超薄VR方案中的鬼影

一、鬼影、眩光的定义

在成像光学系统中，物体发出的主要光线遵循几何光学规律，在像面或者指定面形成相应的像，被称为主像，但并非所有的光线都能如此理想，与主像相对的，系统中往往还存在非理想因素带来的杂散光。这些杂散光往往由透镜界面多次反射、透镜缺陷散射、物理结构散射等造成。实际应用场景中，这些杂散光往往会在画面中的某个位置形成“像”，被称为“鬼像”(ghost)，照相机行业中，有时也将逆光拍摄时由强光带来的鬼影称为“眩光”(Flare)。

鬼影会降低画面对比度，极大地影响用户体验

不论是鬼影还是眩光，这些杂散光带来的直接影响是图像质量的降低，主要是对比度以及MTF等。

二、超薄VR方案中的鬼影

超薄VR方案也被形象得称为Pancake，这是一种正在受到越来越多关注的新型光学方案，其主要思路在于通过反射元件进行光路折叠，从而压缩光学模组厚度，使得整机更加轻薄。

最初的Pancake方案于上世纪60~70年代被提出，它通过两个半透半反镜来实现折叠，经过一次“折返”，系统的光效迅速下降到了(1/2)4即1/16，而更为棘手的是其对比度非常低，因为两个强反射面的存在，其鬼影问题远比经过增透处理的常规透镜严重，因而一直没有得到应用。

直到上世纪90年代，通过将偏振引入光路，并且利用PBS具有透射P反射S的效果，搭配偏振转换元件，使系统理论效率提升到(1/2)2即1/4，同时也显著改善了图像对比度，成为非常有希望的下一代光学方案。

即便改善了光效，Pancake方案面临的鬼影问题，仍然较常规非球面/菲涅尔方案更为严重。Pancake的诸多鬼影，其来源各不相同，这些重影在画面中的表现也不一而足，有的能够清晰成像，有的则以光斑的形态存在。

比如下图是用相机在高曝光下拍摄的一个Pancake的图像，当镜头在eyebox中正对模组进行拍摄时，主像上漂浮一层“光晕”，几乎充满整个视场（下图），而主像（图中的白色方块）的附近还有其它一些鬼影的存在，这些鬼影的存在，严重影响了用户对于图像对比度的感知。

三、Pancake鬼影的测量

鬼影的测量，主要采用其相对主像的强度，比如照相物镜，即测量CMOS接收到的鬼影与主像的比值，但是对于VR/AR用镜头，其主像为虚像，因此需要采用一类似人眼的镜头，在指定位置处拍摄（通常为eyebox），捕获图片，以此模拟人眼看到的效果。Pancake鬼影的测量即基于此，基本的步骤如下：

1. 固定测试相机，使得镜头入瞳位于Eyebox处，拍摄特定测试图（见下）；

2. 校正Gamma，将强度还原到线性空间中，分别记录不同视场的黑块/白块的平均亮度；

3. 计算不同视场的鬼影度以及整体视场的平均值

测试卡的选择

测试卡的选择，一方面参照鬼影衡量的行业标准和经验，另一方面参照VR的使用场景，最终我们选用如下三张测试卡：

第一张测试卡主要用来测试黑色背景下鬼影的强度，主要表现为“晕”；

第二张测试卡主要用来衡量整个画面的对比度分布；

第三章测试卡主要用来衡量画面中存在的眩光，属于ISO推荐的测试卡。

四、鬼影度性能对比衡量

下表是惠牛已经量产的方案与市场主要方案的性能对比：

从体验上来看，鬼影度越低，偏色越不明显，用户的主观感受越好。惠牛的模组在各种典型场景下的鬼影度比行业主流产品平均低30%，同时偏色现象得到明显改善，因此具有更强的竞争力。

测试图卡实拍效果对比（Flare）：

某知名品牌VR模组实拍

惠牛VR模组实拍

文章来源：惠牛科技