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VR/AR镜片的区别与实现方式

一、VR/AR定义

虚拟现实(VirtualReality,VR)，是指采用计算机技术为核心的现代高科技手段生成一种虚拟环境，用户借

助特殊的输入/输出设备，与虚拟世界中的物体进行自然的交互，通过视觉、听觉和触觉等获得与真实世

界相同的感受。

增强现实(AugmentedReality,AR)，是一种实时地计算影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种

技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。

二、VR/AR区别

VR和AR有着不同的应用领域、技术和市场机会，因此区分两者之间的不同至关重要。

VR让用户置身于一个想象出来或者重新复制的虚拟世界(如游戏、电影或航班模拟)，亦或是模拟真实的

世界(如观看体育直播)，VR领域主要的硬件厂商有Oculus、索尼(PlayStationVR)、HTC(Vive)和三星

(GearVR)。AR是把数字想象世界加在真实世界之上，主要硬件厂商包括微软(HoloLens)、谷歌(Google

Glass)和MagicLeap。

区分VR和AR的一个简单的方法是：VR需要用一个不透明的头戴设备完成虚拟世界里的沉浸体验，而

AR需要清晰的头戴设备看清真实世界和重叠在上面的信息和图像。从目前的观察来看，AR比较适合服

务企业级用户，而VR同时适用于消费者和企业用户。有些情况下，两者还会出现重叠市场。例如，目前

大多数游戏基于VR研发，但微软也用HoloLens重新创作了《我的世界》这样的游戏。

虽然VR和AR有着不同的应用空间，但这两项技术都将推动HMD设备成为新的计算平台。另外，VR

和AR均通过头部和手势操控，这种操控方式非常直观，相信会给计算生态系统带来新的变化。

三、HMD硬件组成部分

HMD硬件通常包括以下组成部分：

显示屏：大多数HMD设备都拥有一块或两块屏幕。

处理器：整合式ARHMD设备通过包含一个或多个处理单元。

传感器：传感器可以内置到HMD设备中，也可以作为外设。

摄像头：一些VR/ARHMD设备通过前置摄像头进行拍照、位置追踪和环境映射，必要时也允许用户看“

透”HMD设备，一些ARHMD则采用内部摄像头来感知环境和周围目标。

无线连接：HMD和控制器之间应采用无线连接，但目前HMD和PC/游戏机之间的无线连接还有诸多技

术故障需要克服，尤其是在高分辨率和高刷新率情况下。

存储/电池:首先，内存主要用于存储/缓存VR/AR图像和视频，电池对于HMD设备同样重要。

镜片:当前，VRHMD设备广泛采用非球面镜片，因为它们拥有较短的焦距，意味着与其他镜片相比拥有

更高的放大率和更广的视野。

本文主要介绍HMD中镜片实现虚拟现实的原理、目前的局限以及今后的发展方向。

四、VR实现方式

4.1、系统原理

如图1所示，显示器被分为左右两个部分，分别显示左右眼看到的图像。由于左右眼分别看图像，所以会

有3D效果。光学镜片为凸透镜，将显示图像放大。由于通过光学系统，人眼看到的景象视角比较大，

可以达到100°，所以极大的增强了人们体验到的临场感。同时，姿态检测系统会将头部的姿态传给电

脑，电脑会根据头部的姿态调整看到的视场角，从而使人仿佛在现实中观看一样，我们把这种体验称为沉

浸式体验。

4.2、人眼视觉原理

眼睛通过左右眼关注到某点的直线交点确定空间中点的位置，如图2所示。正常人的视力范围比视野要

小，因为视力范围是要求能迅速、清晰地看清目标细节的范围，只能是视野中的一部分。

简单来说，VR头盔的两个镜片可以看成两个完全相同的放大镜，VR头盔强调的沉浸感，一方面取决于

屏幕的大小，另一方面取决于镜片弯折光线的能力。因此，就引出了视场角（FOV）的概念，这也是广大

VR厂商经常宣传的一个参数。

五、局限分析

5.1、视场角分析

如图3所示，将物像放在透镜的焦距附近时，人眼可以看到放大的像。

人眼睛看到的视场角为：

当然，为了达到更好的沉浸式效果，视场角越大越好，但是人单眼的舒适角大约只有60°，在这个方位内

人眼视力最敏感，超过了这个范围人会本能的转头。一般来说，镜片尺寸越大，人眼越不容易注意到透镜

边缘，沉浸感越好。

5.2、解像力分析

从目前市面上的VR设备来看，镜片边缘图像的清晰度常常被用户诟病，这是由于镜片光学设计中的轴外

像差所致。我们曾分析一些镜片产品，从分析结果看，离开中心区域稍远一些，其成