為什麼說AR頭顯並非FOV越大體驗感越好?

上個月，一家名為Kura的美國AR初創公司發布一款全新的輕量級AR眼鏡：Gallium。據官網稱，Gallium採用一體化設計，機身重量僅80g，採用自研的結構化幾何光波導方案，視場角高達150°，透光率達95%，亮度也高達4000nit，支持8K解析度和DCI-P3色域。

Gallium的推出，引發了業內人士的討論，有人甚至還曾質疑其真實性。此前青亭網在《AR光學系統全解析》一文中也曾提到過，根據光學公式推算，150°對角線光波導理論上其光學模組尺寸可達135mm x 100mm左右，不僅在體積上不可行，還將產生雙目重疊的問題。

Kura

總之，考慮到目前市面上主流AR頭顯Magic Leap One和HoloLens 2的視場角分別僅為40°x30°和43°x29°，不難想像增大視場角是目前AR光學領域依然需要攻克的難題，畢竟這同時還受到其他因素限制，比如角解析度、亮度、對比度、透光率、圖像偽影、失真、一致性，或者非顯示問題，如：適眼區、大小、重量、電池、成本、耐用性等。

黑色為頭顯遮擋的視覺區域，可見HoloLens 2比Magic Leap One的透視區域大得多

對AR視場角的執著來源於VR？

FOV對於AR固然重要，但就像吃冰淇淋一樣，數量多了很容易產生副作用。不過，現在很多人將FOV作為評判和對比AR頭顯唯一重要的標準，這可能是因為受到了VR影響，而AR和VR從多種方面是非常不一樣的。

VR主打沉浸感，大視場角能更好避免打破沉浸，目前市面上的VR頭顯已經可以做到100°到200°左右，是HoloLens 2視場角的很多倍。同時，VR起步比AR更早一些，人們在體驗過VR的大視場角後，也希望能在AR中看到同等水平，甚至將視場角作為評判標準。

殊不知，AR與VR的應用場景其實並不完全相同，目前AR可能更注重於生產力等場景，旨在為用戶提供信息，也就是說重點在於能夠顯示足夠清晰的文字，因此很多應用場景對於光學模組的解析度要求較高。

理想的角解析度是每像素1弧分，而大多數VR頭顯的角解析度約為每像素5弧分。為了讓用戶看清文字，VR中的字體不得不放大，而且看起來也比較粗（由於紗窗效應），因此文字和數字會佔據大面積FOV。與此同時，人眼掃視的範圍也更大，長時間觀看容易產生視覺疲勞。

若想有效顯示清晰的文字，那麼角解析度需要得到提高。目前，與手機、電腦甚至智慧型手機的屏幕相比，VR顯示屏解析度還有很大差距。

VR與AR光學結構不同

市面上大多數VR頭顯採用手機屏幕大小的平面顯示器和簡單的透鏡，這種結構不僅可降低成本，也能帶來大FOV，缺點是角解析度低。此外，VR頭顯的體積大多笨重，像是在滑雪護目鏡上加上了沉重的附加模塊。

相比之下，AR頭顯的外形設計普遍偏輕，並且具有一定透明度。而且，光學模組採用的微型顯示屏面積約比VR顯示屏小100倍，像素顆粒長度約小12倍。為了讓微型顯示屏的小顆粒像素更適合閱讀，則需要採用較為昂貴的透鏡，而且還需要混合的光學模組結構將數字內容與真實世界融合。

微型顯示屏像素顆粒小意味著解析度高，不過若要提高FOV，微型顯示屏尺寸也需要增大，這樣並不實際。於是，市面上採用微型顯示屏的AR頭顯的角解析度約在每像素1到1.5弧分範圍，並且難以提供50°以上的視場角。除了光學模組本身限制，光波導類型的混合光學本身特性也會限制視場角。

（註：1弧分在閱讀距離大約能顯示300ppi，蘋果曾將首款超過300ppi的iPhone屏幕成為視網膜顯示屏。）

為了提升FOV，也有些較低成本的AR頭顯，採用類似於魚眼原理的半反半透式光學模組，結合類似於手機屏幕大小的顯示屏和一對球面組合器（Meta 2、Mira、DreamWorld、iGlass）。這樣做的好處是FOV變大了（Meta 2視場角可達90°），不過角解析度非常低（與一般的VR頭顯差不多），同時也存在圖像失真、焦點不均勻等缺陷。

此外，儘管混合光學模組體積較大，採用這種技術的AR頭顯體積並不會比光波導光學的AR頭顯更大。

為什麼FOV大不見得是好事

在今年國際光學工程學會舉辦的Photonis West展覽會上，前Google Glass項目的技術主管/經理Thad Starner主張，大FOV不僅犧牲了體積、重量、成本、舒適度、可被社會接受的外形等關鍵元素，而且還可能起到反作用。

Thad Starner

據了解，Starner從1993年開始一直持續使用AR眼鏡，到現在已經26年了。在AR領域裡，他更像是一個逆向思維者，主張降低AR頭顯/眼鏡的FOV，從而優化體積、重量、舒適度和外形等更重要的部分。

Starner覺得，並不是FOV越大越好，AR應該越簡單越好，複雜的光學反而失去了AR的優勢，他願意為了更輕便自然的外形而犧牲AR眼鏡的其他性能。在今年Photonics West上，他本人就佩戴了一副North Focals AR眼鏡，這款眼鏡視場角僅為15°，適眼區小，而且圖像質量一般，不過他覺得適合自己。

大FOV遮擋醫生的手

而他所說的反作用，指的是過多的AR圖像可能會遮擋真實環境中你需要看到的東西，比如外科醫生做手術時的手。此外還建議，或許將AR影像放在正面視覺的一側通常效果比較好。

疊加在真實環境上的AR內容，是會提升用戶的能力，還是會產生幹擾，甚至產生危險，將是一個重要的問題。比如，如果AR頭顯遮擋住用戶的餘光，那麼他是不是就看不到周圍的環境。儘管我們常說，人眼餘光解析度較低，但是它對於周圍的運動足夠敏感，如果受到遮擋，會不會讓過馬路的行人看不到駛來的車輛？

那麼多少FOV夠大呢？

Starner指出，即使是電影院屏幕的視場角其實也不大，THX標準中指出電影屏幕與座位之間的擺放方式只需要為觀眾提供約35到40°的最佳視場角。這是因為視場角太大，觀眾就需要像近距離看桌球一樣來回擺頭，體驗感並不好。Starner甚至還列舉了現有屏幕技術通常所需的FOV，範圍大約在6.4度到55度（橫向視場角）之間。

儘管Starner列舉出的包括一些最低視場角，以及低配iPhone和iPad mini所需的視場角，但是他的觀點足夠合理，大家高估了人眼所需的FOV。

他表示：許多AR的應用場景中，其實並不需要超過30°FOV（相當於普通的HDTV），而且即使是FOV更小的眼鏡也很實用。因此認為，AR的FOV大小與不同的應用場景有關，而且即使是家裡有大尺寸LCD電視的人，在坐著觀看的時候通常也只需要20到30°FOV。

關於固定視覺敏銳區

Bernard Kress論文圖表

那麼對於AR眼鏡來講，到底需要多少視場角來顯示清晰的細節信息呢？對於這個問題，前Google [X] Labs首席光學架構師，現微軟HoloLens合作光學架構師Bernard Kress在論文中用一張圖表解釋了人眼視場角原理。

Wikipedia圖解

圖表中顯示，人眼中央凹（視網膜中視覺最敏銳區域）解析度最高的區域僅佔3°視場角（Wikipedia數據則認為佔5°），不過實際情況也會因不同的中央凹大小和形狀而定，而且中央凹也會受到兒童早期近視等原因影響。總之，人眼視覺最敏銳區域僅佔整體FOV的一小部分。

儘管中央凹是唯一達到20/20視覺的部分，但研究表明其周圍解析度較低的近窩區也可以幫助閱讀文字。同時，人眼會保持持續跳動（飛快掃視，saccade），而人眼視覺系統會結合每次掃視捕捉到的各種解析度快照生成眼前的圖像，這一過程通常人眼察覺不到。

人眼閱讀規律

Starner強調，通常報紙專欄僅佔6.6°橫向視場角（以閱讀距離查看），只有6.6°橫向視場角才可以向人眼傳遞足夠多的文字。

而Kress認為，人眼在一個固定視覺敏銳區中移動中央凹，可保持舒適體驗感，這個區域大概佔40°到50°視場角，不過具體因人而異。同時也有其他研究認為，這一數字在25°到40°之間。

此外，Starner還認為，即使人眼在短時間內可以在固定視覺敏銳區移動自如，但進行不到30分鐘後也會產生視覺疲勞。他引用了Malcolm Haynes 2017年論文中提到的論點：眼球生理學為未來的頭顯設計提供了一些基礎範圍，比如由於眼球運動的機械限制，橫向視場角不應該超過55°，45°以內最佳，而舒適的視覺甚至不超過主要注視點左右的10-20°。

研究還表明，人眼注視點外20°以上的地方不應該持續顯示內容，如此一來，如果AR頭顯將清晰內容顯示在用戶注視點前方，那將有可能阻擋他們的視線，如果顯示在注視點較邊緣的地方，則容易引起視覺疲勞。

而超過固定視覺敏銳區外的內容，可能將需要你通過轉頭而不是轉動眼珠才能看到。通常，人們在看電視的時候會不得不轉頭，不過AR頭顯將顯示屏放到你眼前，本質上應該減少這種情況。

與2D屏幕不同之處

AR頭顯和電視、電腦屏幕有相當大差別，因為你在轉頭的時候頭顯的屏幕也會跟著移動，也就是說內容超出人眼水平注視點15°左右的時候，會忍不住轉頭。

如果使用SLAM和眼球追蹤技術，則可以將AR內容定位在周圍空間中，類似於將顯示屏固定在你四周，不過這將需要儘量模擬人眼跳動和聚焦，才能帶來自然的體驗感。總之，AR頭顯的界面需要與固定的2D顯示屏有所不同。

拿Varjo來講，其VR頭顯為每隻眼睛提供兩塊屏幕，一塊高解析度放在中間，而周圍則採用一塊較低解析度屏幕。不過高解析度屏幕不能隨人眼移動，僅覆蓋32°x18°視場角。為了避免肉眼識別到兩塊屏幕的交界，Varjo甚至將高解析度屏幕的70像素每弧分提升到60像素每弧分，以覆蓋更多視場角，不過這並不是萬無一失，除非將視場角提高到40到50度左右。

相比之下，蘋果在前不久曝光的一項MR全息眼鏡專利中指出，利用多個掃描雷射投影儀和雷射陣列，可為MR頭顯生成一個視網膜投影的注視點渲染方案。據悉，蘋果專利中提及的AR眼鏡包括反射式全息組件，目的就是將光源圖像反射到用戶眼中，同時一併將環境光輸入，提升整體的視覺觀感。

總結

總之，不同應用場景對於AR頭顯的FOV和角解析度要求各有不同，而且FOV並不是決定AR眼鏡體驗感更好的唯一因素，支持清晰文字閱讀的高解析度也十分重要。

對於AR廠商來講，他們自然希望AR眼鏡能兼顧外形和舒適感，只是目前的產品更像是為了兼顧所有元素，而並沒有專注於哪一個。除了儘量提高光學和顯示參數外，甚至還集成計算模塊、傳輸硬體和電池（或採用分體式模塊），結果是這些AR眼鏡只能被比較小眾的B端市場接受，而且幾乎沒有人願意長時間使用。在不使用的時候，還需要用大盒子來進行保存和攜帶。