求解决这个最后(和更多)的问题。Valve和其他公司中已经出现了改进后的VR菲涅耳透镜设计,而所有这些设计都提供了更好的对焦,因此也有了更好的有效分辨率以及更好的放大倍率,这些使得头显设计师可以让显示器更贴近佩戴者的眼睛,并且在一开始的时候就变得更加小巧轻薄。

那更远的未来呢?人们的期望是,在不会太遥远的未来的某个时刻,传统的镜头可以被称为“超材料”的新一类材料完全替代。这个笼统的术语指的是在自然界找不到的具有工程性质的材料。超材料最流行的应用之一就是以令人难以置信的方式来严格控制弯曲光线。

光学超材料背后的想法是使用规则结构来对光线进行弯曲,这些结构比它们弯曲的波长都还要小。这些微小的支柱在不被“测量”(直接与某物发生碰撞或相互作用)的情况下,依靠像波一样的光线的量子力学特性来引导光波去往所需的方向。

因此,从理论上讲,单一的超材料透镜可能会产生很少或没有像差,人们想要多锐利就有多锐利,而且在极其轻薄的包装中也是如此。再次不幸的是,由于光的波长是纳米级别的,这个背后的工程相当棘手,因此超材料“透镜”的有效元素也需要那么小。

幸运的是(能看到这个词在最后出现真好),目前在纳米级别上构建微小结构的工程经验已经相当丰富。所有这一切都意味着我们可以最终看到这些大大改进过的镜头能够早日进入消费市场。

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