雲恆製造 發表於 2021-01-07 10:58:34
VR即Virtual Reality，意思是「虛擬實境」，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統。它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到環境中。
在VR領域裡，最被大家所熟知的就是VR眼鏡了。VR眼鏡是「虛擬實境頭戴式顯示器設備」的簡稱，亦可稱為VR頭顯。
VR眼鏡原理
VR眼鏡最重要的配置是兩片透鏡，透鏡表面設計有平凸（非球面）、雙凸和凹凸效果，邊緣薄，中心厚。凸透鏡能修正晶狀體的光源角度，導致人眼重新讀取，達到增大視角、放大畫面、增強立體感的作用，從而讓人感覺身臨其境。
顯示技術是VR眼鏡的核心，顯示技術包括：交錯顯示、畫面交換、視差融合。
1.交錯顯示
交錯顯示的工作原理是將一個畫面分為兩個圖場，即單數描線所構成的單數掃描線圖場或單圖場與偶數描線所構成的偶數掃描線圖場或偶圖場。在使用交錯顯示模式做立體顯像時，我們便可以將左眼圖像與右眼圖像分置於單圖場和偶圖場（或相反順序）中，我們稱此為立體交錯模式。
如果使用快門立體眼鏡與交錯模式搭配，則只需將圖場垂直同步訊號當作快門切換同步訊號即可，即顯示單圖場（即左眼畫面）時，立體眼鏡會遮住使用者的一隻眼睛，而當顯示偶圖場時，則切換遮住另一隻眼睛，如此周而復始，便可達到立體顯像的目的。
由於交錯模式不適於長時間且近距離的操作使用，就計算機顯示周邊技術而言，交錯模式需要顯示硬體與驅動程序的雙重支持之下方可運行。隨著相關顯示周邊技術的進步，非交錯模式已完全取代交錯模式成為標準配備。
2.畫面交換
畫面交互的工作原理是將左右眼圖像交互顯示在屏幕上的方式，使用立體眼鏡與這類立體顯示模式搭配，只需要將垂直同步訊號作為快門切換同步訊號即可達成立體顯像的目的。而使用其它立體顯像設備則將左右眼圖像（以垂直同步訊號分隔的畫面）分送至左右眼顯示設備上即可。
畫面交換提供全解析度的畫面質量，故其視覺效果是四種立體顯示模式中最佳的。
3.視差融合
人之所以能夠看到立體的景物，是因為雙眼可以各自獨立看東西，左右兩眼有間距，造成兩眼的視角有些細微的差別，而這樣的差別會讓兩眼個別看到的景物有一點點的位移。而左眼與右眼圖像的差異稱為視差，人類的大腦很巧妙地將兩眼的圖像融合，產生出有空間感的立體視覺效果在大腦中。
由於計算機屏幕只有一個，而人卻有兩個眼睛，又必須要讓左、右眼所看的圖像各自獨立分開，才能有立體視覺。這時，就可以通過3D立體眼鏡，讓這個視差持續在屏幕上表現出來。通過控制IC送出立體訊號（左眼-》右眼-》左眼-》右眼-》依序連續互相交替重複）到屏幕，並同時送出同步訊號到3D立體眼鏡，使其同步切換左、右眼圖像，換句話說，左眼看到左眼該看到的景像，右眼看到右眼該看到的景像。
3D立體眼鏡是一個穿透液晶鏡片，通過電路對液晶眼鏡開、關的控制，開可以控制眼鏡鏡片全黑，以便遮住一眼圖像；關可以控制眼鏡鏡片為透明的，以便另一眼看到另一眼該看到的圖像。3D立體眼鏡就可以模仿真實的狀況，使左、右眼畫面連續互相交替顯示在屏幕上，並同步配合3D立體眼鏡，加上人眼視覺暫留的生理特性，就可以看到真正的立體3D圖像。
VR眼鏡效果參數
1.FOV
VR眼鏡的兩個鏡片可以看成兩個完全相同的放大鏡，如下圖中光路剖面圖所示，人眼處於左側實線與光軸的焦點處，中間的為雙凸鏡片，右側為屏幕，由於鏡片有彎折光線的作用，人眼看到屏幕最上方x位置，而給人的感覺是沿著虛線從更高的位置進入人眼的，仿佛把屏幕放大到了x』的那麼大，VR頭盔強調的沉浸感，一方面取決於屏幕的大小，另一方面取決於鏡片彎折光線的能力。因此，就引出了可視角（FOV）的概念，這也是廣大VR廠商經常宣傳的一個參數。
目前主要廠商宣稱的FOV統計如下：
可以看出，大部分廠商的FOV都在100°左右，但有學者認為這個參數並沒有非常大的實際價值。首先，不像內存或硬碟的大小，FOV沒有一個可以明確測量的方法，廠商是否會虛標用戶無法確定；第二，人在觀察不處於視野中心的目標時，更傾向於轉頭，而不是斜眼看。引用百度一張人眼視角的示意圖可見，人眼水平最大視角甚至可以超過180度，而單眼舒適視角只有大約60度，在這個方位內人眼視力最敏感，超過了這個範圍人會本能轉頭。所以大家不必太糾結於該參數的大小，而更應該關注60度中心區域內的圖像的清晰程度，以及實際使用佩戴的感受。一般來說，鏡片尺寸越大，人眼會越不容易注意到透鏡邊緣，沉浸感更好，用戶可以較為直觀的比較該參數，目前絕大多數VR頭盔鏡片的尺寸都在50mm左右。
2.清晰度
作為VR界的標杆，DK1在初期鏡片邊緣圖像的清晰度常常被用戶詬病，這正是由於光學設計中的軸外像差所致。離開中心區域稍遠一些，其成像質量就大幅下降。這就好比我們使用質量一般的放大鏡時會發現，邊緣圖像會變模糊，其原因在於受到軸外像差的影響。目前絕大多數公司的處理方法是將透鏡前後兩個面都做非球面設計，如下圖所示，儘可能降低軸外像差，提高邊緣圖像的像質。
目前塑料鏡片的壓模工藝已經非常成熟，可以壓製出光學質量非常高的塑料鏡片，因此像DK2等都採用了雙面非球面的設計，用戶可以關注VR眼鏡的鏡片，如果採用了非球面設計，在清晰度上一般會遠高於非球面。當然，僅僅有優秀的光學設計也是不夠的，製造工藝業對鏡片質量的穩定性也有很高的影響，因此，如果VR廠商能夠尋求大的代工廠為其加工鏡片，也是對產品質量的保證之一。
3.色差
現在絕大部分的VR眼鏡在使用時，都會在邊緣區域出現紅綠藍的色邊，也就是色散現象，這在使用高折射率材料時很容易出現，就像是白光在經過稜鏡後會被分成五顏六色的光線。在DK1中，該現象尤為明顯。從光學設計的角度來說，需要兩種或更多的材料才能消除色散，因此原理上來說單鏡片（一種材料）是無法解決的，DK2為了解決該問題，在圖像顯示之前，先用軟體做了一個相反的顏色補償，如下圖。
該方法僅僅是在軟體層面做了修正，但會對圖像清晰度造成一定影響，而且圖像上的每一個像素都需要做一次反向色散的處理，增加了硬體負擔，會降低圖像的幀率。最好的方法是採用多組材料不同的鏡片組成消色差鏡組，用光學的方法消除色邊。這在鏡頭設計中已非常成熟，如復消色差物鏡（Apochromatic objective），能夠完全消除圖像的色差。
4.畸變
畸變用通俗的話來說就是圖像扭曲變形，給人以中間凸出（桶形畸變）或是凹陷（負畸變），這也屬於像差的一種，是由於入瞳（也就是人眼）處於光學系統中的前後位置不同造成的，對球面鏡片來說，該像差是不可避免的，如下圖左側圖所示，並且隨著FOV的增大，邊緣圖像畸變會更加明顯。為了解決該問題，目前常見的方法是採用非球面的設計，如下圖右所示，它可以大大降低圖像的畸變，而且還能大大減輕鏡的重量，這也是目前高度數眼鏡片不再如瓶底那麼厚的原因。
5.近視調整
目前中國的近視發生率，在高中以上的人口中高達70%以上，而VR眼鏡的使用人群都集中在高學歷人群中，他們在使用時如果不佩戴眼鏡，往往看不清屏幕上的文字，更談不上體驗所謂的沉浸感了，因此會降低VR設備的普及度。
目前國內的VR眼鏡都聲稱不影響400度甚至更高的近視。Oculus解決該問題的方法是配了3組不同度數的鏡片，從光學原理上相當於有配了三組不同視力的眼鏡片，而國內的VR眼鏡大都只有一組鏡片，往往採用兩個方法解決近視問題：一種是佩戴眼鏡，然後再戴VR眼鏡，這種方法確實解決了近視問題，但沉浸感大大削弱，因為人眼不能湊近鏡片，而且同時戴兩副眼鏡的方案也非常笨拙。另一種是不戴眼鏡，而是將屏幕或是手機靠近鏡片，這相當於近視者湊近屏幕看屏幕上的東西，這也會降低沉浸感，因為屏幕邊緣的圖像相當於被移出了畫面，近視者只能看見中間部分的圖像，外側的被裁掉了，該方法的另一個缺陷是近視者更容易看到像素，出現DK1中所謂的紗窗效應，此外，如果使用者左右眼近視度數不同，該方法也無法解決。
其實在很多單眼相機中，就有好的解決方案，單反的目鏡邊上有一個稱為屈光度調節的旋鈕，通過轉動該旋鈕，在一定範圍內的近視使用者也能看清取景器裡的圖像，而無需佩戴眼鏡。其原理如下圖所示，取景器內部由多個獨立的鏡片組成，旋轉旋鈕相當於調節某兩個鏡片之間的距離，從而達到改變進入人眼中光線發散或會聚程度的作用，它可以等效於一個變焦鏡頭。而這類型鏡頭的設計方法已有近百年的歷史，是相當成熟的，如果VR眼鏡的鏡片也由一片以上的鏡片構成，則經過設計也可以達到調節屈光度的效果，用戶不需要佩戴眼鏡也可使用。
VR眼鏡的應用
1.可視化藥物分子結構
VR眼鏡的應用有很多，健康醫療是VR眼鏡應用中不容忽視的領域。有很多關於健康醫療的VR新技術出現。例如用VR可視化藥物分子結構，以幫助新藥研發。有一款叫做4Sight的技術，旨在幫助化學家將複雜分子的結構可視化。
2.外科手術
英國最大兒童醫院，用HoloLens進行外科手術。醫院的工作人員計劃在手術室中使用HoloLens，以便在操作過程中查看患者的治療情況。同時，工作人員還將配合使用SurfaceHub，實現電子存儲諸如圖表、測試和醫學圖像之類的文件。
3.分析大腦健康
某神經技術公司用VR分析運動員大腦健康。為用戶提供交互式VR內容，支持實時反饋，以及可選擇的分級培訓範例。這些功能的主要目的是用於對，使運動員處於額外受傷風險的身體缺陷，進行早期篩查。此外，其還將在康復過程中為專業人員提供支持。
據Digi-Capital的數據顯示，到2020年，VR將會演變為300億美元的大市場。儘管目前該技術仍需要進行測試以及改善，很多公司已經在VR上投入了相當多的人力財力開發產品技術。
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