Campo de visión (FOV)

Cuando nos propusimos crear el visor Index, uno de nuestros principales objetivos era mejorar la fidelidad general de la experiencia de la RV, incluyendo gráficos, sonido, ergonomía y calidad de seguimiento, entre otros aspectos. Es indiscutible que proporcionar un amplio campo de visión es una parte fundamental de la fidelidad visual: aumenta la inmersión, hace que llevar un visor sea más cómodo y, en función de la experiencia, puede mejorar la satisfacción y la interacción con el juego.

Antes de sumergirnos, debemos mencionar un par de aspectos de la fidelidad visual estrechamente ligados con el campo de visión.

Resolución angular de píxeles. La resolución angular, medida en píxeles por grado (ppg), es un factor crucial en la nitidez y el realismo de tu mundo virtual. En términos de diseño del visor, la resolución angular depende de la resolución de pantalla y el campo de visión. Por desgracia, proporcionar un campo de visión grande disminuye directamente la resolución angular, ya que los píxeles disponibles se reparten sobre la mayor área de visión. Como es obvio, este aspecto supone un compromiso crucial en el diseño de visor, ya que tanto la claridad visual como el campo de visión son importantes para una gran RV. La cuestión completa de la claridad visual incluye muchos factores que van más allá de los píxeles por grado, como la disposición de subpíxeles, el factor de relleno, la óptica e incluso la ergonomía. Así que dejaremos ese importante tema para otro día.

Frecuencia de actualización y tiempo de iluminación de pantalla («persistencia»). Algunas de las ventajas de una mayor frecuencia de actualización son ya conocidas en lo relacionado con los PC de sobremesa. Pero en la RV, con la pantalla conectada a la cabeza, una actualización frecuente y una menor persistencia son fundamentales para reducir el desenfoque por movimiento. De forma similar al aumento de la resolución, la reducción del desenfoque por movimiento ayuda a mejorar la nitidez percibida del sistema. Pero también proporciona un par de ventajas que el aumento de píxeles por grado por sí solo no puede: mejora la sensación de permanencia física de los objetos virtuales y, al mismo tiempo, mejora la estabilidad general del entorno virtual. Debido a la fisiología de la visión humana, estas cualidades aumentan en importancia a medida que aumenta el campo de visión.

Tenemos intención de tratar estos dos aspectos con mayor profundidad en futuras publicaciones, pero un debate sobre el campo de visión no estaría completo sin mencionarlos.

¿Qué es el campo de visión de la RV?

El campo de la óptica tiene un conjunto bien establecido de términos y convenciones en torno al campo de visión. La RV es un campo distinto y, en muchos aspectos, tiene requisitos poco convencionales, por lo que tendemos a utilizar el término de forma un poco diferente. Para los sistemas ópticos que no son de la RV, las ubicaciones de las pupilas* son fijas y los tamaños de los paneles o sensores son los limitadores del campo de visión definitorios para una lente determinada. En esos casos, el campo de visión se describe con facilidad en términos horizontales, verticales y diagonales. Estas mediciones se derivan de los bordes del sensor o panel a través de la pupila del sistema óptico. Sin embargo, en los sistemas ópticos de la RV, la pupila es la combinación de la ubicación de la pupila humana (que incluye el ajuste ocular y la posición de distancia interpupilar), la apertura de la lente del visor (normalmente no circular por razones ergonómicas), la distancia focal de la lente, el tamaño de la pantalla y la relación binocular entre los dos ojos. Por lo tanto, la medición del campo de visión óptico de la RV se hace mucho más complicada. (Usamos el término ajuste ocular para referirnos a la distancia entre la parte frontal de la lente y el punto más cercano del ojo, normalmente la parte frontal de la córnea).

Cada visor tiene un máximo de campo de visión de un solo ojo determinado por su diseño, independiente del usuario. Esto es de lo que normalmente la gente trata de definir, medir, etc. Pero desde el punto de vista del diseño de los productos de RV, nos preocupa principalmente lo que cada usuario individual ve en realidad. Al estudiar en qué punto se encontraban los diseños de visores cuando empezamos a diseñar Index, observamos que era común que un usuario obtuviera un campo de visión inferior (incluso muy inferior) al máximo teórico debido al ajuste del visor y a su geometría facial particular. Por ejemplo, la trigonometría básica explica que si tu ojo está demasiado lejos de la lente en relación con el diámetro de la lente, esta no cubrirá un ángulo muy amplio y no podrás ver un campo de visión grande. En este contexto de lentes limitadas, para los diseños de visor como Index, cuyo objetivo es proporcionar un campo de visión superior a 90 grados, hasta un solo milímetro de ajuste ocular excesivo reduce el campo de visión en unos 3 grados.

Con un visor Index puesto, puedes ver directamente la alta sensibilidad del campo de visión en función del ajuste ocular girando la rueda de alivio ocular hacia delante y hacia atrás para observar el gran efecto en el campo de visión con un aparentemente pequeño ajuste de recorrido. Las diferencias en la geometría facial entre individuos pueden hacer que la distancia de ajuste ocular varíe en +/- 6 mm.

La comprensión de la geometría de la situación se hace aún más compleja si tenemos en cuenta otros factores que afectan la posición del ojo en relación con la lente. Considera lo que sucede cuando tu ojo mira hacia adelante y luego comienza a girar, alejando la pupila de la lente y acercándola a un borde. Del mismo modo, si la distancia interpupilar del hardware del visor no está ajustada correctamente, puede limitar el campo de visión. Un ejemplo habitual es que si la distancia interpupilar del hardware es demasiado pequeña, limita el campo de visión hacia el exterior.

También es importante el ajuste. Puedes ajustar el visor un poco más apretado o más suelto, o colocarlo un poco descentrado. Todos esos ajustes restan campo de visión. La complejidad aumenta con gafas graduadas, que también tienden a cambiar a nivel óptico el valor de ajuste ocular efectivo. Más allá de las incertidumbres físicas, existen complicaciones adicionales relacionadas con el software, como los troncos de compensación de la matriz de proyección y la forma no circular del renderizado enmascarado. Todo ello afecta al campo de visión y lo hace asimétrico. Además, el enmascaramiento del panel del compositor, que es un software que controla la luz perdida y las franjas cromáticas, es dinámico y depende del sistema de reproyección. Esto significa que el campo de visión para cualquier visor moderno no es completamente estático de un fotograma a otro.

Y todo lo anterior surge teniendo en cuenta el campo de visión para un solo ojo. Si consideramos el campo de visión binocular aparece otra capa de complejidad, con la superposición en estéreo que se adentra aún más en el campo de la percepción subjetiva individual.

En todos los casos anteriores por separado, el efecto podría ser del orden de uno o dos milímetros, pero en conjunto suponen que A) se necesita un margen o ajuste considerable incorporado en el diseño del visor para proporcionar el campo de visión al usuario, y B) es difícil (casi imposible) hacer una sola medición cuantitativa objetiva del campo de visión que prediga lo que un usuario individual obtendrá en realidad. Esto nos hace ser muy prudentes a la hora de hablar del campo de visión usando un solo número, ya que nunca ha estado cerca de ser lo clarificador que queríamos que fuera. Así que vamos a extendernos con el primer tema...

Diseño del campo de visión

Para que los usuarios del lado «cercano» del ajuste ocular (y los usuarios con gafas) puedan utilizar un visor, aquellos que no tienen un buen ajuste ocular ni presten mucha atención a la comodidad deben diseñarse con la distancia de ajuste ocular inclinada hacia fuera. Esto nos deja dos opciones de diseño imperfectas: o bien diseñar el máximo campo de visión para que sea bastante bajo para todos, o bien diseñarlo para que sea razonablemente alto pero dejar a muchos usuarios con un campo de visión truncado y una resolución angular desperdiciada.

En el caso del visor Index, en cambio, mantuvimos el campo de visión máximo teórico bastante cerca del extremo superior del visor de la generación anterior y nos centramos en ofrecer el campo de visión completo a todos los usuarios. Para ello empleamos una combinación de una serie de elementos de diseño que unidos suponen una gran diferencia en el campo de visión y la comodidad efectivos:

1. Alivio ocular:
   En primer lugar, implementamos un ajuste ocular físico y ajustes de distancia interpupilar con el fin de proporcionar una posición ocular nominal óptima y, por lo tanto, la máxima comodidad y campo de visión a tantos usuarios como pudiéramos. Además de ser más fácil de ajustar, el mecanismo de distancia ocular Index permite que el conjunto de la pantalla se asiente más cerca del ojo en comparación con los visores de la generación anterior. Esto significa que la mayor parte de la imagen completa renderizada por la GPU llega a los ojos de la mayoría de los usuarios. El diseño físico del visor de Valve Index también configura el subsistema óptico para que funcione lo mejor posible y ayuda a restringir el espacio de compensación en el que debe operar.
2. Tubos oculares inclinados:
   En segundo lugar, hemos inclinado cada conjunto de lente/pantalla 5 grados para optimizar el campo de visión interno frente al externo y también para mejorar el rango de distancia interpupilar interior disponible. La primera ventaja del enfoque inclinado es sencilla: Amplía el campo de visión unos cuantos grados más hacia los bordes externos a expensas de los bordes internos de cada ojo donde se produce una superposición en estéreo. La superposición estéreo sigue siendo de vital importancia, como es lógico. La inclinación simplemente proporciona una forma de mantener alta la resolución angular del sistema mientras seguimos trabajando para conseguir el campo de visión binocular general más alto que podamos ofrecer.
   
   El principal inconveniente de la inclinación es que tanto la biblioteca de contenido de software existente como el campo del hardware de renderizado de la GPU suelen estar optimizados para los ojos en paralelo. Por suerte, este aspecto se puede compensar fácilmente en el software usando las técnicas de reproyección de las que ya dependemos para mantener una frecuencia de fotogramas constante. Solo tenemos que retocar un poquito cada fotograma... De este modo, las aplicaciones pasadas, presentes y futuras podrán seguir renderizando en paralelo como siempre lo han hecho, y «solo funcionarán» para visores con pequeñas cantidades de ángulos de inclinación.
3. Geometría de la lente:
   En tercer lugar, hemos hecho la superficie frontal de la lente mucho más plana. Esto permite que el ojo se acerque cómodamente a la lente, especialmente en el caso de personas que usan gafas. Aunque este efecto es solo de unos pocos milímetros, hemos observado que hasta lo más mínimo ayuda. Además, aunque es técnicamente posible afrontarlo desde la otra dirección aumentando la apertura clara, existe un límite práctico obvio para el diámetro exterior de la lente que encajará en el visor y aun así proporcionará suficiente rango de distancia interpupilar para ofrecer una buena experiencia a un amplio conjunto de usuarios.

Además de los tres principales aspectos de diseño del visor, existen otros que afectan al campo de visión y que merecen la pena mencionar, pues los tuvimos en cuenta al diseñar Index.

• Diámetro de la lente: Mantuvimos un gran diámetro de lente de 50 milímetros para que el ojo pueda mantener una distancia cómoda y aun así recibir un campo de visión alto y geométricamente estable. Elegimos esta estrategia porque las lentes de diámetro más pequeño reducen la apertura efectiva de la luz al ojo y pueden convertirse de forma inmediata en un factor limitador para el campo de visión.
• Claridad de borde a borde: El nuevo diseño de lente para Index permite una claridad más uniforme en todo el campo óptico. Si no tiene una calidad lo bastante alta, el campo de visión adicional puede no ser tan beneficioso como nos gustaría.
• Estabilidad geométrica: A medida que aumenta el campo de visión, se hace cada vez más difícil acomodar la distorsión y mantener la imagen geométricamente estable. La inestabilidad proviene de muchos factores, pero se manifiesta de forma más evidente como una distorsión de la realidad, donde cosas que deberían parecer sólidas se ondulan como gelatina cuando se mueve la cabeza. Creemos que proporcionar estabilidad geométrica es un aspecto fundamental para la comodidad a largo plazo y el crecimiento sostenido del uso de la RV.

En resumen, existen docenas de consideraciones que afectan al campo de visión, y todas deben ser diseñadas en conjunto para maximizar el campo de visión real proporcionado a toda la base de usuarios.

En conclusión:

• El visor de Index maximiza el campo de visión permitiendo que las lentes se asienten mucho más cerca de los ojos, incluso si se usa la junta de espuma entera.
• El campo de visión renderizado por la GPU de Index es similar al de un Vive o Vive Pro, pero la mayor parte de esa visión llega a la mayoría de los usuarios.
• El diseño cuidadoso de Index ofrece un campo de visión efectivo más elevado para cada usuario individual sin sacrificar los píxeles por grado.
• Los tubos oculares inclinados desplazan de forma eficaz una pequeña cantidad de campo de visión horizontal desde el interior hacia el exterior, haciéndolos más equilibrados.
• Es realmente difícil usar un solo número para describir con eficacia el campo de visión de un visor.

*la pupila hace referencia a la parada del sistema al tener en cuenta cualquier refracción o reflexión que pueda producirse en el sistema. Puede incluir la parada, la pupila de entrada o la pupila de salida del sistema.