浅析VR透镜与视场角

1、浅析VR透镜与视场角VRDreamworks 2016-06-20 收藏6 评论5 原始标题： 相信看过VR发布会，或者VR产品的朋友，都会看到厂商的ppt或者广告，会嘶声力竭的喊，自己的VR眼镜的视场角是多少，是多么的好！比如下图是某厂商的广告截图：那么，厂商所得意的100度视场角，到底是几个意思？请容晓峰为您细细说来。什么是视场角视场角，英文Field Of View，简称FOV。根据两种应用情况，视场角有2种定义。1. 在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角，称为视场角。如下图。视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野

2、就越大，光学倍率就越小。通俗地说，目标物体超过这个角就不会被收在镜头里。2. 在显示系统中(比如电视)，视场角就是显示器边缘与观察点（眼睛）连线的夹角。例如下图中，COD角就是水平视场角，AOC就是垂直视场角。对VR来说，其定义应属于第一种。(虽然VR既有显示屏也有镜片)也就是说，厂商宣布他的产品的视场角，指的是该VR眼镜的某一个镜片的视场角！换言之，视场角就是镜片的一个参数而已。举个例子。比如下图，眼睛通过VR透镜去看一个人物，如果这个人物很高的话，那是看不全的，我们所能看到的最高和最低处的光线通过透镜折射进入眼睛，2个折射线的夹角，就是FOV。(即眼睛前的2根红线的夹角)VR视场角FOV的

3、大小测量如上文所说，如果一个VR镜片做好了，那么其FOV就定了。那么，VR镜片的工程师，在实际工作中如何测量FOV呢？在入瞳处用一束平行光照向透镜，测量显示屏上的光斑高度（屏放在焦点处），及光束与中心轴的角度，既测量出 角度与像高关系（即畸变）也可以测出最大视场，平行光可以是由平行光管产生，也可以是激光束。下图中，在入瞳处3个点射出3根平行光：如果是水平向右，则3根都聚焦到中心轴；慢慢向右上方射出，则3根都聚焦到屏幕上且焦点慢慢上移；慢慢上移，直到屏幕看不到焦点了，此时的平行光与中心轴的夹角，就是FOV的一半。即FOV = 2 *VR透镜的原理首先，先闲聊一下VR眼镜的结构：透镜+屏幕。如果屏

4、幕是直接嵌入在头盔的，并且不需要连接PC（此时头盔必然装有高性能的芯片+软件系统来运行VR内容，比如游戏），可称为VR一体机。比如大朋VR一体机。如果屏幕直接嵌入头盔，但是要连接PC，VR内容（比如游戏）的运行都在PC，可称为VR头盔（分体机）。比如Oculus Rift, Microsoft Holo, HTC VIVE。如果只有眼镜，没有屏幕，而是外接各种型号的手机作为屏幕，那可称为VR镜架。比如三星Gear VR，暴风魔镜。下图是眼睛/屏幕/透镜的关系图, 由图可知视场角是*2。透镜其实就是放大镜，为何要放大？因为人有明视距离，太近的东西看不清楚。一般大于25cm的距离才能看清楚。想必你

5、把手机直接放在你眼前5cm，你是看不清屏幕的东西吧。有人就要问了，那可以把手机放到25cm外呀？其实，那更不行了，25cm，意味着这个镜架的长度至少25cm了，这么大，戴到头上如何受得了！既然是放大镜，那根据放大镜原理，屏幕必须放在焦距以内，才能放大。放大以后，人眼看到的虚像位置，符合下面的公式：根据公式，假设焦距f=7cm, 物距(屏幕到透镜中心距离)u=6cm, 那么虚像位置就是42cm。满足人的明视距离大于25cm的要求。现在VR设计，一般透镜在眼前1-1.5cm处，屏幕距透镜3-6cm，虚像成像在眼前25cm50cm左右。对于近视，像距需要变短，而物距(屏幕与透镜距离)一般做好了就无法

6、改变，所以可以增大焦距f，即通过换透镜来改善。此外，在设计VR时，在物距，焦距等几个参数的调整中，基本都是几毫米的微调，需要权衡虚像距离过大（放大倍数大）而带来的像素颗粒感问题 和 虚像距离过近而带来的不够明视距离、视野较小等问题。VR透镜的设计好的VR眼镜设计，就是视场的边缘，接近于屏幕边框。这样沉浸感最好。如下图所示。如果FOV偏小，就会导致浪费像素。FOV偏大，就更糟糕，可以看到屏幕边缘。那就毫无沉浸感可言了。前文讨论的VR镜片，其实是一个理想镜片。如下图所示，从上往下看，是一个圆形。但实际制作时，会做一定的切割。例如从上往下看时，会做如下的切割。下图就是某厂商的某个VR镜片的各方向视图

7、。（分别是主视图，俯视图，左视图）由于切割大小不同，这意味着，下图中,w, h, m方向的FOV是会有所差异的。比如垂直的h方向FOV是90度，水平的w方向FOV是80度。实际观影的效果可能如下图所示。抽取算法与FOV的关系首先科普一下全景视频在VR中是如何使用的。通常(且不说各家公司做的各种优化方案)，全景视频的每一帧图像，宽高都是2:1，因为全景的话，水平环视一周360度，上下看是180度。这和地球的经纬度是一样的。VREYziaPbqicXQ3RIw/0?wx_fmt=png class= data-type=png data-ratio=0.3488372093023256 data-

8、w=516 /这全景图像如何使用呢？对程序来说，其实就是把图像作为纹理，贴到一个球面模型上。就像地球仪，上面的图拉伸开了，就是一张全景图。人站在球心，那么，往任何方向看，都是有东西的。这就是虚拟现实的意义：戴上眼镜后，往哪里看，都有东西，感觉就在一个虚拟的环境中。抽取算法，就是在你头部转动时，决定抽球面模型的哪一部分内容，放到屏幕让你看！如下图所示： 比如，你往正前方看，能看到图中红色区域，那么，软件就要把这部分内容抽出来，放到屏幕。当你转动头部，假设慢慢往上抬头，那么，红色区域也要往上移，意味着要抽取新的内容。一般，人眼对大约20ms以内的延迟图像发觉不了，所以只要软件能在获得头部转动的新位

9、置后，20ms内抽出新的内容给你看，那你就不会头晕，沉浸感就有了！（早期VR兴起，延迟是一个关键问题，也是各家厂商含泪宣传的卖点，不过现在已经有各种方法能把延迟时间缩小到20ms内了）虽然头部转动，位置会不停的变，但是人眼看的范围总是变不了的，不管往哪里转，最多也就看到一部分内容。上图的与就是水平与垂直FOV，假设都是90度。那这个FOV就决定了人眼能看到的范围。假设现在厂商镜片做好了，FOV参数是90度，那么，程序做抽取时，除了要根据头部位置，决定抽哪里的内容，还要根据FOV参数，决定抽多少内容！总结说了这么多，做个小总结吧。VR眼镜的结构：透镜+屏幕。透镜其实就是放大镜，因为屏幕距离眼睛很近，小于25