VR即Virtual Reality，意思是“虛擬現(xiàn)實(shí)”，是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到環(huán)境中。

在VR領(lǐng)域里，最被大家所熟知的就是VR眼鏡了。VR眼鏡是“虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示器設(shè)備”的簡(jiǎn)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(shè)計(jì)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(dǎo)致人眼重新讀取，達(dá)到增大視角、放大畫面、增強(qiáng)立體感的作用，從而讓人感覺身臨其境。

顯示技術(shù)是VR眼鏡的核心，顯示技術(shù)包括：交錯(cuò)顯示、畫面交換、視差融合。

1.交錯(cuò)顯示

交錯(cuò)顯示的工作原理是將一個(gè)畫面分為兩個(gè)圖場(chǎng)，即單數(shù)描線所構(gòu)成的單數(shù)掃描線圖場(chǎng)或單圖場(chǎng)與偶數(shù)描線所構(gòu)成的偶數(shù)掃描線圖場(chǎng)或偶圖場(chǎng)。在使用交錯(cuò)顯示模式做立體顯像時(shí)，我們便可以將左眼圖像與右眼圖像分置于單圖場(chǎng)和偶圖場(chǎng)（或相反順序）中，我們稱此為立體交錯(cuò)模式。

如果使用快門立體眼鏡與交錯(cuò)模式搭配，則只需將圖場(chǎng)垂直同步訊號(hào)當(dāng)作快門切換同步訊號(hào)即可，即顯示單圖場(chǎng)（即左眼畫面）時(shí)，立體眼鏡會(huì)遮住使用者的一只眼睛，而當(dāng)顯示偶圖場(chǎng)時(shí)，則切換遮住另一只眼睛，如此周而復(fù)始，便可達(dá)到立體顯像的目的。

由于交錯(cuò)模式不適于長(zhǎng)時(shí)間且近距離的操作使用，就計(jì)算機(jī)顯示周邊技術(shù)而言，交錯(cuò)模式需要顯示硬件與驅(qū)動(dòng)程序的雙重支持之下方可運(yùn)行。隨著相關(guān)顯示周邊技術(shù)的進(jìn)步，非交錯(cuò)模式已完全取代交錯(cuò)模式成為標(biāo)準(zhǔn)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(hào)作為快門切換同步訊號(hào)即可達(dá)成立體顯像的目的。而使用其它立體顯像設(shè)備則將左右眼圖像（以垂直同步訊號(hào)分隔的畫面）分送至左右眼顯示設(shè)備上即可。

畫面交換提供全分辨率的畫面質(zhì)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?yàn)殡p眼可以各自獨(dú)立看東西，左右兩眼有間距，造成兩眼的視角有些細(xì)微的差別，而這樣的差別會(huì)讓兩眼個(gè)別看到的景物有一點(diǎn)點(diǎn)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(chǎn)生出有空間感的立體視覺效果在大腦中。

由于計(jì)算機(jī)屏幕只有一個(gè)，而人卻有兩個(gè)眼睛，又必須要讓左、右眼所看的圖像各自獨(dú)立分開，才能有立體視覺。這時(shí)，就可以通過3D立體眼鏡，讓這個(gè)視差持續(xù)在屏幕上表現(xiàn)出來。通過控制IC送出立體訊號(hào)（左眼-》右眼-》左眼-》右眼-》依序連續(xù)互相交替重復(fù)）到屏幕，并同時(shí)送出同步訊號(hào)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(gè)穿透液晶鏡片，通過電路對(duì)液晶眼鏡開、關(guān)的控制，開可以控制眼鏡鏡片全黑，以便遮住一眼圖像；關(guān)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(shí)的狀況，使左、右眼畫面連續(xù)互相交替顯示在屏幕上，并同步配合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(shù)

1.FOV

VR眼鏡的兩個(gè)鏡片可以看成兩個(gè)完全相同的放大鏡，如下圖中光路剖面圖所示，人眼處于左側(cè)實(shí)線與光軸的焦點(diǎn)處，中間的為雙凸鏡片，右側(cè)為屏幕，由于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(jìn)入人眼的，仿佛把屏幕放大到了x’的那么大，VR頭盔強(qiáng)調(diào)的沉浸感，一方面取決于屏幕的大小，另一方面取決于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(jīng)常宣傳的一個(gè)參數(shù)。

目前主要廠商宣稱的FOV統(tǒng)計(jì)如下：

可以看出，大部分廠商的FOV都在100°左右，但有學(xué)者認(rèn)為這個(gè)參數(shù)并沒有非常大的實(shí)際價(jià)值。首先，不像內(nèi)存或硬盤的大小，F(xiàn)OV沒有一個(gè)可以明確測(cè)量的方法，廠商是否會(huì)虛標(biāo)用戶無法確定；第二，人在觀察不處于視野中心的目標(biāo)時(shí)，更傾向于轉(zhuǎn)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(gè)方位內(nèi)人眼視力最敏感，超過了這個(gè)范圍人會(huì)本能轉(zhuǎn)頭。所以大家不必太糾結(jié)于該參數(shù)的大小，而更應(yīng)該關(guān)注60度中心區(qū)域內(nèi)的圖像的清晰程度，以及實(shí)際使用佩戴的感受。一般來說，鏡片尺寸越大，人眼會(huì)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(shù)，目前絕大多數(shù)VR頭盔鏡片的尺寸都在50mm左右。

2.清晰度

作為VR界的標(biāo)桿，DK1在初期鏡片邊緣圖像的清晰度常常被用戶詬病，這正是由于光學(xué)設(shè)計(jì)中的軸外像差所致。離開中心區(qū)域稍遠(yuǎn)一些，其成像質(zhì)量就大幅下降。這就好比我們使用質(zhì)量一般的放大鏡時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，邊緣圖像會(huì)變模糊，其原因在于受到軸外像差的影響。目前絕大多數(shù)公司的處理方法是將透鏡前后兩個(gè)面都做非球面設(shè)計(jì)，如下圖所示，盡可能降低軸外像差，提高邊緣圖像的像質(zhì)。

目前塑料鏡片的壓模工藝已經(jīng)非常成熟，可以壓制出光學(xué)質(zhì)量非常高的塑料鏡片，因此像DK2等都采用了雙面非球面的設(shè)計(jì)，用戶可以關(guān)注VR眼鏡的鏡片，如果采用了非球面設(shè)計(jì)，在清晰度上一般會(huì)遠(yuǎn)高于非球面。當(dāng)然，僅僅有優(yōu)秀的光學(xué)設(shè)計(jì)也是不夠的，制造工藝業(yè)對(duì)鏡片質(zhì)量的穩(wěn)定性也有很高的影響，因此，如果VR廠商能夠?qū)で蟠蟮拇S為其加工鏡片，也是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的保證之一。

3.色差

現(xiàn)在絕大部分的VR眼鏡在使用時(shí)，都會(huì)在邊緣區(qū)域出現(xiàn)紅綠藍(lán)的色邊，也就是色散現(xiàn)象，這在使用高折射率材料時(shí)很容易出現(xiàn)，就像是白光在經(jīng)過棱鏡后會(huì)被分成五顏六色的光線。在DK1中，該現(xiàn)象尤為明顯。從光學(xué)設(shè)計(jì)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，先用軟件做了一個(gè)相反的顏色補(bǔ)償，如下圖。

該方法僅僅是在軟件層面做了修正，但會(huì)對(duì)圖像清晰度造成一定影響，而且圖像上的每一個(gè)像素都需要做一次反向色散的處理，增加了硬件負(fù)擔(dān)，會(huì)降低圖像的幀率。最好的方法是采用多組材料不同的鏡片組成消色差鏡組，用光學(xué)的方法消除色邊。這在鏡頭設(shè)計(jì)中已非常成熟，如復(fù)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(fù)畸變），這也屬于像差的一種，是由于入瞳（也就是人眼）處于光學(xué)系統(tǒng)中的前后位置不同造成的，對(duì)球面鏡片來說，該像差是不可避免的，如下圖左側(cè)圖所示，并且隨著FOV的增大，邊緣圖像畸變會(huì)更加明顯。為了解決該問題，目前常見的方法是采用非球面的設(shè)計(jì)，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(shù)眼鏡片不再如瓶底那么厚的原因。

5.近視調(diào)整

目前中國(guó)的近視發(fā)生率，在高中以上的人口中高達(dá)70%以上，而VR眼鏡的使用人群都集中在高學(xué)歷人群中，他們?cè)谑褂脮r(shí)如果不佩戴眼鏡，往往看不清屏幕上的文字，更談不上體驗(yàn)所謂的沉浸感了，因此會(huì)降低VR設(shè)備的普及度。

目前國(guó)內(nèi)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(shù)的鏡片，從光學(xué)原理上相當(dāng)于有配了三組不同視力的眼鏡片，而國(guó)內(nèi)的VR眼鏡大都只有一組鏡片，往往采用兩個(gè)方法解決近視問題：一種是佩戴眼鏡，然后再戴VR眼鏡，這種方法確實(shí)解決了近視問題，但沉浸感大大削弱，因?yàn)槿搜鄄荒軠惤R片，而且同時(shí)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(jī)靠近鏡片，這相當(dāng)于近視者湊近屏幕看屏幕上的東西，這也會(huì)降低沉浸感，因?yàn)槠聊贿吘壍膱D像相當(dāng)于被移出了畫面，近視者只能看見中間部分的圖像，外側(cè)的被裁掉了，該方法的另一個(gè)缺陷是近視者更容易看到像素，出現(xiàn)DK1中所謂的紗窗效應(yīng)，此外，如果使用者左右眼近視度數(shù)不同，該方法也無法解決。

其實(shí)在很多單反相機(jī)中，就有好的解決方案，單反的目鏡邊上有一個(gè)稱為屈光度調(diào)節(jié)的旋鈕，通過轉(zhuǎn)動(dòng)該旋鈕，在一定范圍內(nèi)的近視使用者也能看清取景器里的圖像，而無需佩戴眼鏡。其原理如下圖所示，取景器內(nèi)部由多個(gè)獨(dú)立的鏡片組成，旋轉(zhuǎn)旋鈕相當(dāng)于調(diào)節(jié)某兩個(gè)鏡片之間的距離，從而達(dá)到改變進(jìn)入人眼中光線發(fā)散或會(huì)聚程度的作用，它可以等效于一個(gè)變焦鏡頭。而這類型鏡頭的設(shè)計(jì)方法已有近百年的歷史，是相當(dāng)成熟的，如果VR眼鏡的鏡片也由一片以上的鏡片構(gòu)成，則經(jīng)過設(shè)計(jì)也可以達(dá)到調(diào)節(jié)屈光度的效果，用戶不需要佩戴眼鏡也可使用。

VR眼鏡的應(yīng)用

1.可視化藥物分子結(jié)構(gòu)

VR眼鏡的應(yīng)用有很多，健康醫(yī)療是VR眼鏡應(yīng)用中不容忽視的領(lǐng)域。有很多關(guān)于健康醫(yī)療的VR新技術(shù)出現(xiàn)。例如用VR可視化藥物分子結(jié)構(gòu)，以幫助新藥研發(fā)。有一款叫做4Sight的技術(shù)，旨在幫助化學(xué)家將復(fù)雜分子的結(jié)構(gòu)可視化。

2.外科手術(shù)

英國(guó)最大兒童醫(yī)院，用HoloLens進(jìn)行外科手術(shù)。醫(yī)院的工作人員計(jì)劃在手術(shù)室中使用HoloLens，以便在操作過程中查看患者的治療情況。同時(shí)，工作人員還將配合使用SurfaceHub，實(shí)現(xiàn)電子存儲(chǔ)諸如圖表、測(cè)試和醫(yī)學(xué)圖像之類的文件。

3.分析大腦健康

某神經(jīng)技術(shù)公司用VR分析運(yùn)動(dòng)員大腦健康。為用戶提供交互式VR內(nèi)容，支持實(shí)時(shí)反饋，以及可選擇的分級(jí)培訓(xùn)范例。這些功能的主要目的是用于對(duì)，使運(yùn)動(dòng)員處于額外受傷風(fēng)險(xiǎn)的身體缺陷，進(jìn)行早期篩查。此外，其還將在康復(fù)過程中為專業(yè)人員提供支持。

據(jù)Digi-Capital的數(shù)據(jù)顯示，到2020年，VR將會(huì)演變?yōu)?00億美元的大市場(chǎng)。盡管目前該技術(shù)仍需要進(jìn)行測(cè)試以及改善，很多公司已經(jīng)在VR上投入了相當(dāng)多的人力財(cái)力開發(fā)產(chǎn)品技術(shù)。
責(zé)任編輯人：CC?