Synsfelt (FOV)

Da vi besluttede os for at skabe Index-HMD'en, var et af vores primære mål at forbedre den overordnede gengivelseskvalitet for VR-oplevelser, derunder det visuelle, lyden, ergonomien, sporingskvalitet og meget mere. Det er klart, at det er en yderst vigtig del for den visuelle gengivelseskvalitet at give et bredt synsfelt, da dette fremmer indlevelse og gør det mere behageligt at have en HMD på, og afhængigt af oplevelsen kan det forbedre gameplay og interaktioner.

Før vi dykker ned i detaljerne, bør vi nævne et par aspekter af den visuelle gengivelseskvalitet, som er forbundet med synsfeltet.

Vinkelopløsning. Vinkelopløsningen måles i pixels pr. grad (PPD) og har stor betydning for, hvor skarp og realistisk den virtuelle verden ser ud. Inden for HMD-design drives vinkelopløsning af skærmopløsningen og synsfeltet. Desværre reducerer et stort synsfelt vinkelopløsningen, da de tilgængelige pixels fordeles på et større visningsområde. Dette er selvsagt en kritisk afvejning i HMD-design, da både visuel skarphed og synsfeltet er vigtigt for en god VR-oplevelse. Det fulde billede af visuel skarphed involverer mange faktorer udover pixels pr. grad, bl.a. underpixellayout, fyldfaktor, optik og selv ergonomi. Så det er et stort emne til en senere lejlighed.

Skærmens opdateringshastighed og belysningstid. Nogle af fordelene ved højere opdateringshastigheder er velkendte, når det gælder stationære PC'er. Men i VR, hvor skærmen sidder på dit hoved, er både høj opdateringshastighed og lav belysningstid vigtigt for at reducere slørede bevægelser. Reducering af bevægelsessløring er ligesom højere opløsning med til at forbedre den opfattede skarphed. Men det giver også andre ting, som flere pixels pr. grad alene ikke gør: Det får fysiske objekter til at virke mere vedvarende, og samtidig øger det den generelle stabilitet i det virtuelle miljø. På grund af fysiologien i menneskers synsevne bliver disse kvaliteter vigtigere i takt med, at synsfeltet øges.

Vi regner med at skrive mere om disse to ting i senere opslag, men ingen diskussion om synsfelt er komplet uden at nævne dem.

Hvad er VR-synsfelt?

Inden for optik er der et veletableret sæt begreber og konventioner om synsfelt. VR er noget andet og har på mange måder ukonventionelle krav, så vi bruger som regel begrebet på en lidt anden måde. For optiske systemer uden for VR kan pupillernes* placering ikke ændres, og størrelsen på paneler eller sensorer bestemmer grænserne for synsfeltet for en bestemt linse. I disse tilfælde kan synsfeltet let beskrives som horisontalt, vertikalt og diagonalt. Målingen sker fra kanten af sensoren eller panelet via pupillen i det optiske system. Men i optiske VR-systemer er pupillen en kombination af placeringen af personens pupil (dette inkluderer linseafstand og pupilafstand), HMD-linsens blændeåbning (typisk ikke cirkulær af ergonomiske grunde), linsens brændvidde, skærmstørrelsen og det binokulære forhold mellem begge øjne. Måling af det optiske VR-synsfelt bliver således meget mere kompliceret. (Vi bruger begrebet linseafstand til at tale om afstanden mellem linsens forside og det tætteste punkt på øjet, typisk forsiden af hornhinden).

Hver HMD har det maksimalt mulige synsfelt for hvert øje, hvilket bestemmes af designet, uafhængigt af brugeren. Det er det, som folk almindeligvis taler om, prøver at måle osv. Men inden for VR-produktdesign er vi primært interesserede i, hvad den enkelte bruger ser. Da vi undersøgte, hvordan landet lå med HMD-designs, da vi begyndte at designe Index, lagde vi mærke til, at det var almindeligt for brugere at få mindre (endda meget mindre) end det teoretiske maksimale synsfelt på grund af headsettets pasform og brugernes individuelle ansigtsgeometri. Hvis dit øje for eksempel sidder for langt tilbage fra linsen i forhold til linsens diameter, vil hele linsen ifølge basale trigonometriprincipper ikke dække så stor en vinkel, og du kan umuligt få et stort synsfelt. I tilfælde af sådanne linsebegrænsninger, når det gælder HMD-designs såsom Index, som søger at give brugeren et synsfelt på over 90 grader, kan selv en enkelt millimeters ekstra linseafstand reducere synsfeltet med ca. 3 grader.

Hvis du drejer justeringsknappen for linseafstand hele vejen i den ene retning og derefter den anden, mens du har et Index-headset på, vil du se, hvor meget linseafstanden betyder for synsfeltet selv ved en tilsyneladende ganske lille justering. Forskelle i ansigtsgeometrien hos forskellige personer kan ret nemt få linseafstanden til at variere med +/- 6 mm.

Analysen af det geometriske forhold mellem øjenpositionen og linsen kompliceres yderligere af andre faktorer. Hvad sker der for eksempel, når blikket først rettes fremad og derefter drejes til siden, altså når pupillen kommer længere væk fra linsen og tættere på kanten? Hvis pupilafstanden ikke er indstillet korrekt på hardwaren, kan dette også begrænse synsfeltet. Hvis den pupilafstand, som er indstillet på hardwaren for eksempel er for lille, begrænser det ydersiden af synsfeltet.

Pasformen er også vigtig. Headsettet kan være indstillet lidt strammere eller løsere, eller det kan sidde lidt skævt. Alle disse ting kan påvirke synsfeltet negativt. Det bliver mere kompliceret, hvis man bruger briller med styrke, som optisk ændrer den effektive linseafstand. Udover disse fysiske usikkerheder er der yderligere komplikationer på softwaresiden såsom forskydning af visningsstubben i projektionsmatricen eller i tilfælde af ikke-cirkulære gengivelsesmål, som gør synsfeltet asymmetrisk. Lagmasker til kontrol af spredt lys og kromatiske afvigelser er også dynamiske og reagerer i forhold til genprojiceringssystemet. Dette betyder, at synsfeltet ikke engang er helt statisk fra det ene billede til det næste.

Og alt det, vi har nævnt ovenfor, handler kun om et enkelt øje. Når man tager det binokulære synsfelt i betragtning, bliver det endnu mere komplekst med stereooverlapning, og man kommer længere ind i den individuelle subjektive opfattelse.

Tager man de ovenstående aspekter hver for sig, drejer effekten sig måske om en millimeter eller to, men når man lægger dem sammen, betyder det, 1) at der er brug for en betydelig margin og/eller indbygget justering i headsetdesignet, så brugeren kan få det tilsigtede synsfelt, og 2) at det er vanskeligt (nærmest umuligt) at foretage en enkelt objektiv og kvantitativ måling af synsfeltet, som kan forudse, hvad hver individuelle bruger rent faktisk kommer til at se. Derfor er vi tilbageholdende med at beskrive synsfeltet med et enkelt tal, da det ikke vil give rigtig klarhed. Lad os snakke om den første del (1) i stedet ...

Synsfeltdesign

For at gøre det muligt for brugere i det "nære" område i forhold til linseafstand (og personer, som bruger briller) overhovedet at kunne bruge et headset skal headsets uden god justering af linseafstand og nøje gennemtænkt komfort designes med en linseafstand, som giver nok spillerum udadtil. Og så står man med to lige så utilfredsstillende designmuligheder: Enten gør man det maksimale synsfelt relativt lille for alle, eller man gør det stort, men så bliver synsfeltet afskåret for mange brugere, og man spilder vinkelopløsning.

Til Index HMD'en har vi i stedet holdt det teoretiske maksimale synsfelt ret tæt på den bedste ydelse fra tidligere generationers headsets og koncentreret os om at give alle brugere et rigt synsfelt. Det har vi gjort ved hjælp af en kombination af flere designelementer, som sammen gør en stor forskel i det effektive synsfelt og komforten:

1. Linseafstand:
   Først og fremmest har vi implementeret fysisk justering af linse- og pupilafstanden for at give en optimal nominel øjenposition og dermed maksimal komfort og et maksimalt synsfelt for så mange brugere som muligt. Mekanismen til justering af linseafstand på Index er nemmere at justere og gør også, at skærmenheden sidder tættere på øjet sammenlignet med headsets fra den forrige generation. Dette betyder, at de fleste brugere ser meget mere af det samlede billede, som GPU'en gengiver. Valve Index-HMD'ens fysiske design giver også den bedste funktionalitet i det optiske delsystem og forbedrer størrelsen af arbejdsområdet.
2. Skrå linserør:
   For det andet har vi vippet hver linse/skærmenhed 5 grader for at optimere det indre synsfelt i forhold til det ydre synsfelt og også for at forbedre det tilgængelige indre pupilområde. Den første fordel ved denne hældning er enkel: Den giver et par graders ekstra synsfelt mod yderkanterne på bekostning af det indre felt for hvert øje, hvor der er stereooverlapning. Stereooverlapning er selvfølgelig stadig meget vigtigt. Hældningen øger imidlertid vinkelopløsningen i systemet og giver os mulighed for at opnå det ønskede større binokulære synsfelt.
   
   Den største ulempe ved vinkling er, at både det eksisterende softwareindholdsbibliotek og den GPU-renderende hardware som regel er optimeret til parallelle øjne. Dette kan der heldigvis nemt kompenseres for i software ved at anvende de genprojiceringsteknikker, vi allerede skal bruge for at have en konstant billedhastighed. Vi skal kun gøre en lille smule for hvert billede... På denne måde kan apps fra før, nu og i fremtiden fortsat rendere parallelt, som de altid har gjort, og så "fungerer de bare" til HMD'er, som er lidt vinklede.
3. Linsegeometri:
   For det tredje har vi gjort forsiden af linsen meget fladere. Dette gør, at øjet kommer tættere på linsen på en behagelig måde, især for personer, der bruger briller. Selvom det kun drejer sig om et par millimeter, har vi set, hvordan hvert lille stykke hjælper. Desuden, selvom det teknisk set er muligt i stedet at øge blændeåbningen, så er der en tydelig praktisk begrænsning på den ydre diameter på linsen, som skal passe i HMD'et og stadig sikre en tilstrækkelig pupilafstand for at kunne give de mange forskellige brugere en god oplevelse.

Udover disse tre primære aspekter, som påvirker synsfeltet, når det gælder HMD-design, er der nogle andre aspekter, som er værd at nævne, og som vi måtte tage forbehold for i Index-designet.

• Linsediameter: Vi beholdt den 50 millimeter store linsediameter, så der stadig kan være en behagelig afstand til øjet, og der stadig er et højt, geometrisk stabilt synsfelt. Vi har gjort dette, fordi linser med en mindre diameter reducerer den effektive blændeåbning, hvilket hurtigt kan begrænse synsfeltet.
• Klarhed fra kant til kant: Det nye linsedesign til Index fordeler klarheden jævnt over hele det optiske felt. Hvis kvaliteten ikke er høj nok, hjælper et større synsfelt ikke nødvendigvis så meget.
• Geometrisk stabilitet: Jo mere synsfeltet øges, jo sværere bliver det at håndtere forvrængning og sørge for, at billedet er geometrisk stabilt. Ustabilitet beror på mange faktorer, men kommer mest tydeligt til udtryk i form af rysten, hvor ting, der burde være solide, begynder at bølge ligesom gelé, når du bevæger hovedet. Vi anser geometrisk stabilitet som kritisk for komforten på lang sigt, og for at brug af VR fortsat kan vokse.

Der er altså flere betragtninger, som påvirker synsfeltet, og de skal alle passe sammen for at maksimere synsfeltet for alle brugere.

Afslutningsvist:

• Index-HMD'et maksimerer synsfeltet, idet linserne sidder meget tættere på øjnene, også med fuld ansigtspude.
• Synsfeltet, som renderes af GPU'en til Index ligner det hos Vive eller Vive Pro, men de fleste brugere får et endnu større felt.
• Det omhyggelige Index-design giver et større effektivt synsfelt for den enkelte bruger uden at ofre pixels pr. grad.
• De vinklede linserør skifter lidt at det horisontale synsfelt fra indersiden til ydersiden, hvilket skaber større balance.
• Det er virkelig svært at beskrive et HMD's synsfelt med et enkelt tal.

*Med pupil menes systemets blænding, inklusive eventuel lysbrydning eller refleksion, som kan opstå i systemet. Det kan omfatte systemets blændere, indgangspupil eller udgangspupil.