視野（FOV）

Index HMDの製作に着手した時の主要な目標の1つは、視覚、音声、人間工学、トラッキング品質などを含むVR体験の全体的な忠実性の向上でした。広い視野を提供することは視覚的な忠実性の向上にとって明らかに重要な部分です。それにより、没入感を深め、HMD装着の快適性を高める他、VR体験の種類によっては、ゲームプレイとインタラクション周辺の満足度を高めることになります。

本題に入る前に、FOVの品質に絡んだ視覚的忠実度のいくつかの側面に言及しておく必要があります。

角度ピクセル分解能。ピクセル／度（ppd）で測定される角度分解能は、仮想世界の鮮明さと写実性の主要な要素です。HMD設計においては、角度分解能はディスプレイの解像度とFOVによって決まります。残念ながら、大きなFOVを提供すると、利用可能なピクセルが広い表示領域に広がるため、角度分解能が直接低下します。優れたVRにとって視覚的鮮明さとFOVは共に重要であるため、これは明らかにHMDデザインにおける重要なトレードオフです。完璧な視覚的明瞭さを説明するには、角度あたりのピクセル以外にも、サブピクセルレイアウト、フィルファクター、光学、さらには人間工学といった多くの要素を含みます。これは大きなテーマですので、別の機会に譲ります。

ディスプレイのリフレッシュレートとディスプレイの点灯時間（「持続性」）。デスクトップPCでは、高いリフレッシュレートの利点はよく理解されています。しかし、ディスプレイが頭に取り付けられているVRでは、頻繁な更新と持続性の低さが、残像減少の鍵となります。解像度を上げることと同様に、モーションブラーを減らすことによって、システムの知覚されるシャープネスが向上します。しかしそれだけではなく、仮想オブジェクトの物理的な永続性の感覚の向上や、仮想環境の全体的な安定性の向上といった、角度あたりのピクセル数を増やすだけではできないいくつかのことも提供されます。人間の視覚の生理機能により、FOVの拡大に合わせて、こうした品質の重要性が増します。

これらの2つについては、今後の投稿でさらに詳しく解説する予定ですが、FOVに関して議論するならば、これらに言及することは不可欠です。

VRのFOVとは？

光学の分野には、FOVに関して確立された用語と規則があります。全く別物であるVRは、多くの点で型にはまらない要件があるため、少し異なる方法で用語を使用する傾向があります。非VR光学システムの場合、瞳孔*の位置は固定されており、パネルまたはセンサーのサイズは、定められたレンズのFOVリミッターを定義します。この場合、FOVは水平、垂直、対角という用語で簡単に説明できます。これらの値は、光学システムの瞳孔を通してセンサーまたはパネルの端から測定されます。しかし、VR光学システムでの瞳孔とは、人間の瞳孔の位置（アイレリーフとIPDの位置を含む）、HMDレンズの口径（人間工学的な理由から通常円形ではない）、レンズの焦点距離、ディスプレイのサイズ、両眼の位置関係の組み合わせです。したがって、VRの光学FOVの測定はさらに複雑になります。（アイレリーフという用語は、レンズの前面と眼の最も近い点(通常は角膜の前面)との間の距離を指すために使用します。）

すべてのHMDには、ユーザーとは関係なく、設計によって決定される片目あたりのFOVの可能最大値があり、よく話題にもなり、測定もされていますが、VR製品の設計の観点から私たちが最も重要視しているのは、個々のユーザーが実際に見るものです。Indexの設計を開始した時にHMDの設計を調査したところ、ヘッドセットのフィット具合と個々の顔の形状によって、ユーザーが得られるFOVが、理論上の最大FOVよりも少ない（時に大幅に少ない）ことが一般的であるとわかりました。例えば、基本的な三角法によると、レンズの直径に対してレンズから目が離れすぎている場合、レンズ全体が非常に広い角度をカバーせず、大きなFOVを見ることができません。レンズだけに限定した状況では、90度を超えるFOVの提供が目的のIndexのようなHMD設計では、アイレリーフの過剰が1mmがあるだけで、FOVは約3度減少します。

Index HMDを装着時に、アイレリーフノブを前後に回し、一見わずかな移動によって生じるFOVへの大きな影響を観察することで、アイレリーフに対するFOVの感度の高さを直接確認できます。個々人の顔の形状の違いによって、アイレリーフの距離が+/- 6mm程度変動することは十分あり得ます。

レンズに対する目の位置に影響する他の要因を考えると、状況のジオメトリを理解することはさらに複雑になります。目がまっすぐ前を向いた状態から横に逸れて、瞳孔がレンズから遠ざかり、一方の端に近づくとどうなるかを考えてみてください。同様に、ヘッドセットのハードウェアIPDが正しく調整されていない場合にも、FOVが制限される可能性があります。よくある例として、ハードウェアIPDが小さすぎる場合に、FOVが外側向けに制限されることです。

フィット具合も重要です。ヘッドセットを少しきつくしたり、緩めたり、中心から少しずらしたりして調整するかもしれません。これらはすべてFOVから差し引かれます。これをさらに複雑にするのが処方眼鏡で、効果的なアイレリーフ値を光学的に変化させる傾向があります。物理的な不確実性を超えたところでは、ソフトウェア側に、投影マトリックスのオフセット錐台や、マスクされたレンダリングターゲットの円形ではない形状といった複雑な問題があります。これらはFOVを非対称にすることで影響します。また、迷光と色のフリンジを制御するソフトウェアであるコンポジターパネルマスキングは、動的で再投影システムに依存／応答します。これらは、現代のHMDのFOVはフレーム間で完全に静的ではないことを意味します。

そして、上記のすべてが考慮しているのは、まだ片目の視野だけです。両眼のFOVを考慮すると、さらに複雑なレイヤーが追加されます。ステレオオーバーラップが導入され、個々の主観的な知覚の領域へとさらに押し進められます。

上記のすべての問題を個別に取り扱う場合、その効果は1ミリまたは2ミリ程度かもしれませんが、まとめて取り扱うと、（A）ユーザーにFOVを提供するために、ヘッドセットの設計に著しいマージンおよび／または調整が必要になり、（B）個々のユーザーが実際に取得するFOVを予測する単一の客観的かつ定量的な測定を行うことは困難（ほぼ不可能）です。それゆえ、一つの数字を使ってFOVについて語ることを躊躇しています。それは私たちが求めている明快な基準とは程遠いものだからです。では、最初のことについて詳しく説明しましょう。

FOVの設計

アイレリーフが「近い」ユーザー（およびメガネをかけているユーザー）がヘッドセットを使用できるようにするには、アイレリーフの調整機能や快適性への配慮がないヘッドセットは、アイレリーフ距離が外側に大きく偏った設計にする必要があります。そこで残されるのは、2つの好ましいとは言えない設計オプションです。すべての人にとって最大FOVが非常に低くなる設計か、最大値は適度に高いが、多くのユーザーにとって不完全なFOVと無駄な角度解像度を提供するような設計です。

Index HMDでは、理論上の最大FOVを前世代のヘッドセットの最上位にかなり近く保ちつつ、すべてのユーザーに完全なFOVを提供することに焦点を合わせました。これは、効果的なFOVと快適性に大きな違いをもたらすいくつかの設計要素を組み合わせることで実現しました。

アイレリーフ：
何よりもまず、物理的なアイレリーフとIPDの調整機能を実装したことで、可能な限り多くのユーザーにとっての最適な目の位置と、それによって生じる最大限の快適さとFOVが提供されます。調整が簡単であることに加え、Indexアイレリーフメカニズムにより、前世代のヘッドセットに比べてディスプレイアセンブリを目に近づけることができます。これは、GPUでレンダリングされたさらに多くの完全な画像が、ほとんどのユーザーの目に届くことを意味します。また、Valve Index HMDの物理的設計は、動作する光学サブシステムを設定するだけでなく、内部で動作する必要があるトレードオフスペースを制限するのに役立ちます。
傾斜したアイチューブ：
次に、各レンズ／ディスプレイアセンブリを5度傾けて、内側と外側のFOVを最適化し、利用可能な内部IPD範囲を改善しました。傾斜させるというアプローチの最初の利点は単純です：ステレオオーバーラップが作用する各目の内側を犠牲にして、FOVを外側に数度だけ動かすのです。もちろん、ステレオオーバーラップは依然として非常に重要です。さらに高い全体的な両眼FOVを提供するための努力を続ける一方で、この傾斜はシステムの角度分解能を高く維持する方法を提供してくれます。

傾斜の主な欠点は、既存のソフトウェアコンテンツライブラリとGPUレンダリングハードウェアの領域の両方が、通常はすべてパラレルアイズ用に最適化されていることです。幸いなことに、これは、一定のフレームレートを維持するためにすでに依存している再投影技術を使用したソフトウェアで簡単に補正できます。フレームごとにほんの少しずつ行うことで、過去、現在、未来のアプリは、これまでと同じように並行してレンダリングを続けることができ、傾斜角が緩やかなHMDでは「普通に機能」します。
レンズの形状：
第三に、レンズの前面をより平坦にしました。これにより、特に眼鏡等を使用している人は、目をレンズに近付けやすくなりました。この効果はほんの数ミリ程度ですが、大切なのはこうした細部の積み重ねです。また、有効径を大きくすることで他の方向からこれにアプローチすることは技術的には可能ですが、HMDに適合しつつ、幅広いユーザーに快適な体験を提供するのに十分なIPD範囲を提供できるレンズの外径には明らかな実用上の制限があります。

HMDの設計に関しては、以上の主要な3つ以外にもFOVに影響を与えるいくつかの言及に値する側面があり、Indexを設計する際にはそれらも考慮する必要がありました。

レンズの直径：目が快適な距離を維持しつつ、幾何学的に安定した高いFOVを得られるように、50ミリメートルの大きなレンズ直径を維持しました。これは、直径の小さいレンズは目に有効な光の開口部を縮小し、FOVの制限要因になる可能性があるためです。
隅々まで明瞭：Index用の新しいレンズ設計により、光学フィールド全体でより均一な明瞭さが得られます。それが十分に高い品質ではない場合、追加のFOVは私たちが望んでいるほど有益ではないかもしれません。
幾何学的安定性：FOVが増加すると、歪みに対応し、画像を幾何学的に安定させることが難しくなります。不安定性は多くの要因から発生しますが、世界のぐらつきとして最もはっきりと現れます。硬く見えるべき物が、頭を動かすとゼラチンのようにうねる状態です。幾何学的な安定性を提供することは、長期的な快適さとVR使用の持続的な成長にとって非常に重要な側面であると考えています。

FOVに影響を与える考慮事項は多数あり、ユーザーベース全体に実際に届けられるFOVを最大化するには、それらすべてをまとめて設計する必要があります。

結論：

Index HMDは、レンズを目に大幅に近づけることで、ガスケットを完全に使用しても、FOVを最大化します。
Index用にGPUでレンダリングされるFOVは、ViveまたはVive ProのFOVと似ていますが、そのビューの多くは、ほとんどのユーザーに届きます。
Indexの細心の設計により、1度あたりのピクセル数を犠牲にすることなく、より効果的なFOVを個々のユーザーに提供します。
傾斜したアイチューブが、内側から外側に少量の水平FOVを効果的にシフトし、バランスを改善します。
HMDのFOVを効果的に説明するために単一の数値を使用するのは非常に困難です。

*瞳孔は、システムで発生する可能性のある屈折または反射を考慮した、システムの絞りを指します。システムの絞り、入射瞳、または射出瞳が含まれることがあります。

Valve Index

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