2024年9月29日发(作者：程骊霞)
浅析VR透镜与视场角
VRDreamworks 2016-06-20 收藏6 评论5
原始标题： 相信看过VR发布会，或者VR产品的朋友，都会看到厂商的ppt或者广告，会嘶声力竭的喊，
自己的VR眼镜的视场角是多少，是多么的好！比如下图是某厂商的广告截图：
那么，厂商所得意的100度视场角，到底是几个意思？请容晓峰为您细细说来。
什么是视场角
视场角，英文Field Of View，简称FOV。根据两种应用情况，视场角有2种定义。
1. 在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边
缘构成的夹角，称为视场角。如下图。
视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。通俗地说，目标物体
超过这个角就不会被收在镜头里。
2. 在显示系统中(比如电视)，视场角就是显示器边缘与观察点（眼睛）连线的夹角。
例如下图中，COD角就是水平视场角，AOC就是垂直视场角。
对VR来说，其定义应属于第一种。(虽然VR既有显示屏也有镜片)
也就是说，厂商宣布他的产品的视场角，指的是该VR眼镜的某一个镜片的视场角！换言之，视场角就是镜片
的一个参数而已。 举个例子。比如下图，眼睛通过VR透镜去看一个人物，如果这个人物很高的话，那是看
不全的，我们所能看到的最高和最低处的光线通过透镜折射进入眼睛，2个折射线的夹角，就是FOV。(即眼
睛前的2根红线的夹角)
VR视场角FOV的大小测量
如上文所说，如果一个VR镜片做好了，那么其FOV就定了。那么，VR镜片的工程师，在实际工作中如何
测量FOV呢？ 在入瞳处用一束平行光照向透镜，测量显示屏上的光斑高度（屏放在焦点处），及光束与中心
轴的角度，既测量出 角度与像高关系（即畸变）也可以测出最大视场，平行光可以是由平行光管产生，也可
以是激光束。
下图中，在入瞳处3个点射出3根平行光：如果是水平向右，则3根都聚焦到中心轴；慢慢向右上方射出，
则3根都聚焦到屏幕上且焦点慢慢上移；慢慢上移，直到屏幕看不到焦点了，此时的平行光与中心轴的夹角α，
就是FOV的一半。即FOV = 2 *α
VR透镜的原理首先，先闲聊一下VR眼镜的结构：透镜+屏幕。
如果屏幕是直接嵌入在头盔的，并且不需要连接PC（此时头盔必然装有高性能的芯片+软件系统来运行VR
内容，比如游戏），可称为VR一体机。比如大朋VR一体机。
如果屏幕直接嵌入头盔，但是要连接PC，VR内容（比如游戏）的运行都在PC，可称为VR头盔（分体机）。
比如Oculus Rift, Microsoft Holo, HTC VIVE。
如果只有眼镜，没有屏幕，而是外接各种型号的手机作为屏幕，那可称为VR镜架。比如三星Gear VR，暴风
魔镜。 下图是眼睛/屏幕/透镜的关系图, 由图可知视场角是α*2。
透镜其实就是放大镜，为何要放大？因为人有明视距离，太近的东西看不清楚。一般大于25cm的距离才能看
清楚。想必你把手机直接放在你眼前5cm，你是看不清屏幕的东西吧。有人就要问了，那可以把手机放到25cm
外呀？其实，那更不行了，25cm，意味着这个镜架的长度至少25cm了，这么大，戴到头上如何受得了！ 既
然是放大镜，那根据放大镜原理，屏幕必须放在焦距以内，才能放大。放大以后，人眼看到的虚像位置，符合
下面的公式：
根据公式，假设焦距f=7cm, 物距(屏幕到透镜中心距离)u=6cm, 那么虚像位置就是42cm。满足人的明视距离
大于25cm的要求。
现在VR设计，一般透镜在眼前1-1.5cm处，屏幕距透镜3-6cm，虚像成像在眼前25cm－50cm左右。对于
近视，像距需要变短，而物距(屏幕与透镜距离)一般做好了就无法改变，所以可以增大焦距f，即通过换透镜
来改善。
此外，在设计VR时，在物距，焦距等几个参数的调整中，基本都是几毫米的微调，需要权衡虚像距离过大（放
大倍数大）而带来的像素颗粒感问题 和 虚像距离过近而带来的不够明视距离、视野较小等问题。
VR透镜的设计
好的VR眼镜设计，就是视场的边缘，接近于屏幕边框。这样沉浸感最好。如下图所示。
如果FOV偏小，就会导致浪费像素。
FOV偏大，就更糟糕，可以看到屏幕边缘。那就毫无沉浸感可言了。
前文讨论的VR镜片，其实是一个理想镜片。如下图所示，从上往下看，是一个圆形。
但实际制作时，会做一定的切割。例如从上往下看时，会做如下的切割。
下图就是某厂商的某个VR镜片的各方向视图。（分别是主视图，俯视图，左视图）
由于切割大小不同，这意味着，下图中,w, h, m方向的FOV是会有所差异的。比如垂直的h方向FOV是90
度，水平的w方向FOV是80度。
实际观影的效果可能如下图所示。
抽取算法与FOV的关系首先科普一下全景视频在VR中是如何使用的。
通常(且不说各家公司做的各种优化方案)，全景视频的每一帧图像，宽高都是2:1，因为全景的话，水平环视
一周360度，上下看是180度。这和地球的经纬度是一样的。
VREYziaPbqicXQ3RIw/0?wx_fmt=png" class="" data-type="png" data-ratio="0.3488372093023256"
data-w="516" />
这全景图像如何使用呢？对程序来说，其实就是把图像作为纹理，贴到一个球面模型上。就像地球仪，上面的
图拉伸开了，就是一张全景图。人站在球心，那么，往任何方向看，都是有东西的。这就是虚拟现实的意义：
戴上眼镜后，往哪里看，都有东西，感觉就在一个虚拟的环境中。 抽取算法，就是在你头部转动时，决定抽
球面模型的哪一部分内容，放到屏幕让你看！如下图所示：
比如，你往正前方看，能看到图中红色区域，那么，软件就要把这部分内容抽出来，放到屏幕。当你转动头部，
假设慢慢往上抬头，那么，红色区域也要往上移，意味着要抽取新的内容。
一般，人眼对大约20ms以内的延迟图像发觉不了，所以只要软件能在获得头部转动的新位置后，20ms内抽
出新的内容给你看，那你就不会头晕，沉浸感就有了！（早期VR兴起，延迟是一个关键问题，也是各家厂商
含泪宣传的卖点，不过现在已经有各种方法能把延迟时间缩小到20ms内了） 虽然头部转动，位置会不停的
变，但是人眼看的范围总是变不了的，不管往哪里转，最多也就看到一部分内容。
上图的α与β就是水平与垂直FOV，假设都是90度。那这个FOV就决定了人眼能看到的范围。
假设现在厂商镜片做好了，FOV参数是90度，那么，程序做抽取时，除了要根据头部位置，决定抽哪里的内
容，还要根据FOV参数，决定抽多少内容！
总结说了这么多，做个小总结吧。
VR眼镜的结构：透镜+屏幕。透镜其实就是放大镜，因为屏幕距离眼睛很近，小于25cm明视距离，所以需
要透镜。视场角就是透镜的一个参数，简单的说，它指的就是，通过透镜能看到的视野范围。
VR的透镜设计和屏幕选择，是一个相互影响的过程。
一般是先选好屏幕的尺寸大小，然后设计透镜(特别是设计其参数FOV，焦距等)，使其既能让视距大于25cm，
又能让屏幕的边界刚好进入视场。
2024年9月29日发(作者：程骊霞)
浅析VR透镜与视场角
VRDreamworks 2016-06-20 收藏6 评论5
原始标题： 相信看过VR发布会，或者VR产品的朋友，都会看到厂商的ppt或者广告，会嘶声力竭的喊，
自己的VR眼镜的视场角是多少，是多么的好！比如下图是某厂商的广告截图：
那么，厂商所得意的100度视场角，到底是几个意思？请容晓峰为您细细说来。
什么是视场角
视场角，英文Field Of View，简称FOV。根据两种应用情况，视场角有2种定义。
1. 在光学仪器中，以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边
缘构成的夹角，称为视场角。如下图。
视场角的大小决定了光学仪器的视野范围，视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。通俗地说，目标物体
超过这个角就不会被收在镜头里。
2. 在显示系统中(比如电视)，视场角就是显示器边缘与观察点（眼睛）连线的夹角。
例如下图中，COD角就是水平视场角，AOC就是垂直视场角。
对VR来说，其定义应属于第一种。(虽然VR既有显示屏也有镜片)
也就是说，厂商宣布他的产品的视场角，指的是该VR眼镜的某一个镜片的视场角！换言之，视场角就是镜片
的一个参数而已。 举个例子。比如下图，眼睛通过VR透镜去看一个人物，如果这个人物很高的话，那是看
不全的，我们所能看到的最高和最低处的光线通过透镜折射进入眼睛，2个折射线的夹角，就是FOV。(即眼
睛前的2根红线的夹角)
VR视场角FOV的大小测量
如上文所说，如果一个VR镜片做好了，那么其FOV就定了。那么，VR镜片的工程师，在实际工作中如何
测量FOV呢？ 在入瞳处用一束平行光照向透镜，测量显示屏上的光斑高度（屏放在焦点处），及光束与中心
轴的角度，既测量出 角度与像高关系（即畸变）也可以测出最大视场，平行光可以是由平行光管产生，也可
以是激光束。
下图中，在入瞳处3个点射出3根平行光：如果是水平向右，则3根都聚焦到中心轴；慢慢向右上方射出，
则3根都聚焦到屏幕上且焦点慢慢上移；慢慢上移，直到屏幕看不到焦点了，此时的平行光与中心轴的夹角α，
就是FOV的一半。即FOV = 2 *α
VR透镜的原理首先，先闲聊一下VR眼镜的结构：透镜+屏幕。
如果屏幕是直接嵌入在头盔的，并且不需要连接PC（此时头盔必然装有高性能的芯片+软件系统来运行VR
内容，比如游戏），可称为VR一体机。比如大朋VR一体机。
如果屏幕直接嵌入头盔，但是要连接PC，VR内容（比如游戏）的运行都在PC，可称为VR头盔（分体机）。
比如Oculus Rift, Microsoft Holo, HTC VIVE。
如果只有眼镜，没有屏幕，而是外接各种型号的手机作为屏幕，那可称为VR镜架。比如三星Gear VR，暴风
魔镜。 下图是眼睛/屏幕/透镜的关系图, 由图可知视场角是α*2。
透镜其实就是放大镜，为何要放大？因为人有明视距离，太近的东西看不清楚。一般大于25cm的距离才能看
清楚。想必你把手机直接放在你眼前5cm，你是看不清屏幕的东西吧。有人就要问了，那可以把手机放到25cm
外呀？其实，那更不行了，25cm，意味着这个镜架的长度至少25cm了，这么大，戴到头上如何受得了！ 既
然是放大镜，那根据放大镜原理，屏幕必须放在焦距以内，才能放大。放大以后，人眼看到的虚像位置，符合
下面的公式：
根据公式，假设焦距f=7cm, 物距(屏幕到透镜中心距离)u=6cm, 那么虚像位置就是42cm。满足人的明视距离
大于25cm的要求。
现在VR设计，一般透镜在眼前1-1.5cm处，屏幕距透镜3-6cm，虚像成像在眼前25cm－50cm左右。对于
近视，像距需要变短，而物距(屏幕与透镜距离)一般做好了就无法改变，所以可以增大焦距f，即通过换透镜
来改善。
此外，在设计VR时，在物距，焦距等几个参数的调整中，基本都是几毫米的微调，需要权衡虚像距离过大（放
大倍数大）而带来的像素颗粒感问题 和 虚像距离过近而带来的不够明视距离、视野较小等问题。
VR透镜的设计
好的VR眼镜设计，就是视场的边缘，接近于屏幕边框。这样沉浸感最好。如下图所示。
如果FOV偏小，就会导致浪费像素。
FOV偏大，就更糟糕，可以看到屏幕边缘。那就毫无沉浸感可言了。
前文讨论的VR镜片，其实是一个理想镜片。如下图所示，从上往下看，是一个圆形。
但实际制作时，会做一定的切割。例如从上往下看时，会做如下的切割。
下图就是某厂商的某个VR镜片的各方向视图。（分别是主视图，俯视图，左视图）
由于切割大小不同，这意味着，下图中,w, h, m方向的FOV是会有所差异的。比如垂直的h方向FOV是90
度，水平的w方向FOV是80度。
实际观影的效果可能如下图所示。
抽取算法与FOV的关系首先科普一下全景视频在VR中是如何使用的。
通常(且不说各家公司做的各种优化方案)，全景视频的每一帧图像，宽高都是2:1，因为全景的话，水平环视
一周360度，上下看是180度。这和地球的经纬度是一样的。
VREYziaPbqicXQ3RIw/0?wx_fmt=png" class="" data-type="png" data-ratio="0.3488372093023256"
data-w="516" />
这全景图像如何使用呢？对程序来说，其实就是把图像作为纹理，贴到一个球面模型上。就像地球仪，上面的
图拉伸开了，就是一张全景图。人站在球心，那么，往任何方向看，都是有东西的。这就是虚拟现实的意义：
戴上眼镜后，往哪里看，都有东西，感觉就在一个虚拟的环境中。 抽取算法，就是在你头部转动时，决定抽
球面模型的哪一部分内容，放到屏幕让你看！如下图所示：
比如，你往正前方看，能看到图中红色区域，那么，软件就要把这部分内容抽出来，放到屏幕。当你转动头部，
假设慢慢往上抬头，那么，红色区域也要往上移，意味着要抽取新的内容。
一般，人眼对大约20ms以内的延迟图像发觉不了，所以只要软件能在获得头部转动的新位置后，20ms内抽
出新的内容给你看，那你就不会头晕，沉浸感就有了！（早期VR兴起，延迟是一个关键问题，也是各家厂商
含泪宣传的卖点，不过现在已经有各种方法能把延迟时间缩小到20ms内了） 虽然头部转动，位置会不停的
变，但是人眼看的范围总是变不了的，不管往哪里转，最多也就看到一部分内容。
上图的α与β就是水平与垂直FOV，假设都是90度。那这个FOV就决定了人眼能看到的范围。
假设现在厂商镜片做好了，FOV参数是90度，那么，程序做抽取时，除了要根据头部位置，决定抽哪里的内
容，还要根据FOV参数，决定抽多少内容！
总结说了这么多，做个小总结吧。
VR眼镜的结构：透镜+屏幕。透镜其实就是放大镜，因为屏幕距离眼睛很近，小于25cm明视距离，所以需
要透镜。视场角就是透镜的一个参数，简单的说，它指的就是，通过透镜能看到的视野范围。
VR的透镜设计和屏幕选择，是一个相互影响的过程。
一般是先选好屏幕的尺寸大小，然后设计透镜(特别是设计其参数FOV，焦距等)，使其既能让视距大于25cm，
又能让屏幕的边界刚好进入视场。