虚拟现实FOV视场工作原理及给头显带来的挑战

映维网 2016年4月5日)当虚拟现实到达黄金期时,有些元素需要恰当配置。做得好的话,开发者可以传递所谓的临场感。也就是,让用户产生身临其境的感觉,并让大脑相信这一切。

这些要素包括但不限于宽视场、高帧率、高屏幕刷新率、高分辨率、高像素密度和低视觉暂留。YiViAn将在本文着重介绍视场。

1. 什么是视场角?

视场或任意时间周遭环境的可视物是虚拟现实尤为重要的一个因素。视场越宽,用户越容易产生身临其境的感觉。人类视觉是由两部分视场组成的。

单目FOV指的是单眼的视场。正常来说,单眼视场的水平角度即为鼻子与瞳孔间的角度,介于170°-175°之间。鼻子视场通常是60°-65°,鼻子越大,视场角越小。瞳孔与头部所形成的颞骨视场更宽,通常介于100°-110°之间。

有趣的是,不同视场的可视颜色不一。

对大多数人来说,双目视场是两个单目视场的组合。组合时,可视角度通常为200°-220°。两个单目视场重叠立体部分即为双目视场,我们可以看到3D物体。

宽视场有助于产生沉浸感和临场感。不管是真实世界,还是虚拟头显,大多数行动都发生在立体双目视场中。

2. 深度感知工作原理

大脑可通过三种巧妙的方式感知周围的深度。得知物体的实际大小,就能根据眼睛所见的物体大小,推测物体的距离。例如,近处的小汽车会比远处的停车场的小汽车看起来要大。另外,近处的物体会比远处的更快进入视网膜。

如果你朝车窗外看的话,远处的树木几乎是静止不动的,但如果你眨下眼的话,很可能就会错过看不到路标。最后,眼睛的间距约为64mm, 将不同的物体输入大脑,组合成一个3D的图像。图像的差异越大,效果越明显。所以近处的物体看起来深度感立体感更明显,而远处的物体更为平面。

3. 虚拟现实头显制造商要考虑的视场问题

谈到虚拟现实视场,限制因素是透镜,而非瞳孔。为了得到更宽广的视场,你需要缩短与透镜间的距离,或增加透镜的大小。

出于人体工程学的考量,Oculus 和HTC想要制作最轻最小的头显。

虚拟现实头显制造商需要考虑以下这些问题。

使用较轻薄的透镜,透镜与显示屏间的距离就会增大,头显的大小也随之增大。

使用更厚的透镜(放大物体的焦距更短),会缩短与显示屏间的距离。但透镜的厚度会增加新的工程挑战,因为会出现几何失真和色差。因为放大增强,所以需要更高清的显示屏,避免出现纱窗效应(也就是会看到单像素点)。

另一个选择就是固定头显大小,增加透镜与眼睛的间距。但视场会随之缩小,这就是目前小型头显的通病。采用厚透镜,但透镜与眼睛的距离又太近。

当然可使用直径较大的透镜增加视场,但也会面临一些新的挑战。大透镜的中间也会比较厚,重量也会随之增加。这个问题可以通过菲涅尔透镜解决。但第二个问题是不管使用哪种类型的透镜,大透镜都会带来更多的光学像差。

制作头显时,需要考虑以上所有的因素。宽视场,但确保头显不会太大太重,同时保持最佳的体验。

4. Oculus、HTC、星风和Wearality所采取的解决方案

虚拟现实头显游戏领导者Oculus在开发者装备上采用了标准透镜,视场角可达90°,但当注视点远离中心时,会出现大量的图像变形。最新的消费者版Rift采用的是菲涅尔透镜。

所以制造商投入大量的时间、财力定制混合菲涅尔透镜,这对早期尚未进入消费者市场的开发者装备来说不失为一个解决方案。但也不是说这些透镜可以最大化增大视场,增大幅度在10 到 20°。它们可以增强图像的清晰度,减轻头显的重量。同时还添加了机械瞳孔调节器,不管双眼间距,用户都能看到最清晰的图像。

HTC在开发者套装和升级版Pre开发者套装上,他们都采用了菲涅尔透镜。菲涅尔透镜一面是有螺纹的,将屏幕上的光线折射到螺纹上,图像会出现光晕。在早期开发者装备中,光晕被称为Mura,感觉像是图像上覆盖着一层超薄亚麻黑色材料。但在新的Pre开发者装备上,也会出现,HTC添加了Mura修正,锐化图像。

Wearality公司尚未进入PC头显游戏市场(至少目前还没有),带来了突破性的透镜技术,并置入可兼容的移动端手机,在kickstarter上进行众筹。他们带来了弯曲的菲涅尔透镜,视场可增加到150°。据说,效果还不稳定,但总的来说还是不错。

最后是星风工作室。游戏制作公司星风工作室收购了Infiniteye公司,虚拟现实头显配备了两个显示屏而非一个。显示屏采用了横向模式,在中央倾斜,置于用户头部的一旁。一些高定透镜可带来更大的视场。也正因此,星风工作室带来了最真实的视场,但也需要付出一定的代价。屏幕空间越大,渲染功能要更强大。

Oculus和HTC都需要配备高级电脑去运行头显。按理说,要达到星风头显的质量,电脑的功能要更强大。但星风头显的推出时间尚未公布,但显然它们已经准备进入市场了。


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颜昳华

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