超薄VR方案中的鬼影

一、鬼影、眩光的定義

在成像光學(xué)系統(tǒng)中，物體發(fā)出的主要光線(xiàn)遵循幾何光學(xué)規(guī)律，在像面或者指定面形成相應(yīng)的像，被稱(chēng)為主像，但并非所有的光線(xiàn)都能如此理想，與主像相對(duì)的，系統(tǒng)中往往還存在非理想因素帶來(lái)的雜散光。這些雜散光往往由透鏡界面多次反射、透鏡缺陷散射、物理結(jié)構(gòu)散射等造成。實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，這些雜散光往往會(huì)在畫(huà)面中的某個(gè)位置形成“像”，被稱(chēng)為“鬼像”(ghost)，照相機(jī)行業(yè)中，有時(shí)也將逆光拍攝時(shí)由強(qiáng)光帶來(lái)的鬼影稱(chēng)為“眩光”(Flare)。

鬼影會(huì)降低畫(huà)面對(duì)比度，極大地影響用戶(hù)體驗(yàn)

不論是鬼影還是眩光，這些雜散光帶來(lái)的直接影響是圖像質(zhì)量的降低，主要是對(duì)比度以及MTF等。

二、超薄VR方案中的鬼影

超薄VR方案也被形象得稱(chēng)為Pancake，這是一種正在受到越來(lái)越多關(guān)注的新型光學(xué)方案，其主要思路在于通過(guò)反射元件進(jìn)行光路折疊，從而壓縮光學(xué)模組厚度，使得整機(jī)更加輕薄。

最初的Pancake方案于上世紀(jì)60~70年代被提出，它通過(guò)兩個(gè)半透半反鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)折疊，經(jīng)過(guò)一次“折返”，系統(tǒng)的光效迅速下降到了(1/2)4即1/16，而更為棘手的是其對(duì)比度非常低，因?yàn)閮蓚€(gè)強(qiáng)反射面的存在，其鬼影問(wèn)題遠(yuǎn)比經(jīng)過(guò)增透處理的常規(guī)透鏡嚴(yán)重，因而一直沒(méi)有得到應(yīng)用。

直到上世紀(jì)90年代，通過(guò)將偏振引入光路，并且利用PBS具有透射P反射S的效果，搭配偏振轉(zhuǎn)換元件，使系統(tǒng)理論效率提升到(1/2)2即1/4，同時(shí)也顯著改善了圖像對(duì)比度，成為非常有希望的下一代光學(xué)方案。

即便改善了光效，Pancake方案面臨的鬼影問(wèn)題，仍然較常規(guī)非球面/菲涅爾方案更為嚴(yán)重。Pancake的諸多鬼影，其來(lái)源各不相同，這些重影在畫(huà)面中的表現(xiàn)也不一而足，有的能夠清晰成像，有的則以光斑的形態(tài)存在。

比如下圖是用相機(jī)在高曝光下拍攝的一個(gè)Pancake的圖像，當(dāng)鏡頭在eyebox中正對(duì)模組進(jìn)行拍攝時(shí)，主像上漂浮一層“光暈”，幾乎充滿(mǎn)整個(gè)視場(chǎng)（下圖），而主像（圖中的白色方塊）的附近還有其它一些鬼影的存在，這些鬼影的存在，嚴(yán)重影響了用戶(hù)對(duì)于圖像對(duì)比度的感知。

三、Pancake鬼影的測(cè)量

鬼影的測(cè)量，主要采用其相對(duì)主像的強(qiáng)度，比如照相物鏡，即測(cè)量CMOS接收到的鬼影與主像的比值，但是對(duì)于VR/AR用鏡頭，其主像為虛像，因此需要采用一類(lèi)似人眼的鏡頭，在指定位置處拍攝（通常為eyebox），捕獲圖片，以此模擬人眼看到的效果。Pancake鬼影的測(cè)量即基于此，基本的步驟如下：

1. 固定測(cè)試相機(jī)，使得鏡頭入瞳位于Eyebox處，拍攝特定測(cè)試圖（見(jiàn)下）；

2. 校正Gamma，將強(qiáng)度還原到線(xiàn)性空間中，分別記錄不同視場(chǎng)的黑塊/白塊的平均亮度；

3.?計(jì)算不同視場(chǎng)的鬼影度以及整體視場(chǎng)的平均值

測(cè)試卡的選擇

測(cè)試卡的選擇，一方面參照鬼影衡量的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)，另一方面參照VR的使用場(chǎng)景，最終我們選用如下三張測(cè)試卡：

第一張測(cè)試卡主要用來(lái)測(cè)試黑色背景下鬼影的強(qiáng)度，主要表現(xiàn)為“暈”；

第二張測(cè)試卡主要用來(lái)衡量整個(gè)畫(huà)面的對(duì)比度分布；

第三章測(cè)試卡主要用來(lái)衡量畫(huà)面中存在的眩光，屬于ISO推薦的測(cè)試卡。

四、鬼影度性能對(duì)比衡量

下表是惠牛已經(jīng)量產(chǎn)的方案與市場(chǎng)主要方案的性能對(duì)比：

從體驗(yàn)上來(lái)看，鬼影度越低，偏色越不明顯，用戶(hù)的主觀(guān)感受越好。惠牛的模組在各種典型場(chǎng)景下的鬼影度比行業(yè)主流產(chǎn)品平均低30%，同時(shí)偏色現(xiàn)象得到明顯改善，因此具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

測(cè)試圖卡實(shí)拍效果對(duì)比（Flare）：

某知名品牌VR模組實(shí)拍

惠牛VR模組實(shí)拍

文章來(lái)源：惠牛科技

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