北理工博导、VR透镜专家程德文：关于VR的技术报告.

电科技袁创07-27 19:21

电科技消息，爱奇艺VR峰会已于7月26下午在上方花园顺利举行。电科技对此次活动进行了【专题报道】。

在峰会现场，北理工博导、VR透镜专家程德文从技术原理角度解读当下的一些VR设备的原理。

以下是程德文致辞实录：

大家好，我给大家报告的题目是VR透镜，虽然我的报告比较偏技术一点，但是我想让大家更容易接受一些，所以这个里面有一些图画，我是北京理工大学的，在头盔领域做了很多年的工作，实际上在1994年的时候，我们就开始了VR的工作，主要的研究方向反倒是偏向于AR眼镜的研制，第一个图实际上是VR眼镜的研制，小型液晶屏的，这个基于像谷歌眼镜，基于这样的原理来做的，以及现在做得比较多的是自由曲面的来实现光学透视的头盔使用器，这个设计我们当时在美国拿过全美光学设计的特等奖，而且现在有几个美国国际专利，这几个大概产生了几十万元的专利的使用费用，以及我们现在在研制的下一代的超薄型的头盔使用器，它的厚度跟我们的眼镜片差不多，做到一两个毫米的厚度，我们把它做到更加轻薄化。

这个主要是现在比较火的一些VR还有AR的一些眼镜，这也给出了几个特例，前两面大家都比较熟悉了，谷歌眼镜，这个就是微软的Hololens，还有各种各样的VR的眼镜。讲到这里，我想给大家科普一下，给大家介绍一些基本的概念，实际上它的组成是由我们的镜片以及还有一个显示器，这个显示器是一个微显示器也可以是现在的手机屏，几英寸的或者pad都可以。它的原理就是这样，我在显示器上显示一个图片之后，它会发出光线，基于这样的透镜，实际上这个光线到达人眼之后，由于人眼并不会拐弯，光线一直往前传播，他就会感觉到这个图像，两个光线汇聚的地方，会呈到一个比较远位置上，而且会把整个图像放大，这就是我们刚才所说的VR眼镜的基本的工作原理，它两个功能，一个是将图像投远，另外一个把图像放大，这是两个主要的作用。

比较重要的两点是三角的这个东西，这是高层的两个关键要素，这个对应的就是我们看到的画面有多大，我是看30寸的电视还是平板的电视，对应这个三角。另外就是分辨率，这个分辨率也很重要，如果分辨率很低的话，我们可以看到什么样的效果，可以看到这个效果，一格一格的亮起来，垂直方向大概有140度，所以说现在主要的VR头盔都是追求的一个大概在120度或者100度左右的三角，这样的一个水平。对于设备来说三角大了以后，带来什么问题？对我们焦距比较短，这个光圈越小，实际上对我们的设计难度会成倍的增加，它对应的像差也会变大，导致我们整个设计非常难。

高分辨率，我们追求高的分辨率，为了要实现一个这么一个效果，我们不希望图像呈现一格一格的样子，我们希望呈现一个比较高清的图像。这个就是我们距离，眼睛到镜面的距离，这是眼镜片，关于大市场带来什么样的矛盾呢？这个透镜的直径有一个限制，大家可以看到，人眼的瞳距是有限的，52到76之间，这样的话必然会存在一个矛盾的地方，像这里的一些像差以及重量的限制，我们成倍增加之后，它的重量是直径的立方关系，所以它的重量会非常大。

这里是两种方式去扩大的，一种方式就是用大的显示屏，另外一种是把我们的焦距并网，相当于把一个离得更近一点，这个焦距透镜变小，大家可以看到这个透镜就会变大，这样的话导致它的像差就会变大，大家可以看到这个头盔，如果越薄的话它的参数是比较高的，它很有挑战性。另外，我这个三角放上之上，这个胶片比较长，移动范围比较大，为什么这么说呢，如果这么大，我的移动范围可以这么大，最大的在这个范围内移动都可以清晰成像，但是焦距短了之后这个移动范围小了很多，这也就是焦距短了之后存在的问题，这也是它们的对应的地方，对于短焦来说有比较大的问题。眼睛在这个范围内，固定的位置上才能看到完整的图像，如果两个位置只能看到图像的一部分，跟正常看东西不一样，这样的话就有一个比较大的这个东西，设置在外面，你看到最外的市场，只有一半的光线可以进到人眼，我把眼睛往前挪，这个范围之内所有的光线都可以进入人眼，而且在这个范围内可以进行移动，以前往前挪，这样的话，中期市场是没有影响的，边缘市场就会影响，这样的话，我们只能看到一部分光线，最小不要超过50%的，否则看到的光线比较暗。

这是透镜直径的限制，这个图是透镜直径的计算方式，我们的这个距离，随着三角的增大有非线性的距离，如果这个直径，这个透镜实际上非常非常大的，我们需要给透镜去掉一些边，这个实际上对它有影响的。分辨率，这个是分辨率的计算方式，人眼也是线性增加的过程，这个值要求越小越好，人眼的极限大概在一分左右，实际上到三分以内就比较好，如果用这个屏来做就没有沙滩效应了，实际上不是这样的，这给出了人眼的三角和分辨率极限的因素，有一个变换关系，随着三角增大这个会变差一些，如果低于这个四分以内，我们看到图像是没有这个效果的。我用更高的分辨率就好，但是这个里面的系统一定有一个极限，就是说它有一个频率，这个值是像素的宽度，实际上可以看到，我们要使一个系统达到比较好的成像资料，这个值大于0.2或者0.1，但实际上我们的关线系统根本达不到这样的水平，随着这个频率的增加，我这个设计的光线系统的能力达不到，它可能在有一些值的时候，它已经分辨不出来了，使用两个或者三个根本没有办法让你清楚的看到这个图像。

这是一些像差，这是一些特性，大家可以看到，用透镜可以降低像差的影响，还有这个直径的影响，把这个降低之后这个聚集的情况会更好一些，这个色差对它的影响，随着透镜对不同颜色的影响导致色差的影响，这里给出了一个简单的动画，同一个市场光线过来，在显示器上有三个不同的点，正好我们可以引用这个像素的结构我们可以做一些反相的色差的补偿，比如说显示的白色的点，分别在三个不同的点去显示，最终到达人眼就会大家一个没有色差的成像，这是这个做法。这也是很多人问我的一个问题，我们希望没有机变，实际上这很难，机变，我们把这个机变控制的比较好，它的成像资料就是刚才讲的传递函数它会急剧的下降，稍微控制一下，这个传递函数就会下降很多，这样的话，实际上是牺牲了我们成像的一个清晰的程度。

还有一个问题，我想跟大家讲一下，虚拟图像的位置跟人眼的距离，这个有很大的影响，实际上这个距离，我们显示器一般放在一个焦距以内，只要它能够细微的变化，我们虚拟屏幕的距离可以从很近几十毫米突然就变到很远，会有非常大的变化，这个实际上是我们需要调节的，大家如果问这个产品需要去调到的，调到5米、4米还是3米，这个根据屏幕和焦点的位置有很大的关系，但是很不幸的是，因为很多厂商为了调节这个适度的问题，他需要去调节这个距离，补偿他看得清楚的这个图像。所以这样的话，一旦调了之后，它的成像距离就标成了4米，绝对不是4米了，所以这样的话，有可能会调得非常近，这样对我们的视力有很大的影响，而且对我们图像的眩晕感有很大的影响，最好就是跟Occulus一样，对视觉健康比较大的帮助。

像这样的透镜没有办法消除的像差，叫厂区，我们这个图像是弯曲的，大概14毫米的厂区，这个成像是不清楚的，这个厂区没有办法调整的，现在有人提出能不能用游戏屏来补偿这个问题，我可以告诉大家，用弯曲的屏可以补偿一部分但是游戏屏现在大部分是一个柱面的弧，并不是球面的弧，所以只能是一个折中，能发挥应用的作用还得看。这个是做了90度的设计，这个成像效果还是非常好的，作为一个120度的镜片，同样他也存在一定的厂区，并不是一个平坦的扇面，而且它厚度比较厚，大概15、16毫米的样子。带来了一个问题，我们成像融合区域并不是说120度的区域都能3D成像，我们这个导致3D重叠区域有这么一部分，这个颜色，因为被我们分屏的地方掩盖住了，所以看到的3D效果并不是整个的。

我介绍一下发的一些文章，我们毕竟是高校，我们1995年的时候有一些相关文章的发表，从虚拟现实做到增强现实的，跟我们业界有点相反，包括我们发表在国外的文章，以及一些报告。这是最近这两年我们在国际刊物上发表的关于头盔显示器方面的论文，大家感兴趣的话也可以去下载来看一看。这是申请的一些专利，包括下面有三项国际的专利，现在已经有美国的公司在付费使用，同时其中有一项国内的公司在跟我们洽谈，想购买我们的设计。谢谢大家！

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作为今日头条青云计划、百家号百+计划获得者，2019百度数码年度作者、百家号科技领域最具人气作者、2019搜狗科技文化作者、2021百家号季度影响力创作者，曾荣获2013搜狐最佳行业媒体人、2015中国新媒体创业大赛北京赛季军、 2015年度光芒体验大奖、2015中国新媒体创业大赛总决赛季军、2018百度动态年度实力红人等诸多大奖。

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