Campo visivo (FOV)

Quando abbiamo deciso di creare il visore Valve Index, uno dei nostri obiettivi principali era di migliorare la fedeltà globale dell'esperienza VR, soffermandoci sulla qualità audiovisiva e di tracciamento, sull'ergonomia e su molto altro ancora. Ovviamente, offrire un campo visivo ampio risulta cruciale per garantire la fedeltà visiva: oltre ad aumentare l'immersività, un ampio campo visivo rende più confortevole indossare il visore e, a seconda dell'esperienza, può rendere più soddisfacenti il gioco e le interazioni.

Prima di entrare nei dettagli, menzioniamo un paio di aspetti della fedeltà visiva collegati al campo visivo.

Risoluzione angolare. Misurata in pixel per grado (ppd), la risoluzione angolare è uno dei fattori più importanti per quanto riguarda la nitidezza e il realismo del mondo virtuale. Se consideriamo il design del visore, la risoluzione angolare è data dalla risoluzione e dal campo visivo del display. Purtroppo, offrire un campo visivo più ampio, decresce direttamente la risoluzione angolare poiché i pixel disponibili si diffondono in tutta l'ampia zona visiva. Si tratta quindi di un compromesso critico da valutare nel design del visore, poiché sia la nitidezza che il campo visivo sono importanti per una buona esperienza VR. In realtà, la questione della nitidezza visiva comprende molti altri fattori oltre ai pixel per grado, tra cui il layout dei sub-pixel, il fattore di riempimento, le lenti e persino l'ergonomia, ma di questo tema ce ne occuperemo un'altra volta.

Frequenza di aggiornamento del display e tempo di illuminazione del display ("persistenza"). Alcuni dei benefici dati da una frequenza di aggiornamento più elevata si capiscono bene nell'ambito dei computer. In VR, dove lo schermo è sulla testa, un aggiornamento frequente e una persistenza minore sono fondamentali per ridurre la sfocatura dei movimenti. Ridurre la sfocatura dei movimenti aiuta a migliorare la nitidezza percepita del sistema, un po' come quando aumentiamo la risoluzione, ma offre anche alcuni altri miglioramenti non ottenibili con il solo aumento dei pixel per grado: in questo modo, infatti, vengono migliorate anche la sensazione di permanenza fisica degli oggetti virtuali e al tempo stesso la stabilità complessiva dell'ambiente virtuale. Per via della fisiologia della visione umana, queste qualità diventano sempre più importanti con l'aumentare del campo visivo.

Abbiamo intenzione di trattare più in dettaglio questi due aspetti nei post futuri, ma non potevamo parlare di campo visivo senza almeno menzionarli.

Cos'è il campo visivo in VR?

Il campo dell'ottica ha una serie di termini e convezioni ampiamente riconosciuti per quanto riguarda il campo visivo. La VR, però, è qualcosa di diverso, con numerosi requisiti non convenzionali, pertanto tendiamo ad usare il termine in modo leggermente differente. Per i sistemi ottici non VR, le posizioni della pupilla* sono fissate e le dimensioni del pannello o dei sensori rappresentano il limitatore determinante del campo visivo per una data lente. In questi casi, il campo visivo può essere facilmente descritto nei termini orizzontale, verticale e diagonale. Queste misurazioni derivano dai bordi del sensore o del pannello attraverso la pupilla del sistema ottico. Tuttavia, nei sistemi ottici VR, la pupilla è il risultato della combinazione dei seguenti fattori: la posizione della pupilla umana (che comprende l'estrazione pupillare e la distanza interpupillare), l'apertura delle lenti del visore (tipicamente non circolare per motivi ergonomici), la lunghezza focale delle lenti, la dimensione del display e la relazione binoculare tra i due occhi. Pertanto, misurare il campo visivo di un sistema ottico VR può essere molto più complicato. (Abbiamo usato il termine "estrazione pupillare" per indicare la distanza tra la parte frontale delle lenti e il punto più vicino al tuo occhio, tipicamente la parte frontale della cornea.)

Ogni visore può estendere il suo campo visivo per un singolo occhio fino a un certo valore massimo, indipendente dall'utente. Questo è proprio ciò di cui si discute più comunemente, ciò che si cerca di misurare, ecc. Tuttavia, per quanto riguarda la progettazione di un prodotto VR, la preoccupazione principale riguarda ciò che ogni singolo utente riesce di fatto a vedere. Ispezionando gli altri visori disponibili quando abbiamo iniziato a progettare Valve Index abbiamo osservato che era comune per un utente disporre di un campo visivo minore (spesso molto minore) del valore massimo teorico, principalmente per via del modo in cui il visore veniva indossato e della geometria facciale delle singole persone. Ad esempio, la trigonometria di base ci dice che se l'occhio è troppo lontano dalla lente in relazione al diametro della stessa, l'intera lente non potrà coprire un angolo molto ampio e il campo visivo non risulterà molto grande. In questa situazione, per i visori come Valve Index che puntano ad offrire un campo visivo più ampio di 90 gradi, anche un singolo millimetro di estrazione pupillare in eccesso può ridurre il campo visivo di circa 3 gradi.

Indossando il visore Valve Index e regolando la manopola dell'estrazione pupillare è possibile notarne l'alta sensibilità, che porta a una percezione molto diversa del campo visivo anche con cambiamenti minimi. Differenze nella conformazione facciale possono facilmente comportare variazioni di circa 6mm nell'estrazione pupillare.

Capire i concetti geometrici alla base di questo fenomeno diventa ancora più complesso se si prendono in considerazione altri fattori che influenzano la posizione degli occhi rispetto alla lente. Pensa a cosa succede quando stai guardando dritto davanti a te e poi inizi a guardare da un'altra parte: la pupilla si allontana dalla lente e si avvicina al bordo. Allo stesso modo, se la distanza interpupillare del visore non è regolata correttamente, il campo visivo può risultare limitato. Un esempio comune si verifica quando la distanza interpupillare del visore è troppo bassa, il che provoca una riduzione del campo visivo verso l'esterno.

Il modo in cui si indossa il visore è importante: regolarlo in maniera troppo stretta o troppo larga, oppure indossarlo in una posizione non centrata, può limitare il campo visivo. La complessità aumenta ulteriormente quando si indossano occhiali da vista, che di solito modificano otticamente la distanza interpupillare. Oltre alle variabili fisiche, vi sono ulteriori complicazioni dal lato del software, ad esempio il fatto che i tronchi di cono di compensazione degli obiettivi della maschera di renderizzazione non sono circolari, il che rende il campo visivo asimmetrico. Inoltre, il mascheramento del pannello compositore (il software che tiene sotto controllo errori nella luminosità e il fringing cromatico) è dinamico ed è legato al sistema di riproiezione. Ciò significa che il campo visivo dei moderni visori non è mai completamente statico, nemmeno tra un fotogramma e l'altro.

Per adesso abbiamo considerato il campo di visivo di un occhio solo, ma considerare quello di entrambi aggiunge ulteriore complessità con l'aggiunta di sovrapposizioni in stereo e una grossa influenza della percezione personale.

Considerando separatamente i casi di cui sopra, i cambiamenti sono nell'ordine di 1 o 2 millimetri, ma prenderli in considerazione risulta in due constatazioni. Innanzitutto, per generare il campo visivo dell'utente bisogna integrare nel visore notevoli margini e/o regolazioni. Inoltre, è molto difficile (impossibile, in realtà) effettuare una misurazione numerica e oggettiva del campo visivo che predica l'esperienza di un singolo utente. È per questo che non vogliamo indicare il campo visivo con un semplice numero, poiché non aiuta ad essere chiari quanto vorremmo. Dobbiamo dunque approfondire qualche concetto...

Programmare per il campo visivo

Per far sì che gli utenti con un'estrazione pupillare ridotta (e quelli che indossano occhiali da vista) possano usare un visore, quelli progettati senza opzioni accurate di aggiustamento dell'estrazione pupillare e senza attenzione alla comodità devono avere un valore predefinito di estrazione pupillare molto decentrato verso l'esterno. Ciò porta a due scomode possibilità di progettazione: implementare un campo visivo molto ridotto per tutti gli utenti, oppure implementarne uno ragionevolmente alto che però risulterà in uno spreco di risoluzione angolare e nell'impossibilità per alcuni utenti di usufruirne in pieno.

Nella progettazione di Valve Index, abbiamo deciso di mantenere il campo visivo massimo a un valore abbastanza simile a quello dei visori di alto livello della passata generazione, per poi concentrarci sul renderlo usufruibile da tutti gli utenti. Per farlo, abbiamo utilizzato svariati elementi di progettazione che, combinati insieme, fanno una grande differenza per la comodità e la resa del campo visivo.

1. Distanza interpupillare:
   Innanzitutto, abbiamo implementato una regolazione fisica dell'estrazione pupillare e aggiustamenti nella distanza interpupillare, ottenendo così la massima comodità e il campo visivo più ampio possibili per la maggioranza degli utenti. Il meccanismo di regolazione dell'estrazione pupillare, oltre ad essere semplice da utilizzare, fa sì che lo schermo possa essere posizionato più vicino agli occhi rispetto a quelli dei visori della passata generazione. Ciò significa che gran parte degli utenti vedranno quasi tutta l'immagine renderizzata dalla scheda grafica. Il design dell'hardware del visore Valve Index, inoltre, ottimizza il lavoro del sottosistema ottico e aiuta a limitare l'impatto degli spazi ridotti in cui deve operare.
2. Occhi magici inclinati:
   Abbiamo anche inclinato lenti e schermi di 5 gradi per ottimizzare le differenze fra campo visivo interno ed esterno e aumentare i valori disponibili di distanza interpupillare interiore. Il primo beneficio del design angolato è che sposta il campo visivo di qualche grado in più verso l'esterno, mentre per la parte interna degli occhi si attiva la sovrapposizione in stereo, che ovviamente risulta ancora essenziale. L'angolazione fornisce semplicemente un modo per mantenere alta la risoluzione del sistema e al tempo stesso ottenere un campo visivo più alto per entrambi gli occhi.
   
   Lo svantaggio principale dell'inclinazione è che sia il contenuto della libreria del software esistente che il campo del rendering della GPU dell'hardware sono tutti in genere ottimizzati per gli occhi paralleli. Fortunatamente, questo può essere prontamente compensato nel software con l'utilizzo di tecniche di ritrattazione da cui già dipendiamo per mantenere una frequenza di fotogrammi costante. Abbiamo solo bisogno di fare un po 'ogni fotogramma.... In questo modo, le app passate, presenti e future possono continuare a essere visualizzate in parallelo come sempre, e "funzioneranno" solo per i visori con angoli di inclinazione ridotti
3. Geometria delle lenti:
   Inoltre, abbiamo reso la superficie anteriore delle lenti molto più piatta. Ciò consente all'occhio di avvicinarsi comodamente alle lenti, in particolare per le persone che utilizzano gli occhiali. Anche se questo effetto è dell'ordine di pochi millimetri, abbiamo visto come ogni piccolo aiuto sia utile. In aggiunta, mentre è tecnicamente possibile avvicinarsi aumentando l'apertura chiara, c'è un ovvio limite pratico al diametro esterno della lente che sarà inserita nel visore e che comunque fornirà una gamma di distanze interpupillari sufficienti per fornire una buona esperienza al più alto numero possibile di utenti.

Oltre ai tre principali aspetti, ce ne sono altri nella progettazione del design del visore che hanno un impatto sul campo visivo che meritano di essere menzionati e che dovevamo prendere in considerazione durante la progettazione di Valve Index.

• Diametro delle lenti: abbiamo mantenuto un diametro di grandi dimensioni (50 millimetri) delle lenti, in modo che l'occhio possa mantenere una distanza confortevole e avere comunque un campo visivo esteso e geometricamente stabile. Questo è stato il nostro approccio perché le lenti di diametro ridotto riducono l'apertura dell'occhio alla luce effettiva e possono rapidamente diventare un fattore limitante per il campo visivo.
• Chiarezza da bordo a bordo: il nuovo design delle lenti di Valve Index consente una maggiore chiarezza su tutto il campo ottico. Altrimenti, se non è di qualità sufficientemente elevata, il campo visivo aggiuntivo potrebbe non essere così vantaggioso come vorremmo.
• Stabilità geometrica: con l'aumento del campo visivo, diventa sempre più difficile sistemare la distorsione e mantenere l'immagine geometricamente stabile. L'instabilità deriva da molti fattori, ma si manifesta come un ondeggiamento nel mondo VR, dove le cose che dovrebbero apparire solide invece ondeggiano come gelatina quando muovi la testa. Riteniamo che fornire stabilità geometrica sia un aspetto critico del comfort a lungo termine e della crescita sostenuta dell'uso della realtà virtuale.

Ci sono dozzine di considerazioni che hanno un impatto sul campo visivo e tutte devono essere progettate insieme al fine di massimizzare il campo visivo effettivo per la distribuzione a tutti gli utenti.

In conclusione:

• Il visore Valve Index massimizza il campo visivo consentendo alle lenti di posizionarsi molto più vicino ai tuoi occhi, anche in presenza di una spugna della guarnizione facciale ingombrante.
• Il campo visivo visualizzato dalla GPU per Valve Index è simile a quello di Vive o Vive Pro, ma un campo visivo più ampio viene fornito alla maggior parte degli utenti.
• L'attenta progettazione di Valve Index offre un campo visivo più efficace al singolo utente senza sacrificare i pixel per grado.
• L'inclinazione degli occhi magici spostano efficacemente una piccola quantità di campo visivo orizzontale dall'interno verso l'esterno, rendendoli più equilibrati.
• È davvero difficile usare un singolo numero per descrivere efficacemente il campo visivo di un visore.

*con pupilla ci si riferisce al sistema in posizione fissa mentre tiene conto di eventuali rifrazioni o riflessi che possono verificarsi nel sistema. Può includere la posizione fissa, la pupilla d'ingresso o la pupilla d'uscita del sistema.