华为VR光学设计大解密

观看是VR眼镜最直接最重要的交互方式。当我们拿到一款VR眼镜时，最先体验到的往往是视觉效果。但对于视觉效果，很多用户的了解仅限于视场角(FOV)。在选购VR眼镜时，用户往往认为视场角越大越好。其实对于一款VR眼镜，视场角只是视觉体验中的一方面，还有很多其他因素决定了一款VR眼镜视觉体验的好坏。

一切从视场角说起

既然视场角是VR眼镜最直观的指标，那么我们还是从视场角说起。

视场角，英文为Field Of View, 简称FOV。在显示系统中，视场角就是显示器边缘与观察点连线的夹角。以下面两个图来说明：图1中AD、BC两条屏幕边缘和人眼所形成的夹角就是水平视场角，同理，AB、DC上下两条屏幕边缘和人眼形成的夹角就是垂直视场角;另外也可以像图2一样定义对角线视场角，DOB三点形成的夹角就是对角线视场角。

水平视场角

对角线视场角

在VR眼镜中，所有的图像都是从屏幕发出，通过一片透镜后呈现在用户眼中的。VR厂商所宣称的视场角，指的是VR眼镜中镜片的视场角。比如下图，我们在观看VR时，上下转动眼球，所能看到的屏幕投射过来的经过透镜折射后最高和最低两条光线的夹角，就是VR产品所定义的视场角。

VR视场角

VR眼镜的成像原理

透镜是VR眼镜中必不可少的一个器件。为什么一定要透过透镜才能观看呢?因为人眼是有一个观看范围的。对于一个正常视力的人来说，能够看清的距离大约是从14cm到无穷远;而对于近视眼来说，这个范围则被拉近并且减小了。比如对于500度近视的人来说，他能看清的范围大约在8cm到20cm之间，我们把这两个点分别称为近点和远点，过近或过远都无法看清。

人眼的观看范围、近点和远点

因为这个原因，我们在使用VR眼镜的时候，也需要把屏幕放在这个有效的观看范围内才能正常观看。而通常VR眼镜中，屏幕距离我们眼镜的距离只有3-4厘米，远小于正常的近点距离，所以需要通过一片凸透镜折射光线，让屏幕上的图像形成一个更大更远的虚像。这个虚像在我们可以有效观看的范围之内。

VR成像原理

透镜的另一个作用就是将原本5-6英寸的手机屏幕放大几百、上千英寸，形成一个巨幅的画面。VR所宣传的沉浸感也来源于此。当戴上VR眼镜之后，隔绝了外界的画面，只剩下一个巨幅的模拟世界的影像在眼前，自然会让人产生一种在另一个世界的错觉。

在VR眼镜中，放大的图像为用户提供了沉浸感，左右分屏显示存在视差的图像则带来了虚拟的3D感觉。人眼在观看物体时，左右眼看到的图像是不完全一样的，我们称之为视差。左右眼看到的带有视差的图像传给大脑，大脑就可以判断这个物体距离我们有多远。越近的物体视差就越明显。这一点我们通过单独用左眼或右眼观看就能发觉。如果物体在我们双眼都能看到的区域，我们可以准确地判断这个物体的距离;而如果我们只依靠单眼去看一个物体，这种距离感往往就没有那么准确。VR眼镜将左右屏幕分开，分别呈现含有视差的左右图像，简单来说就是距离我们不同距离的物体，在屏幕上具有不同的视差。这样在观看时，我们就有了虚拟的3D感觉。

VR中的左右眼视差

为什么视场角不是越大越好?

视场角是现在市场上VR厂家宣传的主要指标，而且基本都将更大的视场角作为自己产品的亮点，让消费者认为视场角是越大越好。但事实是否如此呢?

我们首先来看一下人眼的视场。下面的图片是人眼的视场感受。人的单眼舒适视场大约60度，图片中的B和C区域分别代表左右眼的舒适视场角。在这个范围内，人眼不动或微小转动就可以看到清楚的图像。

人眼视场

双眼视场重叠的区域，也就是此前说的能准确判断物体距离的区域，在人眼不转动的情况下也大约是60度，我们称之为双眼舒适立体视场。如果双眼转动的话，这个区域可以达到124度。而单只眼睛可以达到的极限视场大约是156度。

VR眼镜追求的极致目标是完全还原人眼的真实视角感受。所以从这个层面上来说，视场角确实是越接近人眼视场(单眼156度)越好。

但是不要忘了，视场角提高的同时也要求图像分辨率同步提升。我们在观看真实世界的时候，画面的细腻程度是无限的，而我们在使用VR眼镜的时候，大量的产品仍在使用FHD或2K分辨率的屏幕，远远无法到达我们眼睛所能达到的极限分辨率。

VR眼镜的原理和放大镜一样，当你把屏幕放大10倍、20倍时，所看到的实际分辨率也降低了10倍、20倍，随之而来的也就是目前市面上VR产品常常被人诟病的“颗粒感”、“纱窗效应”。一款VR眼镜如果想拥有大视场角，就需要增大镜片的放大倍数，但这时屏幕的“纱窗”也会被看的更清楚。

VR的“纱窗效应”

VR眼镜追求更大视场角的原因无非是想更贴近人眼的实际视场角，增加沉浸感。但是在现有屏幕分辨率的限制下，更大的视场角就意味着更严重的纱窗效应，反而会令沉浸感丧失。所以视场角并非越大越好，而是需要根据屏幕的分辨率进行设计，在视场角和实际分辨率之间做权衡。

华为在设计镜片时曾做过实际测试：当VR眼镜的视场角大于85-90度时，我们就会有比较明显的沉浸感;当视场角在90到120度之间时，人们实际感受到的视角差异并不明显;当视场角大于120度时，人们的视角感受又会有一个较明显的提升。所以通常视场角小于80度的VR只能作为一个简单的观影设备，而不能带来真正的沉浸式VR感受;少数自带屏幕的VR一体机能够做到大于120度的体验，但是价格相对高昂。由于人眼对90度到120度之间的感知相对不明显，我们认定90-100度是一个比较理想的移动VR视场角范围，可以较好的平衡视场角和实际分辨率。

比拼完视场角，接下来就要比拼分辨率。通常我们在选购电子产品的时候会关注屏幕的分辨率或者像素密度(PPI，Pixel per inch)。而在VR产品中，因为屏幕已经被镜片放大过，所以单纯比较屏幕的分辨率，无法完全说明VR产品的画面细腻程度。我们通常会根据VR产品的屏幕分辨率和镜片视场角来计算单位角度内所包含的像素数，Pixel per degree，PPD。这个数据能够更直接的反应屏幕被透镜放大后的实际观看分辨率。

下面的表格对比了几款VR的实际分辨率情况。

可见，当前市场上VR屏幕分辨率大致相同的情况下，视场角越大，实际观看的分辨率也会明显降低。华为VR综合考量视场角和分辨率的因素，选择了95度的镜片视场角。在这个角度下，可以在满足沉浸感体验的同时，把颗粒感控制在较低的水平，达成较好的平衡。搭配Mate 9 Pro手机，华为VR可以获得目前主流VR眼镜产品中最高的实际分辨率(PPD)。

适配屏幕的VR才是好VR

华为VR目前适配Mate 9 Pro，Mate 9保时捷设计，P9 Plus这三款这三款5.5寸机型。市面上很多VR产品常常宣传适配所有手机，号称从4.7”到6.3”的屏幕大小通吃。一个VR并不是能把各种型号的手机塞进去就可以号称完成适配的，这种“适配”完全不考虑屏幕的大小和镜片的观看范围，是纯粹的“耍流氓”。

一款VR眼镜镜片的光学特性是固定的，所以在固定的结构内，镜片所能收光的范围也是固定的。简单来说就是一个固定的镜片只能看到一个固定大小的区域。一款认真打造的VR眼镜，镜片的光学设计必须是从确定显示屏幕的大小开始的。

从下面的几张图就能明显看出很多VR产品所谓适配的问题所在。

对于屏幕较小的手机，透过镜片已经能看到手机的边框，有的甚至能看到完整的手机，这种“适配”何谈沉浸感;另一方面，对于屏幕比较大的手机，镜片只能看到屏幕上一小部分区域，但是播放内容可是显示在整个屏幕上的哦，这种“适配”恐怕只有一种拿望远镜看电影的感觉。只有针对屏幕大小进行光学设计，镜片才能最大限度的利用屏幕上的显示区域，最大限度的减小颗粒感、提升视场角，同时又不会看到手机边框而“穿帮”。

目前市面上很多VR产品单纯追求宣传上的噱头，而号称支持所有屏幕。当然这类VR产品本身就有着“先天不足”，它们无法针对特定手机进行优化设计，只能选一些通用的光学镜片，完全没有针对性的适配和优化过程。

华为VR属于华为手机的“自家兄弟”，自然最清楚“兄弟”需要的是什么样的光学设计。因此，华为VR的镜片在最初设计时就根据屏幕尺寸进行了适配，并以此为基础进行后续设计。这样才保证了光学和屏幕形成了最佳搭配。

镜片清晰的VR才是好VR

除了视场角和分辨率，清晰度往往是容易被忽视的一个指标。这里说的清晰度并不是指屏幕画面的细腻程度，这点和屏幕的分辨率相关性更强。这里所说的清晰度是单纯的镜片光学效果。

一般来说，一个镜片的中心成像质量最好，越到边缘成像的质量越差。所以整个镜片有多大的区域能够高质量成像也是决定VR眼镜好坏的重要因素之一。要知道，在VR眼镜中，人眼是在不断转动的，当我们看到镜片边缘时，同样要求镜片能够提供足够大的清晰范围。

目前市场上的很多VR产品选用35mm到40mm左右直径的镜片，很难覆盖到人眼转动所观看的范围，很容易就会看到镜片的边框，总有“管中窥豹”的感觉，自然看不痛快。

除了镜片口径小，这些VR眼镜的镜片通常中心一点点区域是清晰的，眼睛稍微转动到边上就是一片模糊，这种VR眼镜宣称的视场角再大也无济于事，能看的视场角恐怕只有四五十度，始终让人有一种模模糊糊的感觉。

还有些VR眼镜，当我们对准镜片正中心的时候倒是还算清晰，但是稍稍有一点偏差，画面就扭曲变形，甚至一片模糊，用这种VR眼镜的时候，永远都在挣扎着找到最清楚的那个位置，而往往左眼找到了，右眼的位置又偏了。

针对这些问题，华为VR特别选用了直径超过50mm的超大镜片，观看时不会再受到边框的干扰。同时华为VR的镜片在设计时对镜片清晰范围做了针对性的优化，特别考虑了镜片边缘的清晰度和对佩戴偏差的容忍程度，利用特殊的离焦设计，使整个镜片的清晰度和清晰范围有很大提高，并且提升了对佩戴偏差的容忍范围。简单来说就是清晰的画面范围更大，更符合人眼的观看效果，让我们看的更痛快。更大的镜片加更大的清晰范围，带来的体验提升也是加倍的。

华为VR针对视场角、屏幕适配、清晰度、清晰范围等多个业界痛点进行了独特的优化设计，并选用最好的日本进口光学级树脂，为您打造了一款沉浸感强，分辨率高，观看清晰舒适的VR镜片，给您带来极致、舒适的VR体验。