讓你玩VR玩到吐的元兇 起底VR鏡頭的那些門道
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導讀：如今市面上的讓玩VR設備品類繁多，質量也良莠不齊。元兇隨著買到VR的起底使用者越來越多，人們在新鮮勁過了之后，門道對于VR的讓玩抱怨和質疑也不絕于耳。玩VIVE雖然high，元兇但是起底很多移動類型的VR盒子，體驗起來實在是門道一言難盡。
今天智能內參邀請了映墨科技的讓玩光學設計師黃治來為大家從光學器件和性能的角度解答諸多疑惑。黃治畢業于浙江大學，元兇是起底光學工程博士。曾任華為多媒體研究院工程師。門道
VR鏡片的讓玩評價標準
黃博士將VR鏡片按照設備整體的品質指標總結為八條標準：圖像清晰、沉浸感好、元兇畸變小、起底色散小、重量輕、價格優勢、可加工性能好、以及使用人群廣。
1.圖像清晰
（1）MTF值高
攝影愛好者可能熟悉MTF曲線，全稱為調制傳遞函數（Modulation Transfer Function），這是一種通過數學函數表現鏡頭對圖像作用的衡量工具。MTF是一個歸一化的數值，反映了鏡頭對物體的還原能力，數值越高，則鏡片品質越好。
（上圖為尼康鏡頭AF-S-NIKKOR-35mm-f1.8G-ED的MTF曲線。）
攝影愛好者們對于MTF值反映鏡頭成像質量的幾條通用的標準體現為：
1. MTF值越接近1越好，即MTF線越高越好2.粗線（上圖的紅線）越高，說明鏡頭的反差表現越好3.細線（上圖的藍線）越高，說明鏡頭的分辨率越好4. MTF曲線越平坦，說明邊緣和中心的成像差距越小5.實線和虛線越接近，說明鏡頭的焦外成像越好
不同類型的VR設備，其構成模塊都有不同，但即便原理最簡單的VR盒子也需要光學模塊，這一部分是使用者最直接體驗的性能。 而就元件品質而言，MTF的衡量標準是光學元件通用的。
（2）像差小
像差（Optical aberration）反應理論成像與鏡頭（或鏡頭組合）實際成像的偏差。在光學系統設計中，盡可能減小相差是重要的指標。
（3）孔徑大
這里指的是鏡頭的數值孔徑。數值孔徑越大，鏡頭的空間分辨率越高，成像越明亮。但景深也會越淺，同時容易引入像差。
2.沉浸感好
（1）FOV大
FOV（Field of view ）指的是鏡頭的視場，也就是通過鏡頭能觀測物空間的范圍。通過焦距或其他物距參數進行換算，就是我們常說的視場角。視場越大，沉浸感越好。
（2） 清晰度一致
成像質量均勻一致，用戶才不會“一秒出戲”。
3.畸變小
畸變其實也是前文中我們所說“像差”的一種。它的產生是由于物方與鏡頭主光軸存在垂直偏差。鏡頭焦距的不同會使得成像容易產生不同的畸變。
畸變越小，對其矯正就越少，清晰度的損失也就越小。
4.色散小
色散是一個很常見的光學現象，反映了波長不同的單色光在成像時表現出的位置偏移。反映在鏡頭成像時就是這個樣子。（是不是找到了手機拍照渣畫質的一大元兇了？）
（上圖引用自網友對索尼RX100 II鏡頭的評測）
同樣也是基于對色散的矯正，會議損失畫面清晰度為代價，所以需要成像系統色散越小越好。
5.重量輕
現階段VR設備基本都是頭帶式，所以需要重量輕、折射率高、密度小。
6.價格優勢
出于對于成本的控制，價格具備優勢的鏡片更利于大批量生產，同時還要考慮元件用料，以及鏡片的成品率等問題。
7.可加工性能好
鏡片作為VR設備的中間元件，在設備制造過程中還需要進行加工。需要鏡片公差松、中間邊緣厚度比較小、鏡片制成材料熱穩定性好。
8.使用人群廣
針對用戶千姿百態的眼睛，甚至眼鏡，產品設計出來都要使用舒適且便捷，就需要做到瞳距可調、近視可調、能戴眼鏡（出瞳距大）。
最后產品能呈現出來，就是設計者和制造者盡可能符合上面各個標準的折中方案。
兩種常見的VR鏡頭方案：
在認識到上面說的基本指標基礎上，黃博士向我們簡單介紹了目前VR設備常見的兩種設計方案。
雙鏡片方案
這種方案采用的是兩片非球面光學鏡片，實現的視場角較大，可以達到108°。特點則表現在以下三個地方：
3.采用雙非球面鏡片組結構，清晰度高，畸變小。
雙面菲涅爾鏡片方案
上面動圖對于菲涅爾透鏡的原理講解的不能更明白了。這種透鏡又稱為螺紋透鏡，長得就像下面的樣子。當然，下圖其實是HTC VIVE采用的鏡頭。
這種方案焦距為32mm，視場角更大一點，可以達到110°，厚度僅為10mm。厚度薄、重量輕、材質選擇范圍大都是這種方案的優點。不過其設計難度較大，制造也比較困難，同時精度也要求更高。
而未來VR鏡片的發展方向主要會在元器件性能、光學設計方案、成像基本原理以及鏡片材質方面尋求突破。
供應鏈江湖門道多
當然，除了VR設備對鏡片的品質需求外，黃博士還對供應鏈上的鏡頭品質做了介紹。
從材質上看，VR設備不會采用玻璃鏡頭，而是使用較輕的塑料鏡頭，最常用的材質是有機玻璃，我們常說的亞克力或者PMMA指的都是它。折射率較高、性能較好的很多鏡片，其實是日本化工方向的大廠將粉末狀的工業原料銷往國內，再由國內鏡片廠商重新制造而成。
據黃博士介紹，VR鏡頭相關的供應鏈廠商有大立光、索尼等等，國內鏡頭做的最好的是余姚的舜宇光學，而深圳做鏡片的廠商則更多，國內眾多VR廠商也大多使用深圳的鏡片。根據智東西此前的了解，Oculus Rift CV1 光學鏡頭采用的就是菲涅爾鏡片方案，鏡片供應商為歌爾股份，他們同時也是Oculus Rift CV1和PS VR的代工方。
（上圖為Oculus Rift CV1 鏡頭）
除了主機類型VR設備外，一體機類型產品相比之下，采用的鏡頭則在品控上較主機類三大頭顯有一定差距，主要是由于這一類自帶屏幕的VR設備與內部鏡片匹配度不同，導致了前文說的各參數產生了不同程度上的差異。所以我們也可想而知，據稱使用“成本僅在1塊錢，最多不超過3塊錢”的廉價鏡頭制成的移動VR產品，手機屏幕和鏡片匹配度的問題無法解決，屏幕的幀率和分辨率也要做出一定的妥協，影響體驗也就在所難免了。
不必擔心VR太近傷眼睛
這里黃博士順便向我們科普了一下VR總是帶著不太舒服這方面的種種問題。
基本上，剛剛我們提到的鏡頭和光學設計品質帶來的影響就是：做得好你就感受不到，做得差你就“辣眼睛”了。幀率和分辨率也要比較給力的設備才會讓你玩著不暈。但是設備太重也總是“壓得人抬不起頭”。最關鍵的是，除了玩游戲，我們大概很難以沉浸的方式觀影太久，盡管通過計算法可以改善眼鏡過度接受信息的情況，但是看久了你還是會累。至于距離太近傷眼睛這種問題，則不必擔心。
你如果像上圖的熊孩子這么看，那當然是在作妖。而VR屏幕盡管距離近，但鏡頭存在的作用就是將成像調節為人眼舒適的距離，身臨其境和“屏幕糊一臉”那不是一回事。
結語
VR技術最終能夠以產品的形式呈現在我們眼前，除了光學設計，還需要算法進行配合。無論是自行進行底層算法的開發，還是使用英偉達、高通等大廠開放的SDK?都是影響我們最終體驗的重要環節。算法方面雖有大廠領跑，但光學元件卻沒有行業標準，各類鏡片質量良莠不齊，也無法做到通用。
同時，這一領域較為專門，業內人才也比較稀缺，華為這樣體量并注重研發的大型企業可能會有相應的技術儲備，創業公司主要還是在供應鏈的基礎上進行“積木式創新”。盡管在VR方面我們對于光學設計的影響體會還不深，但在AR的層面上，無論是全息立體成像的HoloLens，還是主打光場技術的Magic Leap，都是以創新性的光學設計為先導，以強大的計算性能和算法為支撐，才最終誕生了顛覆想象力的新設備。（所以AR其實不是拿手機抓小精靈這么簡單哦！）
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今天智能內參邀請了映墨科技的讓玩光學設計師黃治來為大家從光學器件和性能的角度解答諸多疑惑。黃治畢業于浙江大學，元兇是起底光學工程博士。曾任華為多媒體研究院工程師。門道
VR鏡片的讓玩評價標準
黃博士將VR鏡片按照設備整體的品質指標總結為八條標準：圖像清晰、沉浸感好、元兇畸變小、起底色散小、重量輕、價格優勢、可加工性能好、以及使用人群廣。
1.圖像清晰
（1）MTF值高
攝影愛好者可能熟悉MTF曲線，全稱為調制傳遞函數（Modulation Transfer Function），這是一種通過數學函數表現鏡頭對圖像作用的衡量工具。MTF是一個歸一化的數值，反映了鏡頭對物體的還原能力，數值越高，則鏡片品質越好。
（上圖為尼康鏡頭AF-S-NIKKOR-35mm-f1.8G-ED的MTF曲線。）
攝影愛好者們對于MTF值反映鏡頭成像質量的幾條通用的標準體現為：
1. MTF值越接近1越好，即MTF線越高越好2.粗線（上圖的紅線）越高，說明鏡頭的反差表現越好3.細線（上圖的藍線）越高，說明鏡頭的分辨率越好4. MTF曲線越平坦，說明邊緣和中心的成像差距越小5.實線和虛線越接近，說明鏡頭的焦外成像越好
不同類型的VR設備，其構成模塊都有不同，但即便原理最簡單的VR盒子也需要光學模塊，這一部分是使用者最直接體驗的性能。 而就元件品質而言，MTF的衡量標準是光學元件通用的。
（2）像差小
像差（Optical aberration）反應理論成像與鏡頭（或鏡頭組合）實際成像的偏差。在光學系統設計中，盡可能減小相差是重要的指標。
（3）孔徑大
這里指的是鏡頭的數值孔徑。數值孔徑越大，鏡頭的空間分辨率越高，成像越明亮。但景深也會越淺，同時容易引入像差。
2.沉浸感好
（1）FOV大
FOV（Field of view ）指的是鏡頭的視場，也就是通過鏡頭能觀測物空間的范圍。通過焦距或其他物距參數進行換算，就是我們常說的視場角。視場越大，沉浸感越好。
（2） 清晰度一致
成像質量均勻一致，用戶才不會“一秒出戲”。
3.畸變小
畸變其實也是前文中我們所說“像差”的一種。它的產生是由于物方與鏡頭主光軸存在垂直偏差。鏡頭焦距的不同會使得成像容易產生不同的畸變。
畸變越小，對其矯正就越少，清晰度的損失也就越小。
4.色散小
色散是一個很常見的光學現象，反映了波長不同的單色光在成像時表現出的位置偏移。反映在鏡頭成像時就是這個樣子。（是不是找到了手機拍照渣畫質的一大元兇了？）
（上圖引用自網友對索尼RX100 II鏡頭的評測）
同樣也是基于對色散的矯正，會議損失畫面清晰度為代價，所以需要成像系統色散越小越好。
5.重量輕
現階段VR設備基本都是頭帶式，所以需要重量輕、折射率高、密度小。
6.價格優勢
出于對于成本的控制，價格具備優勢的鏡片更利于大批量生產，同時還要考慮元件用料，以及鏡片的成品率等問題。
7.可加工性能好
鏡片作為VR設備的中間元件，在設備制造過程中還需要進行加工。需要鏡片公差松、中間邊緣厚度比較小、鏡片制成材料熱穩定性好。
8.使用人群廣
針對用戶千姿百態的眼睛，甚至眼鏡，產品設計出來都要使用舒適且便捷，就需要做到瞳距可調、近視可調、能戴眼鏡（出瞳距大）。
最后產品能呈現出來，就是設計者和制造者盡可能符合上面各個標準的折中方案。
兩種常見的VR鏡頭方案：
在認識到上面說的基本指標基礎上，黃博士向我們簡單介紹了目前VR設備常見的兩種設計方案。
雙鏡片方案
這種方案采用的是兩片非球面光學鏡片，實現的視場角較大，可以達到108°。特點則表現在以下三個地方：
- 正常視力到800度近視人群均可使用（無需佩戴眼鏡），獨立調節。
3.采用雙非球面鏡片組結構，清晰度高，畸變小。
雙面菲涅爾鏡片方案
上面動圖對于菲涅爾透鏡的原理講解的不能更明白了。這種透鏡又稱為螺紋透鏡，長得就像下面的樣子。當然，下圖其實是HTC VIVE采用的鏡頭。
這種方案焦距為32mm，視場角更大一點，可以達到110°，厚度僅為10mm。厚度薄、重量輕、材質選擇范圍大都是這種方案的優點。不過其設計難度較大，制造也比較困難，同時精度也要求更高。
而未來VR鏡片的發展方向主要會在元器件性能、光學設計方案、成像基本原理以及鏡片材質方面尋求突破。
供應鏈江湖門道多
當然，除了VR設備對鏡片的品質需求外，黃博士還對供應鏈上的鏡頭品質做了介紹。
從材質上看，VR設備不會采用玻璃鏡頭，而是使用較輕的塑料鏡頭，最常用的材質是有機玻璃，我們常說的亞克力或者PMMA指的都是它。折射率較高、性能較好的很多鏡片，其實是日本化工方向的大廠將粉末狀的工業原料銷往國內，再由國內鏡片廠商重新制造而成。
據黃博士介紹，VR鏡頭相關的供應鏈廠商有大立光、索尼等等，國內鏡頭做的最好的是余姚的舜宇光學，而深圳做鏡片的廠商則更多，國內眾多VR廠商也大多使用深圳的鏡片。根據智東西此前的了解，Oculus Rift CV1 光學鏡頭采用的就是菲涅爾鏡片方案，鏡片供應商為歌爾股份，他們同時也是Oculus Rift CV1和PS VR的代工方。
（上圖為Oculus Rift CV1 鏡頭）
除了主機類型VR設備外，一體機類型產品相比之下，采用的鏡頭則在品控上較主機類三大頭顯有一定差距，主要是由于這一類自帶屏幕的VR設備與內部鏡片匹配度不同，導致了前文說的各參數產生了不同程度上的差異。所以我們也可想而知，據稱使用“成本僅在1塊錢，最多不超過3塊錢”的廉價鏡頭制成的移動VR產品，手機屏幕和鏡片匹配度的問題無法解決，屏幕的幀率和分辨率也要做出一定的妥協，影響體驗也就在所難免了。
不必擔心VR太近傷眼睛
這里黃博士順便向我們科普了一下VR總是帶著不太舒服這方面的種種問題。
基本上，剛剛我們提到的鏡頭和光學設計品質帶來的影響就是：做得好你就感受不到，做得差你就“辣眼睛”了。幀率和分辨率也要比較給力的設備才會讓你玩著不暈。但是設備太重也總是“壓得人抬不起頭”。最關鍵的是，除了玩游戲，我們大概很難以沉浸的方式觀影太久，盡管通過計算法可以改善眼鏡過度接受信息的情況，但是看久了你還是會累。至于距離太近傷眼睛這種問題，則不必擔心。
你如果像上圖的熊孩子這么看，那當然是在作妖。而VR屏幕盡管距離近，但鏡頭存在的作用就是將成像調節為人眼舒適的距離，身臨其境和“屏幕糊一臉”那不是一回事。
結語
VR技術最終能夠以產品的形式呈現在我們眼前，除了光學設計，還需要算法進行配合。無論是自行進行底層算法的開發，還是使用英偉達、高通等大廠開放的SDK?都是影響我們最終體驗的重要環節。算法方面雖有大廠領跑，但光學元件卻沒有行業標準，各類鏡片質量良莠不齊，也無法做到通用。
同時，這一領域較為專門，業內人才也比較稀缺，華為這樣體量并注重研發的大型企業可能會有相應的技術儲備，創業公司主要還是在供應鏈的基礎上進行“積木式創新”。盡管在VR方面我們對于光學設計的影響體會還不深，但在AR的層面上，無論是全息立體成像的HoloLens，還是主打光場技術的Magic Leap，都是以創新性的光學設計為先導，以強大的計算性能和算法為支撐，才最終誕生了顛覆想象力的新設備。（所以AR其實不是拿手機抓小精靈這么簡單哦！）
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