超薄VR方案中的鬼影

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一、鬼影、眩光的定义

在成像光学系统中,物体发出的主要光线遵循几何光学规律,在像面或者指定面形成相应的像,被称为主像,但并非所有的光线都能如此理想,与主像相对的,系统中往往还存在非理想因素带来的杂散光。这些杂散光往往由透镜界面多次反射、透镜缺陷散射、物理结构散射等造成。实际应用场景中,这些杂散光往往会在画面中的某个位置形成“像”,被称为“鬼像”(ghost),照相机行业中,有时也将逆光拍摄时由强光带来的鬼影称为“眩光”(Flare)。

不论是鬼影还是眩光,这些杂散光带来的直接影响是图像质量的降低,主要是对比度以及MTF等;

二、超薄VR方案中的鬼影

超薄VR方案也被形象得称为pancake,这是一种正在受到越来越多关注的新型光学方案,其主要思路在于通过反射元件进行光路折叠,从而压缩光学模组厚度,使得整机更加轻薄。

最初的pancake方案于上世纪60~70年代被提出,它通过两个半透半反镜来实现折叠,经过一次“折返”,系统的光效迅速下降到了(1/2)4即1/16,而更为棘手的是其对比度非常低,因为两个强反射面的存在,其鬼影问题远比经过增透处理的常规透镜严重,因而一直没有得到应用。直到上世纪90年代,通过将偏振引入光路,并且利用PBS具有透射P反射S的效果,搭配偏振转换元件,使系统理论效率提升到(1/2)2即1/4,同时也显著改善了图像对比度,成为非常有希望的下一代光学方案。

即便改善了光效,Pancake方案面临的鬼影问题,仍然较常规非球面/菲涅尔方案更为严重。Pancake的诸多鬼影,其来源各不相同,这些重影在画面中的表现也不一而足,有的能够清晰成像,有的则以光斑的形态存在。比如下图是用相机在高曝光下拍摄的一个Pancake的图像,当镜头在eyebox中正对模组进行拍摄时,主像上漂浮一层“光晕”,几乎充满整个视场(下图),而主像(图中的白色方块)的附近还有其它一些鬼影的存在,这些鬼影的存在,严重影响了用户对于图像对比度的感知。

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三、Pancake鬼影的测量

鬼影的测量,主要采用其相对主像的强度,比如照相物镜,即测量CMOS接收到的鬼影与主像的比值,但是对于VR/AR用镜头,其主像为虚像,因此需要采用一类似人眼的镜头,在指定位置处拍摄(通常为eyebox),捕获图片,以此模拟人眼看到的效果。Pancake鬼影的测量即基于此,基本的步骤如下:

  • 1. 固定测试相机,使得镜头入瞳位于Eyebox处,拍摄特定测试图(见下);
  • 2. 校正Gamma,将强度还原到线性空间中,分别记录不同视场的黑块/白块的平均亮度;
  • 3. 计算不同视场的鬼影度以及整体视场的平均值

测试卡的选择

测试卡的选择,一方面参照鬼影衡量的行业标准和经验,另一方面参照VR的使用场景,最终我们选用如下三张测试卡:

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  • 第一张测试卡主要用来测试黑色背景下鬼影的强度,主要表现为“晕”;
  • 第二张测试卡主要用来衡量整个画面的对比度分布;
  • 第三章测试卡主要用来衡量画面中存在的眩光,属于ISO推荐的测试卡;

四、鬼影度性能对比衡量

下表是惠牛已经量产的方案与市场主要方案的性能对比;

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从体验上来看,鬼影度越低,偏色越不明显,用户的主观感受越好。惠牛的模组在各种典型场景下的鬼影度比行业主流产品平均低30%,同时偏色现象得到明显改善,因此具有更强的竞争力。

测试图卡实拍效果对比(Flare)

Picture5

某知名品牌VR模组实拍

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惠牛VR模组实拍

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责任编辑:小新
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