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文 | HW君
本文为B站【V8】期的视频讲稿。
存在较多的动态演示，请以视频画面为准。
你真的理解VR的FOV吗？如何科学地佩戴VR眼镜【双目VR摄影#V8】
0. 三类FOV
普通人在第一次戴上VR眼镜时，第一眼感受到的其实是视场角的变化。
视野的外围会出现很大的黑边，人们像是透过一个小小的潜望镜观察世界。
而这样一个严重影响VR使用体验的视场角，一直以来却很少有人能够解释清楚。
所以这一期我们会带大家重新认识视场角FOV。
消失的模因，大家好，我是HW君。
欢迎来到【V8】期，也就是「双目VR摄影」系列的第8期。
【V系列】狭义上讨论的话题是，如何拍摄与制作「VR影像」。
广义上探讨的则是「摄影」「光学」「VR」这三个学科的交叉地带。
这一期要聊一个在VR里非常重要的概念，视场角Field of view，也就是我们常说的FOV。
FOV是指物体的边缘光线相对于视点所张开的角度。
在VR设备中，则一般是指虚拟屏幕的画面边缘相对于人眼所张开的夹角。
这个概念看似非常简单，但很多人都没有完全理解它。
对于同一台VR设备，不同人对其FOV的主观描述是相当混乱的，因此关于FOV的讨论常常无法达成有效的结论。
为了更好地讨论这一话题，这里我们引入三个概念，把FOV细分为三类。
【1】虚像FOV
【2】入眼FOV
【3】体感FOV
首先是「虚像FOV」。
当前技术水平下的VR眼镜在生产之后，其光学模组就有一个出厂标定的「虚像FOV」。
这是一个客观的物理指标，它几乎只与VR眼镜的硬件光学设计有关。
然后是「入眼FOV」，它也是一个客观的指标，并主要受人眼到透镜距离远近的影响。
因为不同人会有不同的脸型和佩戴方式，人眼到透镜的距离会有所不同，因此「入眼FOV」表现出了因人而异的特性，但我们也可以客观地讨论这个指标。
最后是「体感FOV」。
「体感FOV」是一个完全主观的感性指标，主要受人的心理因素影响。
这一部分则比较难以得出一致的结论。
现实情况中，人们对于视场角的体验由以上这3类FOV共同决定，但在谈论的时候常常混淆在一起，因此难以形成一致的看法。
实际上我们可以将它们分开讨论，以达成部分有效的共识，并由此指导我们如何正确地佩戴VR设备。
当然我在「光学」这一块也是外行，如果有错误的地方，请在评论区指正。
我们开始吧。
1. 不变的虚像FOV
VR光学显示的基本原理很简单，就是我们中学物理课上学的凸透镜成像。
光学模组里的透镜部分可以简化为一个放大镜，屏幕透过放大镜成「正立放大的虚像」。
为了方便理解，我们对模型做一点点简化。
有一块5cm*5cm的正方形屏幕，分辨率为1800*1800。
以及有一块理想的薄凸透镜，透镜直径为5cm，焦距待定。
只要将屏幕放置在凸透镜的焦距之内，那么人眼透过凸透镜就可以看到一个正立放大的虚像。
一般会将虚像设置在距离凸透镜130cm处的位置，也就是让「像距」等于130cm。（例如Quest 2）
而为了实现90°的FOV，则虚像的大小为260cm*260cm。
那么根据相似三角形原理，屏幕离透镜的物距应为2.5cm。
根据高斯成像公式1/u-1/s=1/f，其中u为物距，s为像距，f为焦距。
代入求解后可以得到f为2.55cm。
即我们需要选用一块焦距为2.55cm的凸透镜。
简单总结一下这个模型。
直径5cm焦距2.55cm的凸透镜把距离2.5cm远的边长5cm*5cm的屏幕，放大为距离130cm的边长260cm*260cm的虚像，虚像分辨率不变为1800*1800。
此时虚像相对于凸透镜光心所张开的水平夹角为90°，角分辨率PPD为1800/90=20。
以上即为VR显示的一个简化模型。
当然在实际光学设计中，要考虑的东西远不只这么简单。
通过这个模型，我们可以看到，虚像的大小仅由焦距、物距、屏幕大小决定。
这3个参数在VR光学模组生产时，就都已经是固定的，不会发生改变。
因此虚像相对于透镜所张开的角度就是90°，不会发生改变。
而这个角度就是我们定义的标准「虚像FOV」，它在VR设备出厂时就已经是确定的。
它是一个客观的物理指标，只与VR光学模组的硬件设计有关。
现在我们加入人眼，这里把人眼到凸透镜的距离称为「镜眼距」。
为了方便计算，假设平均镜眼距为1cm，但因为不同人的脸型和佩戴方式不同，这个距离会有所浮动。
假设实际佩戴时，镜眼距最近为0.5cm，最远为1.5cm。
而因为虚像距为130cm，相对于这1cm左右的镜眼距来说非常大，因此1cm左右的镜眼距的细微浮动其实是可以忽略不计的。
镜眼距为最近的0.5cm时，动态的「虚像FOV」为89.8°
镜眼距为平均的1cm时，动态的「虚像FOV」为89.6°
镜眼距为最远的1.5cm时，动态的「虚像FOV」为89.3°
哪怕把镜眼距增加到夸张的10cm时，动态的「虚像FOV」也仍然有85.8°
实际上在正常使用时，这一点点细微的FOV浮动对于人眼来说是无法感知的，因此我们可以忽略镜眼距，把视点定位在凸透镜的光心上。
此时的「虚像FOV」即为标定的90°，可以认为它是一个几乎完全客观的物理指标，只与VR眼镜的硬件光学设计有关。
而影响标准「虚像FOV」的因素只有，透镜的焦距，屏幕到透镜的物距，以及屏幕的尺寸。
2. 动态的入眼FOV
「虚像FOV」是一个几乎完全客观的物理指标，受镜眼距的影响可以忽略不计。
但在实际使用中，很多人的直观感受是，人眼离透镜越近视野越大，离透镜越远视野越小。
这是因为另一个指标「入眼FOV」发生了改变。
这里我们将「入眼FOV」定义为，凸透镜相对于人眼视点所张开的角度。
在这个定义下，影响「入眼FOV」的因素是：
（1）透镜的直径
（2）镜眼距
以刚才的简化模型为例，假设凸透镜的直径为5cm，而镜眼距仍在0.5cm到1.5cm 之间浮动。
镜眼距为0.5cm时，「入眼FOV」为157.4°
镜眼距为1cm时，「入眼FOV」为136.4°
镜眼距为1.5cm时，「入眼FOV」118.1°
即，镜眼距在正常的0.5cm-1.5cm之间浮动时，「入眼FOV」均大于90°的「虚像FOV」，此时虚像没有被裁切，可以完整显示。
但如果把镜眼距增加到5cm，此时「入眼FOV」仅为53.1°，远小于「虚像FOV」的87.8°。
那么虚像会被透镜的边缘截断，超过中央53.1°的图像会被裁切掉，无法进入人眼。
而当镜眼距为2.5cm时，「入眼FOV」为90°，则刚好可以完整覆盖89°的「虚像FOV」。
此时虚像屏幕上显示的完整内切圆图像，可以全部穿过透镜进入人眼，不会被透镜边缘裁切。
因此2.5cm即为「虚像FOV」可以完整显示的最远镜眼距。
而影响「入眼FOV」的因素，除了镜眼距，还有光学透镜的直径。
假如我们想要在5cm的距离也能保持「虚像FOV」不被截断，那么可以把凸透镜的直径从5cm增加到10cm。
此时在5cm处的「入眼FOV」会增加到90°，可以覆盖完整的「虚像FOV」。
但现实中VR透镜的直径是很难做大的。
这里我有一块90mm直径的菲涅尔透镜，显然不可能用它来做VR眼镜。
首先人眼的瞳距大概在58mm-72mm之间，为了保证左右双眼不重叠，那么透镜的横向直径理论上最大只能为58mm。
而实际设计时还需要为鼻梁预留空间，所以这个值只会更小。
例如PICO 4的透镜在垂直方向为53mm，而水平方向只能到48mm，因此在同一镜眼距下，单眼的水平「入眼FOV」总是小于垂直「入眼FOV」。
但如果我们靠得足够近，就可以发现鼻侧的虚像画面是存在的，水平的「虚像FOV」确实有105°（如果垂直FOV没有虚标的话），但它在镜眼距较远时会被透镜的鼻侧内边缘裁切掉，无法进入人眼。
除了人双眼的瞳距，透镜的焦距也会对透镜的直径产生限制。
同等直径下，凸透镜的焦距越短，曲率就越大，透镜会越厚，边缘成像质量越差，其设计和制造的难度也就越大。
现实情况是，短焦距的透镜很难把直径做大。
因此在透镜焦距和透镜直径的双重约束下，为了获得更大的「入眼FOV」，VR光学模组的设计越来越倾向于缩短镜眼距。
而随着镜眼距的缩短，VR透镜和人眼之间会无法放下常规的框架眼镜，因此近视用户不得不使用定制的磁吸镜片。
而为了更进一步缩短镜眼距，可能还需要更换更贴合人脸的薄面罩，甚至扫描用户脸型进行单独定制。
而这些设计其实都是为了一个目的，就是提高「入眼FOV」，以覆盖「虚像FOV」。
3. 主观的体感FOV
上述提到的这两类FOV指标，其中「虚像FOV」几乎不会随着镜眼距而变化，而「入眼FOV」受到镜眼距的影响则比较大。
但它们仍然都是客观的物理指标，可以被准确测量。
而实际上人眼对于FOV的感知中，有很大的一部分受主观因素所影响。
我们将这一部分心理因素称为「体感FOV」。
所有个体都可以基于自己的「自由意志」来描述主观的「体感FOV」。
我们并没有办法去客观地测量某个独立个体的主观感受。
萝卜青菜，各有所爱。
可能你很讨厌某个牌子，所以戴上后就觉得它FOV小。
或者你对某个牌子有信仰，所以戴上之后就觉得它FOV大。
因此对于「体感FOV」，可以客观讨论的部分非常少。
不过我们也仍然可以从宏观层面得到一些可以讨论的共识。
例如微软曾经做过这样的一个研究。
在VR眼镜的透镜外围加了一圈LED氛围灯，它可以根据实时的VR显示画面，动态地改变颜色和亮度照亮人眼的余光。
虽然实际上的「虚像FOV」和「入眼FOV」都没有发生改变，但人眼主观感受到的「体感FOV」却提高了。
网上也有一个叫ShodahVR的博主自己动手改造了Valve Index，给它加上了动态的LED氛围灯，以提高「体感FOV」。
像这样的操作影响的其实只是心理感受。
那这也让我想到一个事情。
AMVR上架了一款PICO 4的第三方头戴。
如果合理使用它的话，确实可以缩短镜眼距以提高「入眼FOV」。
但有一些网友并没有采用标准用法，而只是替换横梁并拆掉面罩使用，并宣称提升了FOV。
而我实际观看这一部分人的佩戴方式，其中有些甚至是戴着框架眼镜在使用的，并没有真正缩短了镜眼距。
那么理论上「虚像FOV」和「入眼FOV」都不会有改变。
反而因为拆掉面罩导致透镜的外边缘会有外界的反光，因此实际的「入眼FOV」是变小了的。
但这部分人仍然宣称提升了FOV。
这大概是因为拆掉面罩之后，眼睛的余光可以感受到外界的光线，因此提升了「体感FOV」。
其中的原理其实是和微软在VR透镜外围增加LED氛围灯的原理是相似的，这是一种心理作用。
那我并不是说这种做法不行，只要使用者自己觉得OK就可以。
只是这样佩戴实际上并没有增加你的可见视野。
因此「体感FOV」其实是一个比较容易产生混淆的主观指标。
我们在讨论的时候，应该尽量避免来自「体感FOV」的干扰。
4. 一些VR光学用语
我们引入了「虚像FOV」「入眼FOV」「体感FOV」这三个概念，来帮助大家理解VR的视场角。
但这几个概念应该不会在其它地方出现。
为了能让更多人读懂相关的资料和文献，我觉得有必要介绍一下部分VR相关的光学用语。
还是以刚才提到的这个简化模型为例。
屏幕透过凸透镜成正立放大的虚像。
凸透镜在这里称为「渐晕光阑」或「出射窗」。
「光阑」是指光通过的小孔，「渐晕」是指部分成像光束被小孔拦截掉，而使成像边缘光照度下降。
在放大镜系统里，位于「出射窗」后有一个虚拟孔径称为「出射光瞳」，简称「出瞳」。
人的眼瞳只有位于「出瞳」孔径之内才能看到完整的图像，偏离这个孔径图像就会产生「渐晕」。
回想一下前面我们提出的简化模型。
人眼只有在「入眼FOV」不小于「虚像FOV」的范围内，虚像才不会被透镜边缘截断。
其实原理是相似的，但人眼的瞳孔并不能当作一个视点来计算，因此要使用「出瞳」这个概念。
「出瞳」是一个虚拟的孔径，它会涉及到2个参数，「出瞳距离」和「出瞳直径」。
因为人眼瞳孔直径的变化范围是从2mm到8mm，在强光下瞳孔收缩到2mm，在弱光下扩张到8mm，因此一般会把「出瞳直径」定为8mm。
而「出瞳距离」则是指透镜最后一个表面到「出瞳直径」所在平面之间的距离。
只要人眼的瞳孔位于「透镜」到「出瞳」之间的这块区域内，就能看到完整的虚像，画面不会发生渐晕。
当然因为人眼的瞳孔之前还覆盖有约3.6mm的角膜，因此瞳孔并不能无限靠近凸透镜，还要预留出一段安全区域。
那么瞳孔真正可以移动的区域，是从透镜后一段到出瞳平面，中间这一小块锥形的空间。
这一锥形的空间就被称为「眼盒」。
当然实际上只需要计算出「出瞳距离」和「出瞳直径」，那么「眼盒」就已经是确定的。
4.1 眼盒与甜蜜点的区别
那讲到这里，就不得不提起另一个经常被误解的概念「甜蜜点」。
「甜蜜点」是英文「sweet spot」的翻译。
它并不是一个VR专用的光学术语，而是一个被广泛使用于各种场合的通用词汇，表示性价比很高的部分。
例如我们常常听到人们会说，NVIDIA显卡的60系属于「甜品卡」，性价比很高。
这里的「甜品卡」其实就是「sweet spot」的翻译。
那「甜蜜点」在VR设备里，通常描述的其实是PPD的平坦度。
VR透镜的成像常常是中间清晰、四周模糊的，PPD会随着FOV的增大而下降。
如果我们用横轴表示FOV，纵轴表示PPD。
那么菲涅尔透镜的曲线应该是比较凸的，表示PPD的衰减很厉害。
而Pancake透镜的曲线则是比较平坦的，表示PPD均一性较好。
假设人眼最低能接受的PPD是这条线的水平，在这条线之上的区域，就属于性价比很高的「甜蜜点」。
那么Pancake透镜的「甜蜜点」就会比菲涅尔透镜的要大许多。
这就是人们在使用「甜蜜点」这个词汇时真正想表达的意思。
这里我称其为「高PPD区域」，它反映的是VR光学成像的「PPD平坦度」。
很多人会把「PPD平坦度」和「眼盒」的概念混淆在一起，但其实它们是完全不同的两个东西。
「眼盒」描述的是瞳孔移动之后，成像不会发生渐晕的空间。
瞳孔在偏离「眼盒」之后，成像光线会被透镜边缘裁切，画面会出现「渐晕」而变得模糊。
但你只要保证「瞳孔」在「眼盒」之内，那么理论上的虚像画面就一定是清晰的。
而「PPD平坦度」反映的是完美成像时的成像质量，和瞳孔位置无关。
哪怕你的瞳孔位于完美的位置，画面没有产生任何渐晕，但由「PPD平坦度」引起的边缘模糊也一定是模糊的。
当然事实上还存在着另一种更复杂的情况。
如果眼盒的空间太过极限，当眼睛转动看向边缘视场角画面时，瞳孔可能会转到「眼盒」外，这也会导致画面发生「渐晕」，边缘出现模糊。
但在瞳孔直视前方时，边缘画面就是清晰的，这种体验也会导致「PPD平坦度」和「眼盒」的混淆
因此实际中的「出瞳」并不能只考虑人眼直视前方的瞳孔位置，而是需要考虑到旋转之后的瞳孔位置移动。
当然这是另外一个话题了。
总之，「PPD平坦度」和「眼盒」是两个完全不同的概念。
前者反映的是在完美成像时的边缘画质衰减，后者反映的是瞳孔允许移动的空间。
然而很多人都在用一个语焉不详的「甜蜜点」，去描述这两个完全不同的概念。
我认为有必要将两者区分清楚。
5. 如何佩戴VR设备
在理解了VR光学的显示原理之后，我们就可以知道如何科学地佩戴VR设备。
首先瞳距一定要匹配，VR眼镜的「镜瞳距」要和人眼的「目瞳距」一致。
在我看来这是最基础的要求，如果一款VR设备不能做到无极瞳距调节，那它的显示对我来说就是不合格的。
当「镜瞳距」和「目瞳距」偏差过大时，瞳孔可能会偏离眼盒，造成画面边缘发生渐晕。
而哪怕它将眼盒设计得足够大，可以容纳这种偏移不产生渐晕，但瞳距的不匹配也会导致透视关系出错，造成大脑的深度感知异常。
这会让小姐姐看上去像是巨人，或者猛汉子变得小鸟依人，对于实拍的「双目VR摄影」来说是不能接受的。
当然是另外一个话题，有兴趣的朋友可以看【V3】期。
总之眼睛的光轴需要与透镜的光轴对齐，这样我们才能拥有正确的透视和居中的眼盒。
然后在对齐光轴的基础上，尽量缩小「镜眼距」，提高「入眼FOV」以覆盖「虚像FOV」。
那么怎样才能判断「入眼FOV」已经覆盖「虚像FOV」了呢？
其实也很简单，就是观察在视野内能不能看到屏幕显示画面的硬边界。
虚像距是130cm，也就是人眼的「单眼聚焦」对焦在130cm远的位置。
如果虚像画面完全显示了，那我们可以看到一个清晰的硬边界，通常会伴有一些透镜色散导致的色差现象，当然有没有硬边界还取决于屏幕的具体形状和显示方式。
像PICO 3的三档瞳距，在调节时会影响显示画面和FOV，最佳FOV在63.5mm的档位。
而PICO 4的无极瞳距调节则没有影响。
如果「虚像FOV」被过小的「入眼FOV」切割，那么在边缘就会产生模糊的「渐晕」，画面会沿着边缘出现一个软的模糊过渡，这说明镜眼距还太大，还需要再近一点。
因此在戴上VR设备之后，我们先调整瞳距，然后看向水平无穷远，并上下左右调整设备，让透镜的中央光轴与眼球的光轴重合。
然后再调整头戴的松紧程度，缩短镜眼距，尽量使得虚像画面出现一个清晰的硬边界。
当然如果脸型与面罩不够贴合的话，可能会无法得到这样的硬边界，那么就只能将就着用，或者换个面罩。
以我自己为例，把PICO 3的头戴调紧后，双眼视野内就可以看到一个明显的圆形硬边界，且边界处有明显色散。
向四周转动眼球时，也仍然能看到外侧视野的硬边界。
而PICO 4使用官方头戴，在调紧之后，也只有在直视正前方时，可以感受到四周边缘有硬边界。
向四周转动眼球，两侧都看不到硬边界，画面边缘均发生渐晕。
而如果拆掉面罩，让眼睛尽可能地靠近透镜，就可以看到边缘的带有色散的硬边界。
这说明PICO 4的眼盒其实不太够，「入眼FOV」只能满足眼睛直视前方，而无法满足转动眼球。
当然这是我自己的脸型在使用官方面罩时的情况，因人而异。
但我们仍然会觉得PICO 4的显示要好于PICO 3。
一个是眼睛直视正前方时PICO4的FOV会更大，另一个就是PICO 4的「PPD平坦度」要远优于PICO 3。
可以选择更换面罩，缩短镜眼距以换取更大的眼球转动空间，不过我觉得官方的面罩也够用了。
总之核心思路就是尽量缩短「镜眼距」，提高「入眼FOV」以覆盖「虚像FOV」。
5.1 近视用户的建议
以上是如何科学地佩戴VR设备的思路。
接下来再针对眼镜党的朋友提一些建议。
如果是近视的朋友，建议使用磁吸镜片，以缩短镜眼距。
因为普通框架眼镜是很占地方的，会导致整体的镜眼距过长。
并且在选购磁吸镜片时，也要尽量选择薄一点的。
我在用PICO 3的时候，一开始是直接戴着框架眼镜用。
后来买了一款边框比较厚的磁吸镜片。
再后来又买了一款边框比较薄的磁吸镜片。
在用这三款近视镜片时，因为镜眼距的改变，FOV的体验是不同的。
因此强烈建议戴眼镜的朋友更换更贴合的薄的磁吸镜片，以提升「入眼FOV」。
PICO 4我用的则是官方的磁吸镜片，感觉这个厚度还行。
头戴和面罩也是用官方的，原装的中分带虽然毁发型，但还是很方便的，它可以很快速地对齐眼球和透镜的光轴。
而除了VR光学透镜到眼睛之间的「镜眼距」会影响「入眼FOV」，框架眼镜到眼睛之间也有一个「镜眼距」，它其实会对「虚像FOV」造成影响。
这个解释起来有点复杂，就是近视镜片其实就是凹透镜，也就是「缩小镜」。
如果近视镜片到眼睛的「镜眼距」太大，那么它会让虚像的FOV缩小，但同时也会使得PPD上升。
日常使用的框架眼镜的镜眼距还是挺大的，但现实世界的FOV是无限的，无限的FOV缩小之后还是无限，因为周边会有画面补充进来，因此近视用户对于框架眼镜的「FOV缩放」感知不强。
而在VR设备里，虚像画面是有边界的。
FOV缩放之后，边缘并没有冗余的画面补充进来，因此虚像的FOV就变小了。
因此我建议近视用户还是尽量使用贴合的磁吸镜片，不只是缩短VR透镜到人眼的镜眼距，也是缩短近视镜片到人眼的镜眼距，以获得最佳效果。
当然，佩戴隐形眼镜也是一个选择，隐形眼镜到人眼的镜眼距可以忽略不计。
6. Vision Pro的光学设计
苹果的Vision Pro也发布了一段时间了，虽然我没有见到真机，不过从发布会公开的视频来看，它的光学模组有一些可以聊的点。
Vision Pro光学透镜的独特之处在于，它的最后一面透镜是凹面的。
在「镜眼距」无法再缩短的情况下，把最后一面做成凹面的，可以提高「入眼FOV」。
这样做也是不得已而为之。
因为1.41英寸Micro OLED长宽大概是2.8cm*2.3cm，尺寸偏小，因此光学透镜的焦距需要很短，才能实现较大的放大倍率。
而很短的焦距使得透镜的直径无法增加，所以才不得以把最后一面做成凹面，以增加「入眼FOV」。
这样的设计还是有点难度的。
Pancake 的设计多种多样，但把最后一面做成凹面的设计是比较困难的，成本也很高。
Meta和苹果都有类似的专利，只不过苹果财大气粗Vision Pro卖3500美元，才能去应用这个技术。
那么代价就是，近视用户肯定无法使用框架眼镜，只能使用专门的磁吸镜片。
并且面罩也需要非常贴合，部分用户可能需要根据脸型专门定制面罩。
并且还不清楚最后一面凹进去的弧度有多大，如果弧度很大的话，那它的近视镜片很可能也需要特殊定制，不会便宜。
那发布会过后，也有很多人能现场体验Vision Pro，但我觉得大部分人其实无法客观地描述出他所看见的事物。
例如苹果就不允许用框架眼镜，而其他设备包括Quest Pro和PICO 4都是可以使用的。
除此之外还有非常多其他的干扰项，特别是主观的「体感FOV」。
如果在没有控制变量的情况下去对比主观FOV感受，那得出来的结论的参考意义其实并不大。
而从Vision Pro的设计也可以看出，受制于透镜的焦距和直径，VR设备想要同时提高FOV和PPD，会变得越来越困难。
我们只能不断压缩镜眼距，最终走向个人定制化。
因此如果没有新的显示技术突破，很可能大约110°FOV和35PPD的规格，会是很长一段时间内的天花板。
E. 结语
这一期我们梳理了VR设备的三种FOV，帮助大家更好地理解这个重要的概念。
因为对于「双目VR摄影」来说，VR影像就是通过FOV来进行标准化的。
只有以视场角为标准，我们才能在VR影像里还原出现实的观感。
那这一期就先到这里了，后面我们会继续探讨FOV概念在双目VR摄影中的应用。
我是HW君，我们下期再见。
（本章节完）
By HW君 @ 2023-09-06