Gezichtsveld (FOV)

Toen we begonnen aan de ontwikkeling van de Index-headset was een van onze hoofddoelen om de algemene natuurgetrouwheid van de VR-ervaring te verbeteren, zowel wat betreft de beeldkwaliteit, als het geluid, de ergonomie, de kwaliteit van het volgsysteem en meer. Het is duidelijk dat een breed gezichtsveld (FOV, of ‘Field of View’) een essentiële rol speelt in de graad van natuurgetrouwheid van de visuele ervaring: het verdiept de onderdompeling, maakt het dragen van een headset comfortabeler, en afhankelijk van de spelervaring kan het de gameplay en interactiviteit verrijken.

Voor we er dieper induiken, is het waarschijnlijk een goed idee om een aantal aspecten van de beeldkwaliteit te bespreken die vervlochten zijn met het gezichtsveld.

Hoekpixelscherpte. Hoekscherpte wordt gemeten in pixels per graad (ppd, of ‘pixels per degree’) en vormt een belangrijke factor voor de scherpheid en het realisme van je virtuele wereld. Bij het ontwerp van headsets wordt de hoekscherpte bepaald door de schermresolutie en het gezichtsveld. Jammer genoeg zorgt een groter gezichtsveld rechtstreeks voor een vermindering van de hoekscherpte, aangezien de beschikbare pixels over een groter weergaveoppervlak verspreid liggen. Dit is natuurlijk een cruciale overweging bij het ontwerpen van een headset, want zowel de beeldscherpte als het gezichtsveld zijn van belang voor een fenomenale ervaring van virtuele realiteit. Om jullie het complete verhaal over beeldscherpte te brengen, moeten we het ook hebben over een heleboel andere factoren dan alleen pixels per graad, zoals de subpixellay-out, de opvulfactor, optica en zelfs ergonomie. Dus dat is een groot onderwerp voor een andere dag.

De vernieuwingsfrequentie en verlichtingsduur (‘nawerking’) van het beeldscherm. Een aantal van de voordelen van een hoge vernieuwingsfrequentie zijn welbekend in de wereld van desktopcomputers. Maar in VR, waar het beeldscherm vastzit aan je hoofd, zijn een hoge vernieuwingsfrequentie en weinig nawerking allebei essentieel om vervaging veroorzaakt door beweging te verminderen. Net als een hogere beeldscherpte zorgt ook verminderde vervaging bij beweging voor een grotere waargenomen scherpte in het systeem. Maar het helpt ook met een aantal dingen die je met meer pixels per graad alleen niet kunt oplossen: het verbetert de ervaring van de fysieke permanentie van virtuele objecten en zorgt tegelijkertijd ook voor een grotere stabiliteit van de virtuele omgeving. Door de fysiologie van de menselijke waarneming groeien deze factoren in belang naarmate het gezichtsveld toeneemt.

Deze twee factoren zullen we in toekomstige berichten in meer detail onder de loep nemen, maar geen discussie over het gezichtsveld zou volledig zijn zonder ze te vermelden.

Wat bedoelen we met het gezichtsveld bij VR?

In de optica is er een ingeburgerde reeks termen en conventies voor het gezichtsveld. Virtuele realiteit is echter een heel ander beestje en heeft in veel opzichten ongebruikelijke vereisten. We gebruiken deze term dus net iets anders. Bij optische systemen buiten VR zijn pupillocaties* gefixeerd en vormen de grootte van panelen of van sensoren de belangrijkste limiterende factor voor een bepaalde lens. De metingen gebeuren vanaf de randen van de sensor of het paneel door de pupil van het optische systeem. In optische systemen voor VR, echter, vormt de pupil een combinatie van de locatie van de pupil van een persoon (inclusief oog-lensafstand en pupilafstand), de apertuur van de lens van de headset (meestal niet cirkelvormig uit ergonomische overwegingen), de brandpuntsafstand van de lens, de schermgrootte en de binoculaire relatie van de twee ogen. Het wordt dus een stuk ingewikkelder om het optische gezichtsveld te meten voor VR. (We gebruiken de term oog-lensafstand om de afstand aan te duiden tussen de voorkant van de lens en het dichtstbijzijnde punt van je oog, meestal de voorkant van je hoornvlies.)

Elke headset heeft een maximaal eenogig gezichtsveld dat bepaald is door het ontwerp, onafhankelijk van de gebruiker. Dit is waar men het meestal over heeft, wat men meestal probeert te meten, etc. Vanuit het oogpunt van VR-productontwerp zijn we echter voornamelijk geïnteresseerd in wat elke individuele gebruiker effectief ziet. Na bestaande headsetontwerpen te hebben bestudeerd bij aanvang van het ontwerpproces voor de Index, waren we tot de conclusie gekomen dat gebruikers over het algemeen minder (en zelfs veel minder) gezichtsveld kregen dan het theoretische maximum, vanwege de pasvorm van de headset en hun individuele gezichtsbouw. Simpele driehoeksmeting maakt bijvoorbeeld al snel duidelijk dat als je oog te ver naar achteren is geplaatst ten opzichte van de lens voor de diameter van die lens, de hele lens maar een kleine hoek zal beslaan en je dus onmogelijk een groot gezichtsveld te zien zult krijgen. In zo’n situatie, waar de lens bepaalde begrenzingen oplegt, kan zelfs een enkele millimeter extra oog-lensafstand bij headsetontwerpen zoals dat van de Index, die gaan voor meer dan 90 graden aan gezichtsveld, je gezichtsveld verminderen met wel 3 graden.

Wanneer je de Index-headset draagt, kun je rechtstreeks ervaren hoe sterk de oog-lensafstand het gezichtsveld beïnvloedt. Draai de knop om de oog-lensafstand aan te passen helemaal naar voren en naar achteren, en je ziet onmiddellijk het grote effect van zelfs erg kleine aanpassingen op het gezichtsveld. Verschillen in gezichtsbouw kunnen van persoon tot persoon makkelijk leiden tot variaties in de oog-lensafstand van +/- 6 mm.

Het wordt nog ingewikkelder om de geometrie van de situatie te begrijpen als je ook andere factoren in overweging neemt die de positie van je oog ten opzichte van de lens kunnen beïnvloeden. Denk bijvoorbeeld aan wat er gebeurt wanneer je eerst recht voor je uitkijkt en vervolgens je blik zijdelings richt, waardoor je pupil zich verder van de lens verwijdert en dichter naar de rand toe beweegt. Op dezelfde manier kan een foutief afgestelde pupilafstand bij je headset leiden tot een beperkt gezichtsveld. Een veelvoorkomend voorbeeld is dat, als de pupilafstand van de hardware te klein is ingesteld, het gezichtsveld naar de buitenranden toe wordt beperkt.

Hoe goed je headset past, is ook erg belangrijk. Je kunt hem eventueel wat strakker of losser hebben opstaan, of licht scheef. Al deze dingen beperken het gezichtsveld. Met een bril met gezichtscorrectie wordt de situatie nog complexer, omdat daardoor de eigenlijke oog-lensafstandswaarde optisch verandert. Naast de fysieke variabelen zijn er ook bijkomende complicaties aan de softwarekant. De offsetfrustums van de projectiematrix en de vorm van het gemaskerde rendertarget zullen bijvoorbeeld niet meer rond zijn, wat een invloed heeft omdat het gezichtsveld hierdoor asymmetrisch wordt. Ook compositorpaneelmaskers, software bedoeld om ongewilde lichtinval en kleurschifting onder controle te houden, zijn dynamisch en verweven met het systeem van herprojectie, waar ze dus ook op reageren. Dat betekent dat het gezichtsveld van moderne headsets zelfs niet volkomen statisch is van beeld tot beeld.

En al het bovenstaande geldt voor het gezichtsveld van slechts één oog. Wanneer we het gezichtsveld voor beide ogen in aanmerking nemen, wordt er nog een laagje complexiteit toegevoegd met de introductie van stereo-overlapping en de toenemende rol van individuele, subjectieve waarneming.

Alle bovenstaande factoren maken individueel niet meer dan een millimeter of twee verschil, maar samengenomen betekent dit dat 1) je een belangrijke marge en/of aanpassing in de headset moet inbouwen om de gebruiker het bedoelde gezichtsveld te kunnen bieden, en 2) dat het moeilijk (zoniet onmogelijk) is om een enkele, objectieve, kwantitatieve meting van het gezichtsveld te hebben die kan voorspellen wat een individuele gebruiker effectief te zien zal krijgen. Daarom aarzelen we om het gezichtsveld uit te drukken als een simpel getal – dat heeft immers nooit zelfs maar een fractie van de verheldering gebracht waarop we hadden gehoopt. Laten we het dus meer uitgebreid hebben over het eerste punt ...

Ontwerpen met oog voor het gezichtsveld

Om het voor gebruikers met een erg korte oog-lensafstand (en brildragers) mogelijk te maken om de headset überhaupt te kunnen gebruiken, moeten headsets zonder goede aanpassingsmogelijkheden voor oog-lensafstand en zorgvuldige aandacht voor draagcomfort worden ontworpen met een sterke afwijking naar buiten toe. Dat leidt op zich tot twee weinig aantrekkelijke ontwerpkeuzes: ofwel maak je het maximale gezichtsveld vrij beperkt voor iedereen, ofwel maak je het redelijk groot en zadel je veel gebruikers op met een afgesneden gezichtsveld en verspilde hoekscherpte.

Voor de headset van de Index kozen we er integendeel voor om het theoretische maximale gezichtsveld vrij dicht bij dat van de betere headsets van de vorige generatie te houden en tegelijk iedere gebruiker het volledige gezichtsveld te bieden. Dat gebeurde door een aantal ontwerpelementen te combineren, die samengenomen een groot verschil maakten wat betreft effectief gezichtsveld en draagcomfort:

1. Oog-lensafstand:
   Eerst en vooral hebben we fysieke aanpassingsmogelijkheden ingebouwd om de pupil- en oog-lensafstand af te stellen, om zo het grootste aantal gebruikers een optimale nominale oogpositie en dus maximaal comfort en een zo groot mogelijk gezichtsveld te kunnen bieden. Het mechanisme van de Index om oog-lensafstand aan te passen is niet enkel makkelijker in gebruik, het maakt het ook mogelijk om de weergavemodule dichter bij het oog te plaatsen dan bij headsets van een vorige generatie mogelijk was. Dat betekent dat veel meer van het volledige, door de GPU gerenderde beeld de ogen van de meeste gebruikers bereikt. Het fysieke ontwerp van de Valve Index-headset zorgt er bovendien ook voor dat het optische subsysteem zo goed als mogelijk kan functioneren en helpt om de verloren ruimte waarin het moet werken te beperken.
2. Gekantelde oogbuizen:
   Ten tweede hebben we elke lens / weergavemodule met 5 graden gekanteld om de ratio van het binnenste versus het buitenste gezichtsveld te optimaliseren en ook de beschikbare interne afstelruimte voor pupilafstand te verbeteren. Het belangrijkste voordeel van de gekantelde aanpak is eenvoudig: het schuift een paar extra graden van het gezichtsveld naar de buitenranden van elk oog toe, ten nadele van de binnenkant van elk oog, waar er met stereo-overlapping rekening moet worden gehouden. Stereo-overlapping is natuurlijk nog altijd van vitaal belang. Kantelen zorgt alleen voor een manier om de hoekscherpte van het systeem hoog te houden, maar tegelijkertijd ook het grotere binoculaire gezichtsveld te kunnen bieden dat we voor ogen hadden.
   
   Het belangrijkste nadeel van kantelen is dat zowel de bestaande bibliotheek van software-inhoud als bestaande GPU-renderinghardware over het algemeen standaard geoptimaliseerd is voor parallel geplaatste ogen. Gelukkig kunnen we dit in software vrij gemakkelijk compenseren met de herprojectietechnieken waarop we al vertrouwden om een constante beeldfrequentie aan te houden. Voor elk beeld is er slechts een minieme aanpassing nodig… Op die manier kunnen apps uit het verleden, het heden en de toekomst parallel blijven renderen zoals ze dat altijd al deden, en tegelijkertijd zullen ze ook ‘gewoon werken’ voor headsets met een milde graad van kanteling.
3. Lensgeometrie:
   Ten derde is het oppervlak aan de voorkant van de lens veel vlakker gemaakt. Hierdoor kan het oog op een comfortabele manier dichter bij de lens worden gebracht, meer bepaald voor mensen met een bril. Hoewel het bij dit effect slechts gaat om een orde van enkele millimeters, zagen we eerder al dat elk klein beetje helpt. Hoewel het technisch gesproken mogelijk is om dit van de andere kant te benaderen door de apertuur aan te passen, stuit dat op duidelijke praktische beperkingen: een lens kan maar een bepaalde maximale buitendiameter hebben om in de headset te passen en nog steeds genoeg variatie in pupilafstand te leveren om een brede groep gebruikers een goede ervaring te kunnen bieden.

Naast deze drie belangrijkste aspecten, zijn er nog een aantal andere vernoemenswaardige facetten van het ontwerp van headsets die een invloed hebben op het gezichtsveld en waar we dus rekening mee moesten houden bij het ontwikkelen van de Index.

• Lensdiameter: we behielden een grote lensdiameter van 50 mm, zodat het oog op een comfortabele afstand blijft en er tegelijk ook een groot, geometrisch stabiel gezichtsveld wordt gegarandeerd. We kozen voor deze aanpak omdat lenzen met een kleinere diameter de effectieve lichtapertuur naar het oog toe reduceren en snel leiden tot een beperking van het gezichtsveld.
• Helderheid van rand tot rand: het nieuwe lensontwerp van de Index zorgt voor meer helderheid over het gehele optische veld. Immers, als de kwaliteit niet voldoende hoog is, levert meer gezichtsveld niet zoveel voordelen op als gehoopt.
• Geometrische stabiliteit: naarmate het gezichtsveld vergroot, wordt het steeds moeilijker om voor vertekeningen te compenseren en het beeld geometrisch stabiel te houden. Instabiliteit kan door veel verschillende factoren worden veroorzaakt, maar is het duidelijkst zichtbaar als een soort wiebel in de wereld, waarbij dingen die solide zouden moeten zijn, wiegelen als gelatine als je je hoofd beweegt. Geometrische stabiliteit garanderen is volgens ons een cruciaal aspect voor comfort op lange termijn en voor een doorgezette groei in VR-gebruik.

Er zijn dus tientallen overwegingen die het gezichtsveld kunnen beïnvloeden. Daarom is het belangrijk dat ze allemaal samengenomen worden ontworpen, zodat het werkelijke, geleverde gezichtsveld voor alle gebruikers kan worden gemaximaliseerd.

Conclusies

• De Index-headset maximaliseert het gezichtsveld (FOV) door de lenzen veel dichter bij je ogen te plaatsen, zelfs met volledige schuimrubberen pakking.
• Het gezichtsveld dat door de GPU wordt gerenderd voor de Index is gelijkaardig aan dat van een Vive of een Vive Pro, maar meer van dat veld is beschikbaar voor de meeste gebruikers.
• Het zorgvuldige ontwerp van de Index levert de individuele gebruiker een groter effectief gezichtsveld zonder daarvoor pixels per graad te moeten opofferen.
• De gekantelde oogbuizen verplaatsen effectief een klein deel van het horizontale gezichtsveld van de binnen- naar de buitenrand, waardoor ze beter gebalanceerd zijn.
• Het is erg moeilijk om het gezichtsveld van een headset accuraat te beschrijven met een enkel cijfer.

*Pupil verwijst naar het eindpunt van het systeem, rekening houdend met eventuele lichtbreking en -weerkaatsing in het systeem. Dit kan het eindpunt, de ingangspupil of de uitgangspupil van het systeem omvatten.