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，被稱為主像，但并非所有的光線都能如此理想，與主像相對的，系統(tǒng)中往往還存在非理想因素帶來的雜散光。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。實際應(yīng)用場景中，這些雜散光往往會在畫面中的某個位置形成“像”，被稱為“鬼像”(ghost)，照相機(jī)行業(yè)中，有時也將逆光拍攝時由強光帶來的鬼影稱為“眩光”(Flare)。

鬼影會降低畫面對比度，極大地影響用戶體驗

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

二、超薄VR方案中的鬼影

超薄VR方案也被形象得稱為Pancake，這是一種正在受到越來越多關(guān)注的新型光學(xué)方案，其主要思路在于通過反射元件進(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，它通過兩個半透半反鏡來實現(xiàn)折疊，經(jīng)過一次“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比度非常低，因為兩個強反射面的存在，其鬼影問題遠(yuǎn)比經(jīng)過增透處理的常規(guī)透鏡嚴(yán)重，因而一直沒有得到應(yīng)用。

直到上世紀(jì)90年代，通過將偏振引入光路，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，同時也顯著改善了圖像對比度，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，其來源各不相同，這些重影在畫面中的表現(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Pancake的圖像，當(dāng)鏡頭在eyebox中正對模組進(jìn)行拍攝時，主像上漂浮一層“光暈”，幾乎充滿整個視場（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)重影響了用戶對于圖像對比度的感知。

三、Pancake鬼影的測量

鬼影的測量，主要采用其相對主像的強度，比如照相物鏡，即測量CMOS接收到的鬼影與主像的比值，但是對于VR/AR用鏡頭，其主像為虛像，因此需要采用一類似人眼的鏡頭，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鬼影的測量即基于此，基本的步驟如下：

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

2. 校正Gamma，將強度還原到線性空間中，分別記錄不同視場的黑塊/白塊的平均亮度；

3.?計算不同視場的鬼影度以及整體視場的平均值

測試卡的選擇

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

第一張測試卡主要用來測試黑色背景下鬼影的強度，主要表現(xiàn)為“暈”；

第二張測試卡主要用來衡量整個畫面的對比度分布；

第三章測試卡主要用來衡量畫面中存在的眩光，屬于ISO推薦的測試卡。

四、鬼影度性能對比衡量

下表是惠牛已經(jīng)量產(chǎn)的方案與市場主要方案的性能對比：

從體驗上來看，鬼影度越低，偏色越不明顯，用戶的主觀感受越好。惠牛的模組在各種典型場景下的鬼影度比行業(yè)主流產(chǎn)品平均低30%，同時偏色現(xiàn)象得到明顯改善，因此具有更強的競爭力。

測試圖卡實拍效果對比（Flare）：

某知名品牌VR模組實拍

惠牛VR模組實拍

文章來源：惠牛科技

原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦VR產(chǎn)業(yè)資訊）：超薄VR方案中的鬼影