Champ de vision (FOV)

Lorsque nous avons entrepris de créer le casque Index, l'un de nos principaux objectifs était d'améliorer la fidélité globale de l'expérience de VR, notamment les aspects visuels, sonores, ergonomiques, la qualité du suivi et plus encore. Fournir un large champ de vision est un aspect critique de la fidélité visuelle : cela augmente l'immersion, rend le port d'un casque plus confortable et, en fonction de l'expérience, permet de rendre les interactions et le gameplay plus satisfaisants.

Avant d'approfondir, nous souhaitons mentionner certains aspects de la fidélité visuelle qui sont étroitement liés au champ de vision.

Résolution angulaire en pixels. Mesurée en pixels par degré (ppd), la résolution angulaire est un élément majeur de la netteté et du réalisme de votre monde virtuel. En ce qui concerne la conception du casque, la résolution angulaire dépend de la résolution d'affichage et du champ de vision. Malheureusement, un champ de vision large entraîne automatiquement une réduction de la résolution angulaire, car les pixels disponibles sont répartis sur une zone de vision plus large. Un compromis est donc essentiel dans la conception du casque, étant donné que la clarté visuelle et le champ de vision sont tous deux importants pour l'expérience VR. Il faut garder à l'esprit que la clarté visuelle implique de nombreux facteurs autres que les pixels par degré, comme l'agencement des sous-pixels, le taux de remplissage, l'optique, et même l'ergonomie. Mais nous aborderons ce sujet complexe un autre jour.

Taux de rafraichissement et durée d'éclairage de l'affichage (« persistance »). Les avantages d'un taux de rafraichissement élevé sont déjà connus dans l'environnement des ordinateurs de bureau. Mais dans le cas de la VR, où l'affichage lui-même est fixé sur votre tête, une actualisation fréquente et une faible persistance sont essentielles pour réduire le flou des objets en mouvement. De manière similaire à l'augmentation de la résolution, la réduction du flou des objets en mouvement contribue à améliorer la netteté perçue via le système. Mais elle permet également autre chose par rapport à l'augmentation des pixels par degrés : elle améliore la sensation de constance physique des objets virtuels, ainsi que la stabilité générale de l'environnement virtuel. En raison de la physiologie de la vision humaine, ces qualités deviennent d'autant plus importantes que le champ de vision augmente.

Nous prévoyons de parler plus en détail de ces deux aspects dans de futurs articles, mais une discussion autour du champ de vision ne serait pas complète sans en faire mention.

Qu'est-ce que le champ de vision VR ?

En optique classique, il existe une série de termes et de conventions bien établis pour parler du champ de vision. La VR étant un univers à part, avec ses propres contraintes, le terme y est utilisé de façon légèrement différente. Pour les systèmes optiques non VR, l'emplacement de la pupille* est fixe, et la taille du panneau ou du capteur définit la limite du champ de vision pour la lentille. Dans un tel cas, le champ de vision peut être facilement décrit en termes d'horizontale, de verticale et de diagonale. Ces mesures sont effectuées à partir du bord du capteur ou du panneau jusqu'à la pupille du système optique. Pour les systèmes optiques VR, la « pupille » correspond à la combinaison de l'emplacement de la pupille humaine (qui inclut le dégagement oculaire et l'EP), l'ouverture de la lentille du casque (qui n'est généralement pas circulaire pour des raisons d'ergonomie), la distance focale de la lentille, la taille de l'affichage, ainsi que la relation binoculaire entre les deux yeux. Le champ de vision optique est par conséquent beaucoup plus compliqué à mesurer dans le cas de la VR (le terme « dégagement oculaire » est ici utilisé pour décrire la distance entre l'avant de la lentille et le point le plus proche des yeux, c'est-à-dire l'avant de la cornée).

Chaque casque a un champ de vision maximum possible pour un œil, qui est déterminé par sa conception et est indépendant de son utilisateur. C'est en général ce dont parlent les gens, ce qu'ils essaient de mesurer, etc. Mais lorsque nous concevons un produit VR, notre préoccupation principale est ce que chaque individu voit réellement. En enquêtant sur l'état de l'art en matière de conception de casques de VR lorsque nous avons commencé à concevoir Index, nous avons constaté que le champ de vision de l'utilisateur était souvent (voire très souvent) inférieur au champ maximum théorique, à cause de l'ajustement du casque et de la géométrie faciale de chaque individu. Par exemple, selon des principes de trigonométrie de base, si la distance entre l'œil et la lentille est trop grande par rapport au diamètre de celle-ci, elle ne couvrira qu'un angle réduit, et le champ de vision ne peut donc pas être très grand. Pour les conceptions de casque comme Index, qui vise à fournir un champ de vision supérieur à 90 degrés, une telle limitation signifie que le moindre millimètre en plus de dégagement oculaire réduit le champ de vision d'environ 3 degrés.

Lorsque vous portez un casque Index, vous pouvez tester directement la sensibilité du champ de vision en tournant le bouton de dégagement oculaire d'un bout à l'autre et en observant la différence notable du champ de vision avec le moindre ajustement. Les différences de géométrie faciale chez les individus peuvent facilement entraîner une variation de la distance de dégagement oculaire de plus ou moins 6 mm.

Comprendre la géométrie derrière chaque situation devient encore plus complexe lorsque l'on prend en compte d'autres facteurs affectant la position de l'œil par rapport à la lentille. Observez ce qui se passe lorsque votre œil regarde droit devant, puis commence à tourner : la pupille s'éloigne alors de la lentille pour se rapprocher d'un des bords. De même, si l'EP intrinsèque du casque n'est pas ajusté correctement, cela peut limiter le champ de vision. Par exemple, si l'EP est trop faible, il limitera le champ de vision vers l'extérieur.

L'ajustement du casque est également important. Vous pouvez ajuster votre casque plus ou moins fermement, voire de manière légèrement décentrée. Tout cela affecte négativement le champ de vision. La complexité est d'autant plus grande pour les porteurs de lunettes de vue, pour lesquels la valeur du dégagement oculaire effective peut être alors modifiée. Mais au-delà des aléas physiologiques, des complications supplémentaires peuvent se produire du côté logiciel, comme les écarts tronconiques de la matrice de projection et le masque de rendu non circulaire. Cela peut rendre le champ de vision asymétrique. De plus, le masquage du panneau du compositor, qui contrôle la lumière parasite et la réfraction chromatique, agit de façon dynamique en réponse au système de reprojection... Cela signifie que le champ de vision pour les casques modernes n'est jamais entièrement statique d'une image à l'autre.

Et toutes les considérations ci-dessus ne s'appliquent qu'à un seul œil... Le champ de vision binoculaire ajoute encore un niveau de complexité en introduisant le recouvrement stéréo et en laissant encore plus de prise à la perception subjective individuelle.

Pour tous les cas de figure ci-dessus pris séparément, l'effet peut être de l'ordre d'un ou deux millimètres, mais lorsqu'ils se conjuguent A) vous devez prévoir une marge significative et/ou une possibilité d'ajustement dans la conception du casque afin de fournir le champ de vision à l'utilisateur, et B) il est difficile (sinon impossible) d'effectuer une mesure unique du champ de vision objective qui prédirait un résultat valable pour tous les individus. Pour ces raisons, nous hésitons à décrire le champ de vision à l'aide d'un chiffre unique, car cela est loin de répondre à nos objectifs de clarté. Développons tout d'abord le premier point...

Une conception orientée sur le champ de vision

Afin de permettre aux utilisateurs dont le dégagement oculaire est proche du minimum (et aux porteurs de lunettes) de pouvoir utiliser le casque, les casques qui n'offrent pas un bon réglage du dégagement oculaire ou un confort suffisant doivent être conçus avec un biais important du dégagement oculaire vers l'extérieur. Cela laisse deux choix de conception peu satisfaisants : soit le champ de vision maximum sera assez réduit pour tous les utilisateurs, soit il sera élevé pour certains mais tronqué pour d'autres avec un gâchis de la résolution angulaire.

Pour le casque Index, nous avons choisi de garder le champ de vision maximum théorique aussi proche que possible de celui des casques haut de gamme de la génération précédente, puis d'assurer que tous les individus bénéficient effectivement du champ de vision entier. Nous y sommes parvenus en combinant différents éléments de conception pour aboutir à une différence notable pour le champ de vision effectif et le confort :

1. Dégagement oculaire :
   Nous avons tout d'abord implémenté les réglages du dégagement oculaire physique et de l'EP afin de fournir une position nominale optimale pour chaque œil, et ainsi un confort et un champ de vision maximums pour le plus grand nombre d'individus possible. En plus d'être plus facile à régler, le mécanisme de dégagement oculaire du casque Index permet au dispositif d'affichage de se trouver plus près des yeux en comparaison avec les casques de la génération précédente. Cela signifie qu'une partie bien plus grande de l'image rendue par le GPU est accessible à une majorité d'utilisateurs. La conception physique du casque Valve Index permet également au sous-système optique de fonctionner aussi bien que possible et de limiter l'espace dans lequel il opère.
2. Tubes oculaires inclinés :
   Nous avons ensuite incliné chaque dispositif de lentille/d'affichage de 5 degrés pour optimiser le champ de vision interne/externe et améliorer aussi l'amplitude interne de l'EP disponible. Le premier avantage de l'approche inclinée est simple : elle pousse de quelques degrés le champ de vision vers l'extérieur, aux dépens des bords intérieurs de chaque œil où opère le recouvrement stéréo. Ce dernier demeure bien sûr crucial. L'inclinaison permet de garder la résolution angulaire du système élevée, tout en atteignant le champ de vision binoculaire maximum recherché.
   
   L'inconvénient majeur de l'inclinaison est que la bibliothèque de contenu logiciel existant et le champ des GPU de rendu sont tous optimisés pour des yeux en position parallèle. Cela peut être heureusement compensé par programme en utilisant les techniques de reprojection dont nous nous servons déjà pour maintenir une fréquence d'images constante. Cela demande juste un tout petit peu plus de travail pour chaque image... De cette manière, les applications passées, actuelles et à venir peuvent continuer à effectuer le rendu de la même manière en parallèle, et fonctionneront malgré tout avec des casques présentant de légers angles d'inclinaison oculaire.
3. Géométrie de la lentille :
   Troisièmement, nous avons considérablement aplati la surface avant de la lentille. Cela permet à l'œil de se trouver confortablement plus près de la lentille, notamment pour les porteurs de lunettes de vue. Bien que cet effet soit de l'ordre de quelques millimètres, nous avons vu que le moindre détail compte. Même s'il est techniquement possible d'adopter l'approche inverse en augmentant l'ouverture visuelle, le diamètre externe de la lentille est limité car elle doit tenir dans le casque tout en garantissant une amplitude d'EP suffisante pour un maximum d'utilisateurs.

En plus de ces trois points, nous avons dû tenir compte d'autres aspects notables qui impactent le champ de vision lors de la conception de l'Index.

• Diamètre de la lentille : nous avons conservé un large diamètre de lentille de 50 millimètres afin de permettre à l'œil de se trouver à une distance confortable, tout en bénéficiant d'un champ de vision élevé et géométriquement stable. Nous avons choisi cette approche, car les lentilles avec un diamètre plus faible réduisent le passage effectif de la lumière vers l'œil, ce qui peut devenir un facteur limitant pour le champ de vision.
• Clarté d'un bord à l'autre : le nouveau design de la lentille de l'Index permet une clarté plus équilibrée sur l'ensemble du champ optique. Sans une qualité suffisante, l'extension du champ de vision n'aura pas les bénéfices souhaités.
• Stabilité géométrique : à mesure que le champ de vision augmente, il devient plus difficile de compenser la distorsion et de conserver une image géométriquement stable. L'instabilité résulte de nombreux facteurs, mais se traduit le plus souvent par un vacillement de l'environnement, où les objets qui devraient être solides semblent onduler comme de la gélatine lorsqu'on bouge la tête. Fournir une stabilité géométrique est une condition critique du confort à long terme et d'une croissance continue de l'utilisation de la VR.

Des dizaines de facteurs impactent le champ de vision, et la conception doit tous les intégrer en même temps pour maximiser le champ de vision réel dont bénéficiera l'ensemble des utilisateurs.

En conclusion :

• Le casque Index maximise le champ de vision en permettant aux lentilles de se trouver plus près des yeux, même avec un rembourrage intégral en mousse.
• Le champ de vision rendu par le GPU pour l'Index est similaire à celui d'un casque VIVE ou VIVE Pro, mais davantage d'utilisateurs en bénéficient effectivement.
• La conception soignée de l'Index fournit un champ de vision effectif plus vaste aux utilisateurs sans sacrifier de pixels par degré.
• Les tubes oculaires inclinés font basculer une petite partie du champ de vision de l'intérieur vers l'extérieur, réalisant ainsi un meilleur équilibrage.
• Il est difficile de réduire la description du champ de vision d'un casque à un simple chiffre.

*le terme « pupille » se réfère au diaphragme du système lorsqu'une réfraction ou réflexion survient. Il peut inclure le diaphragme, la pupille d'entrée ou la pupille de sortie du système.