Näkökenttä (FOV)

Index-virtuaalitodellisuuslasien kehitystyön päätavoite oli parantaa virtuaalitodellisuuskokemuksen toistotarkkuutta ja kuvan, äänen, ergonomian ja seurannan laatua. Laaja näkökenttä on toistotarkkuuden kulmakivi: se syventää immersiota, lisää VR-lasien käyttömukavuutta sekä parantaa pelikokemusta ja vuorovaikutusta.

Käydään aluksi läpi pari toistotarkkuuteen liittyvää asiaa, jotka ovat näkökentän ytimessä

Kulmaresoluutio pikseleissä. Kulmaresoluutio mitataan pikseleissä kulmaa kohti (PPD). Se on virtuaalimaailman terävyyden ja realismin ratkaiseva tekijä. Virtuaalitodellisuuslaseissa kulmaresoluution määrittävät näyttötarkkuus ja näkökenttä. Ikävä kyllä suuri näkökenttä alentaa kulmaresoluutiota, sillä pikselit levittäytyvät isolle alueelle. Suunnittelussa on tehtävä kompromisseja, koska kuvan tarkkuus ja näkökenttä ovat tärkeitä hienon VR-kokemuksen luomisessa. Kuvantarkkuuteen liittyy tietenkin paljon muutakin kuin pikselit kulmaa kohti, kuten mm. alipikseliasettelu, täyttökerroin, optiikka ja jopa ergonomia. Niistä joskus myöhemmin lisää.

Näytön päivitystiheys ja valaisuaika (jälkihohto). Taajempi päivitystiheys on tietokonepuolella etu. VR-ympäristössä, jossa näyttö on kiinni päässä, tiheä päivitys ja matalampi jälkihohto ovat ratkaisevia tekijöitä liikkeen epäterävyyden vähentämisessä. Kuten resoluution lisääminen, myös liikkeen epäterävyyden vähentäminen auttaa parantamaan järjestelmän terävyyttä. Lisäksi sillä on pari muuta etua, joita pikselien lisääminen kulmaa kohti ei tarjoa: se parantaa virtuaalisten esineiden fyysistä vakauden tunnetta ja samalla koko virtuaalisen ympäristön vakautta. Ihmisen näkökyvyn fysiologian vuoksi nämä ominaisuudet ovat sitä tärkeämpiä mitä isompi näkökenttä.

Niitä on tarkoitus käsitellä myöhemmin lisää, mutta ne oli mainittava tässä näkökentässä puhuttaessa.

Mikä VR-näkökenttä on?

Optiikan alalla on näkökentän suhteen tarkat termit ja konventiot, mutta VR on täysin oma juttunsa. Sillä on monella tapaa epätavanomaiset vaatimukset, joten termiä käytetään hiukan eri tavalla. Tavanomaisesti optisessa järjestelmässä pupillien* paikka on muuttumaton ja paneelin tai anturin koko määrittää linssin näkökentän rajat. Näkökenttää on helppo kuvata vaaka- tai pystysuunnan mukaan tai diagonaalisesti. Mitat lasketaan anturin tai paneelin laidoista optisen järjestelmän pupillin läpi. Virtuaalitodellisuuden optisissa järjestelmissä "pupilli" koostuu ihmissilmän pupillin sijainnista (sekä silmäetäisyydestä ja silmäterävälistä), virtuaalitodellisuuslasien linssin himmentimestä (joka on ergonomisista syistä harvoin pyöreä), linssien polttovälistä, näytön koosta ja silmien suhteesta toisiinsa. VR-näkökentän mittaus on siis hiukan mutkikkaampaa. (Silmäetäisyydellä tarkoitamme linssin etuosan ja silmän lähimmän kohdan, yleensä sarveiskalvon etuosan välimatkaa.)

Kaikissa virtuaalitodellisuuslaseissa on muotoilun takia suurin mahdollinen yhden silmän näkökenttä, joka on käyttäjästä riippumaton. Yleensä tarkoitetaan sitä, kun puhutaan näkökentästä, ja sitä yritetään mitata jne. VR-suunnittelun näkökulmasta meitä kiinnostaa ennen kaikkea se, mitä yksittäinen käyttäjä näkee. Ennen Indexin suunnittelua tarkastelimme senhetkistä VR-lasien tilaa ja huomasimme, että käyttäjät kokivat usein, että näkökenttä oli hyvin kaukana siitä, mikä se olisi teoriassa maksimissaan voinut olla. Tämä johtui lasien istuvuusongelmista ja käyttäjän kasvojen geometriasta. Perustason trigonometria kertoo, että jos silmä on liian kaukana linssistä linssin läpimittaan nähden, koko linssi ei kata laajaa kulmaa eikä näkökenttä voi olla iso. Linssin rajoittuneisuuden vuoksi Indexin virtuaalitodellisuuslasien suunnittelussa – jossa tarkoituksena on tarjota yli 90 asteen näkökenttä – yksikin lisämillimetri silmäetäisyyttä pienentää näkökenttää kolmella asteella.

Index-virtuaalitodellisuuslasit päässä on helppo kokeilla, miten herkästi silmän etupinnan ja linssin takapinnan välinen etäisyys (katseluetäisyys) vaikuttaa näkökenttään. Pyörittämällä nappia edestakaisin huomaa, miten pienikin muutos vaikuttaa näkökenttään. Ihmisten kasvojen geometrian erojen vuoksi silmän etupinnan ja linssin takapinnan välisen etäisyyden vaihteluväli voi helposti olla +/- 6 mm.

Tilanteen geometrian ymmärtämistä vaikeuttaa moni muu tekijä, joka vaikuttaa silmän asentoon linssiin nähden. Esimerkiksi se, mitä tapahtuu, kun silmä katsoo suoraan, alkaa kääntyä ja pupilli siirtyy kauemmas linssistä ja lähemmäs reunaa. Tai jos VR-lasien pupillien välistä etäisyyttä ei ole määritetty oikein. Sekin voi rajoittaa näkökentän laajuutta. Yleinen esimerkki on se, että liian pieni silmäteräväli rajoittaa näkökentän laajuutta ulospäin.

Istuvuudella on myös väliä. Voit säätää laseja hiukan tiukemmalle tai löysemmälle tai asetella ne hieman poissa keskilinjasta. Kaikki tämä vaikuttaa näkökentän laajuuteen. Tilannetta mutkistavat myös silmälasit vahvuuksilla. Ne muuttavat optisesti toimivaa katseluetäisyyden arvoa. Fyysisten epävarmuustekijöiden lisäksi ohjelmisto aiheuttaa omat ongelmansa, kuten projektiomatriisin poikkeavat kartiot ja sen, että lasien hahmontamiskohteen muoto ei ole pyöreä. Ne tekevät näkökentästä epäsymmetrisen. Sommittelupaneelin peitto, hajavaloa ja värien hajontaa ohjaileva ohjelmisto, on dynaaminen ja riippuvainen takaisinprojektiojärjestelmästä. Tämä tarkoittaa, ettei yksienkään nykyajan VR-lasien näkökenttä ole ruudusta toiseen täysin staattinen.

Kaikki tämä koskee vasta yhden silmän näkökentän laajuutta. Binokulaarisessa näkökentässä on omat vaikeutensa, kuten päällekkäisyys ja yksilöllinen subjektiivinen hahmottaminen.

Kaikissa yllä mainituissa tapauksissa vaihtelu voi olla yhden tai kahden millimetrin luokkaa, mutta jos tarkastellaan niitä yhdessä, on selvää, että VR-laseihin vaaditaan laajempi marginaali ja/tai sisäänrakennettu säätömahdollisuus, jotta käyttäjä saa halutun näkökentän. On vaikeaa (käytännössä mahdotonta) luoda yhtä objektiivista, määrällistä näkökentän mittausta, joka ennustaisi, millainen kunkin yksittäisen käyttäjän näkökenttä lopulta on. Emme halua sen vuoksi puhua näkökentän laajuudesta tarkoin luvuin, sillä se ei selvennä asiaa läheskään niin hyvin kuin toivoisimme. Joten käsitellään ensin seuraavaa.

Näkökentälle suunnitteleminen

Jos käyttäjän silmän etupinnan ja linssin takapinnan välinen etäisyys on pieni (tai käytössä ovat silmälasit), VR-laseille on lisävaatimuksensa. Jos lasien katseluetäisyyttä ei voi säätää tai istuvuutta ei ole mietitty loppuun, VR-lasit täytyy suunnitella niin, että silmän etupinnan ja linssin takapinnan välinen etäisyys on mahdollisimman pitkä. Se taas johtaa kahteen suunnitteluongelmaan. Joko maksimaalinen näkökentän laajuus suunnitellaan kaikille alhaiseksi tai suhteellisen korkeaksi, mutta silloin näkökenttä on monelle käyttäjälle typistetty ja kulmaresoluutio menee hukkaan.

Index-laseissa teoreettinen maksimaalinen näkökentän laajuus pidettiin suhteellisen lähellä edellisen sukupolven VR-lasien parasta päätä ja samalla keskityttiin tarjoamaan kaikille käyttäjille täysilaaja näkökenttä. Tämä toteutettiin usean suunnitteluelementin yhdistelmällä, joka on iso edistysaskel efektiivisen näkökentän ja mukavuuden suhteen.

1. Silmän etupinnan ja linssin takapinnan välinen etäisyys (katseluetäisyys)
   Ensinnäkin toteutettiin silmän etupinnan ja linssin takapinnan välisen etäisyyden ja pupillien välisen etäisyyden (silmäteräväli) säätö, jotta mahdollisimman monen käyttäjän silmien asento ja näkökenttä olisivat optimaalisia. Indexin katseluetäisyyttä on helpompi säätää, ja mekanismi mahdollistaa sen, että näyttö on lähempänä silmää kuin edellisen sukupolven laseissa. Eli grafiikkasuoritin renderöi selvästi suuremman osan kokonaiskuvaa useimpien käyttäjien silmille. Valven Index-virtuaalitodellisuuslasien muotoilun ansiosta optinen alijärjestelmä toimii mahdollisimman hyvin ja rajoittaa kompromissien vaatimaa tilaa, jossa se toimii.
2. Kallistetut silmäputket
   Toiseksi linssejä ja näyttöä kallistettiin viisi astetta sisäisen ja ulkoisen näkökentän optimoimiseksi ja tarjolla olevan sisäisen silmien välin parantamiseksi. Kallistuksen ensimmäinen etu on yksinkertainen. Se siirtää näkökenttää muutaman asteen kohti ulkoreunaa, pois silmien sisälaidalta, jossa stereonäkö vaikuttaa. Stereonäkö on tietenkin äärimmäisen tärkeä. Kallistus mahdollistaa lasien korkean kulmaresoluution samalla, kun haetaan toivottua, parempaa binokulaarista näkökenttää.
   
   Kallistuksen suurin epäkohta on se, että sekä olemassa oleva ohjelmiston sisältökirjasto ja GPU-renderöintilaitteisto on tyypillisesti optimoitu paralleeleille silmille. Onneksi tämä voidaan korvata ohjelmistolla, joka käyttää takaisinprojektiojärjestelmää, joka nyt jo takaa tasaisen kuvataajuuden. Täytyy vain napata pieni pätkä joka ruudusta... Näin vanhat ja uudet sovellukset voivat jatkaa paralleelia renderöintiä vanhaan malliin. Ne toimivat suhteellisen hyvin VR-laseille, ja kallistettuja kulmia on vähän.
3. Linssien geometria
   Kolmanneksi linssin etupinnasta tehtiin paljon litteämpi. Näin silmä voi olla vaivatta lähellä linssiä. Tämä on hyvä asia eritoten silmälasien tai piilolinssien käyttäjille. Kyse on vain muutamista millimetreistä, mutta olemme huomanneet, että se on pienestä kiinni. Teknisesti ongelmaa voi lähestyä myös toisesta suunnasta kasvattamalla aukkoa, mutta linssin ulkoiselle halkaisijalle on käytännössä olemassa selvä raja, jotta linssi mahtuu VR-laseihin ja tarjoaa riittävän suuren pupillien välisen etäisyyden ja hyvän kokemuksen laajalla joukolle käyttäjiä.

Näiden kolmen asian lisäksi VR-lasien designiin vaikuttaa muutama muukin mainitsemisen arvoinen asia, jotka piti ottaa Indexin suunnittelussa huomioon.

• Linssin läpimitta – Pitäydyimme isossa, 50-millin läpimitassa, jotta etäisyys silmään tuntuu mukavalta ja näkökenttä säilyy korkealaatuisena ja geometrisesti vakaana. Päätimme tehdä näin, koska läpimitaltaan pienet linssit pienentävät valoaukkoa, ja tämä voi rajoittaa näkökenttää.
• Tarkkuus kautta näkökentän – Indexin linssien uusi design takaa entistä paremman tarkkuuden kautta koko optisen kentän. Ilman korkeaa laatua näkökentän laajennuksesta ei saada haluttua hyötyä.
• Geometrinen vakaus – Näkökentän laajetessa vääristymistä on entistä vaikeampi hallita niin, että kuva säilyttää geometrisen vakauden. Epävakaus syntyy monesta tekijästä, mutta selkeimmin se näkyy maailman huojumisena. Esineet, joiden pitäisi näyttää kiinteiltä, aaltoilevat kuin hyytelö päätä liikutettaessa. Geometrinen vakaus on ratkaiseva tekijä, kun mietitään käyttömukavuutta ja virtuaalitodellisuuden käytön kasvua.

Näkökentän laajuuteen vaikuttavat siis monet tekijät, jotka pitää huomioida suunnittelussa, jotta todellinen, tarjolla oleva näkökenttä maksimoidaan.

Yhteenveto

• Index-virtuaalitodellisuuslasit tarjoavat maksimaalisen näkökentän, ja linssit ovat entistä lähempänä silmää (vaikka laseissa olisi käytössä täysipehmuste).
• Indexin grafiikkasuorittimen renderöimä näkökenttä on samaa luokkaa kuin Vive- tai Vive Pro -laseissa, mutta useimmat käyttäjät saavat isomman näkymän.
• Indexin tarkka design tarjoaa toimivamman näkökentän yksittäiselle käyttäjälle ilman, että pikselit kulmaa kohti kärsivät.
• Kallistetut silmäputket siirtävät tehokkaasti pienen osan horisontaalisesta näkökentästä sisälaidalta ulkolaidalle, ja näin laitteesta tulee tasapainoisempi.
• Virtuaalitodellisuuslasien näkökenttää on todella vaikea kuvata numeroin.

*Pupilli viittaa himmentimen pysähtymiseen, mahdolliseen valon taittumiseen ja heijastumiseen. Se voi sisältää himmentimen sekä sisääntulo- ja ulosmenopupillin.