Pole widzenia (FOV)

Kiedy rozpoczęliśmy prace nad tworzeniem gogli Valve Index, jednym z naszych głównych celów było poprawienie ogólnej jakości doświadczeń, jakie płyną z VR, w tym obrazu, dźwięku, ergonomii, jakości śledzenia i innych. Było dla nas jasne, że zapewnienie szerokiego pola widzenia jest kluczowym elementem jakości wizualnej: zwiększa immersję, czyni noszenie gogli wygodniejszym i, w zależności od aplikacji, może zwiększyć satysfakcję płynącą z rozgrywki oraz interakcji.

Zanim wskoczymy na głęboką wodę, przypomnimy kilka aspektów jakości wizualnej, które przeplatają się z polem widzenia.

Rozdzielczość kątowa pikseli, która jest mierzona w pikselach na stopień (ppd). To ważny czynnik mający wpływ na ostrość i realizm twojego wirtualnego świata. Z perspektywy projektu samych gogli rozdzielczość kątowa jest tworzona na podstawie rozdzielczości ekranu i pola widzenia. Niestety zapewnienie dużego pola widzenia bezpośrednio zmniejsza rozdzielczość kątową, gdyż dostępne piksele są rozciągane na dużym obszarze widzenia. Jest to oczywiście nieuchronny i znaczący kompromis designu gogli, gdyż zarówno klarowność wizualna, jak i pole widzenia są ważne dla lepszego odbioru VR. Na całokształt jakości wizualnej składają się inne czynniki poza pikselami na stopień takie jak układ subpikseli, współczynnik wypełnienia, optyka, a nawet ergonomia. Jest to zatem temat, który warto omówić kiedy indziej.

Częstotliwość odświeżania ekranu i okresy iluminacji. Niektóre korzyści płynące z wyższej częstotliwości odświeżania są dobrze rozumiane w kontekście zwykłych komputerów. Ale w VR, gdzie wyświetlacz jest przyczepiony do twojej głowy, częste odświeżanie i krótkie okresy iluminacji są równocześnie kluczem do zmniejszenia efektu rozmycia ruchu. Podobnie jak w przypadku zwiększania rozdzielczości, zmniejszenie rozmycia ruchu pomaga polepszyć odbiór ostrości układu. Ale dzięki temu otrzymujemy też kilka innych rzeczy, których samo zwiększenie liczby pikseli na stopień nam nie da: poprawia poczucie fizycznej trwałości wirtualnych obiektów i równocześnie zwiększa ogólną stabilność wirtualnego środowiska. Ze względu na fizjologię ludzkiego wzroku znaczenie tych czynników rośnie wraz ze zwiększeniem pola widzenia.

Planujemy omówić te dwa tematy bardziej szczegółowo w przyszłych postach, ale żadna dyskusja o polu widzenia nie byłaby kompletna bez wspomnienia o nich.

Czym jest pole widzenia w VR?

Dziedzina optyki posiada wiele ustanowionych wcześniej pojęć i konwencji dotyczących pola widzenia. VR to inna para kaloszy i ma wiele niekonwencjonalnych wymagań, więc staramy się korzystać z tego pojęcia trochę inaczej. Dla układów optycznych niebędących VR umiejscowienie źrenic* jest stałe i rozmiary paneli lub sensorów są determinującym ogranicznikiem pola widzenia dla danych soczewek. W tym przypadku można łatwo opisać pole widzenia pionowo, poziomo i po przekątnej. Te wartości pochodzą ze skrajów sensora lub panelu, przechodząc przez źrenicę układu optycznego. Natomiast w układach optycznych VR źrenica jest połączeniem umiejscowienia źrenicy człowieka (do której wlicza się odległość między źrenicami oraz odległość soczewki od oka), apertury soczewki gogli (zazwyczaj nie jest okrągła ze względów ergonomicznych), ogniskowej soczewki, rozmiaru wyświetlacza oraz obuoczny związek między obojgiem oczu. Z tego też powodu mierzenie optycznego pola widzenia w przypadku VR jest o wiele bardziej skomplikowane. Dlatego mierzenie optycznego pola widzenia w VR staje się o wiele bardziej skomplikowane. W naszym przypadku odległość soczewki od źrenicy określamy jako dystans pomiędzy przodem soczewki a najbliższym punktem oka, czyli zazwyczaj przodem rogówki.

Maksymalne możliwe pole widzenia jednego oka dla każdych gogli wynika ze stojącego za nimi zamysłu i jest niezależne od użytkownika. Właśnie o tym ludzie najczęściej mówią, próbują to zmierzyć itp. Ale z punktu widzenia projektowania produktu VR najbardziej interesuje nas, co właściwie widzi każdy indywidualny użytkownik. Gdy zaczęliśmy pracować nad goglami Valve Index, sprawdziliśmy projekty innych gogli i zaobserwowaliśmy, że często użytkownicy uzyskiwali mniejsze (nawet dużo mniejsze) pole widzenia niż teoretyczne maksimum z powodu ich indywidualnej geometrii twarzy oraz dopasowania gogli. Przykładowo za pomocą prostej trygonometrii można zobaczyć, że jeżeli twoje oko jest zbyt oddalone od soczewki w stosunku do średnicy soczewki, to cała soczewka nie pokryje zbyt szerokiego kąta i użytkownik nie będzie mieć szerokiego pola widzenia. W takiej sytuacji w przypadku gogli takich jak Valve Index, które chcą zapewnić pole widzenia większe niż 90 stopni, nawet jeden milimetr nadmiarowej odległości soczewki od źrenicy zmniejsza twoje pole widzenia o około 3 stopnie.

Mając na głowie gogle Valve Index, możesz bezpośrednio zobaczyć poprzez przekręcenie bocznego pokrętła, że nawet pozornie mała zmiana odległości soczewki od oka znacząco wpływa na pole widzenia. Różnice w geometrii twarzy użytkowników mogą z łatwością sprawić, że odległość soczewki od oka może się różnić nawet o +/- 6 mm.

Zrozumienie geometrii w tym przypadku robi się jeszcze trudniejsze, gdy weźmie się pod uwagę inne czynniki wpływające na pozycję twojego oka w stosunku do soczewki. Zastanów się, co się dzieje, gdy twoje oko patrzy na wprost, a następnie zaczyna się obracać, oddalając źrenicę od soczewki w kierunku jednego z jej brzegów. Podobnie ma się sprawa, gdy odległość między źrenicami w goglach nie jest odpowiednio dostosowana – to również może ograniczyć pole widzenia. Jednym z częstych przykładów jest sytuacja, w której jeżeli odległość między źrenicami jest za mała, to pole widzenia jest ograniczone do zewnątrz.

Dopasowanie gogli również ma znaczenie. Możesz je trochę bardziej ścisnąć lub poluzować a nawet umiejscowić w pewnej odległości od ich środka. Wszystko to zmniejsza pole widzenia. Sprawę komplikują jeszcze bardziej okulary, które często zmieniają optycznie efektywną odległość soczewki od oka. Poza niepewnościami fizycznymi istnieją inne komplikacje po stronie programistycznej, takie jak odchylenia brył macierzy rzutowania i nieokrągły kształt maskowanego celu renderowania. Te czynniki wpływają na pole widzenia poprzez sprawianie, że staje się ono niesymetryczne. Do tego dochodzi maskowanie panelu kompozytora, które jest programem służącym do kontrolowania światła rozproszonego i obwódki aberracji chromatycznej, który jest dynamiczny i zależny od systemu reprojekcji... co oznacza, że pole widzenia każdych współczesnych gogli wirtualnej rzeczywistości nie jest nawet całkowicie statyczne między klatkami.

Wszystko to, co opisaliśmy powyżej, to wciąż branie pod uwagę pola widzenia tylko dla jednego oka. Binokularne pole widzenia dokłada kolejną warstwę złożoności, wprowadza nakładanie obrazów z obu oczu i popycha ten problem dalej w sferę subiektywnej percepcji użytkownika.

Jeżeli wszystkie powyższe przypadki rozpatrzymy osobno, to efekt będzie się różnił o milimetr lub dwa, ale wzięcie pod uwagę ich wszystkich oznacza, że A) w projekcie gogli trzeba zawrzeć mechanizm umożliwiający dostosowanie niektórych wartości, by zapewnić pole widzenia użytkownikowi, i B) bardzo trudne (w zasadzie niemożliwe) jest stworzenie jednej, obiektywnej, ilościowej miary pola widzenia, która przewidzi, co pojedynczy użytkownik właściwie zobaczy. Dlatego z niechęcią mówimy o polu widzenia jako jednej liczbie, gdyż naszym zdaniem nie opisywałaby tego na tyle jasno, na ile byśmy to chcieli. Skupmy się na tym pierwszym aspekcie...

Projektowanie pod kątem pola widzenia

Aby użytkownicy z niewielką odległością soczewki od oka (oraz okularami) mogli w ogóle korzystać z gogli, to gogle bez dobrej możliwości dostosowania odległości soczewki od oka oraz uwagi poświęconej komfortowi muszą zostać zaprojektowane tak, by ta odległość była skierowana do zewnątrz. To z kolei pozostawia nas z dwiema nieprzyjemnymi opcjami w projekcie: albo tworzymy taki design, by maksymalne pole widzenia było niskie dla wszystkich, albo maksimum jest dosyć wysokie, ale przez to pole widzenia dla wielu użytkowników zostaje przycięte i rozdzielczość kątowa jest marnowana.

W przypadku gogli Valve Index zrobiliśmy tak, że teoretyczne maksymalne pole widzenia jest w miarę bliskie temu z poprzedniej generacji gogli z wyższej półki, a następnie skupiliśmy się na zapewnieniu pełnego pola widzenia dla każdego użytkownika. Było to możliwe za pomocą kilku elementów, które połączone ze sobą tworzyły znaczącą różnicę w kwestii efektywnego pola widzenia i komfortu:

1. Odległość soczewki od oka:
   Po pierwsze (i najważniejsze), wdrożyliśmy możliwość fizycznego dostosowania odległości soczewki od oka oraz odległości między źrenicami, by zapewnić optymalną nominalną pozycję oczu, maksymalizując komfort i pole widzenia dla tak wielu użytkowników jak to tylko możliwe. Poza faktem, że te dwa aspekty łatwiej dostosować, mechanizm dostosowywania odległości soczewki od oka w Valve Index pozwala wyświetlaczom znajdować się bliżej oczu w porównaniu do gogli poprzedniej generacji. Oznacza to, że większa część całego obrazu renderowanego przez kartę graficzną trafia do oczu większości użytkowników. Fizyczna konstrukcja gogli Valve Index umożliwia podukładowi optycznemu działanie z maksymalną skutecznością oraz pomaga ograniczać kompromisową przestrzeń, w której musi operować.
2. Nachylone otwory na soczewki:
   Po drugie, nachyliliśmy obydwa wyświetlacze o 5 stopni, by zoptymalizować zewnętrzne i wewnętrzne pole widzenia, równocześnie poprawiając dostępny zakres odległości między źrenicami we wnętrzu. Pierwsza korzyść nachylonego designu jest prosta: pole widzenia jest poszerzone o kilka stopni do zewnątrz kosztem wewnętrznych stron każdego oka, gdzie rolę pełni stereoskopiczne nakładanie się obrazów. Samo nakładanie jest oczywiście również niezwykle ważne. Nachylenie po prostu pozwala nam na równoczesne utrzymanie wysokiej rozdzielczości kątowej układu oraz dążenie do jak najwyższego binokularnego pola widzenia, które mamy nadzieję użytkownikom zapewniać.
   
   Główną wadą nachylenia soczewek jest fakt, że zarówno istniejąca biblioteka zawartości, jak i dziedzina renderowania sprzętowego za pomocą GPU są zazwyczaj zoptymalizowane do równoległych oczu. Na szczęście można to kompensować za pomocą oprogramowania przy pomocy technik reprojekcji, od których już jesteśmy zależni celem otrzymania stałej liczby klatek na sekundę. Musimy tylko zmodyfikować nieco każdą klatkę. W ten sposób aplikacje stworzone w przeszłości, tworzone teraz i te, które zostaną stworzone w przyszłości, mogą wciąż renderować obraz równolegle tak jak miało to miejsce wcześniej i będzie to „działać z łatwością” dla gogli z soczewkami pod niewielkim kątem.
3. Geometria soczewki:
   Po trzecie, znacznie spłaszczyliśmy przednią powierzchnię soczewki. Pozwala to oku komfortowo znaleźć się bliżej soczewki, co ma szczególne znaczenie w przypadku ludzi z okularami. Mimo że jest to tylko kilka milimetrów, to zauważyliśmy wcześniej, że każda mała zmiana znacząco pomaga. Dodatkowo, mimo że z technicznego punktu widzenia jest możliwe podejście do tego problemu w inny sposób poprzez zwiększenie faktycznej apertury soczewki, to istnieje oczywisty, praktyczny limit jej zewnętrznej średnicy, która musi równocześnie mieścić się w goglach i zapewniać wystarczający zakres odległości między źrenicami, by zapewnić wielu użytkownikom przyjemność z korzystania gogli.

Poza tymi trzema aspektami istnieją jeszcze inne, które mają na tyle duży wpływ na pole widzenia, że musieliśmy wziąć je pod uwagę i warto o nich wspomnieć.

• Średnica soczewki: nasze soczewki mają dużą średnicę równą 50 milimetrom, by oko równocześnie znajdowało się w komfortowej odległości i wciąż uzyskiwało wysokie pole widzenia, które jest stabilne geometrycznie. Podeszliśmy do tego w ten sposób, ponieważ soczewki o mniejszej średnicy ograniczają efektywną średnicę otworu, przez który światło wpada do oka i dlatego mogą szybko stać się czynnikiem ograniczającym pole widzenia.
• Przejrzystość na całej powierzchni: nowy projekt soczewek dla Valve Index pozwala na większą przejrzystość na całej powierzchni optycznej. Jeżeli jakość nie będzie wystarczająco wysoka, dodatkowe pole widzenia może nie dawać takich korzyści, jakie byśmy chcieli.
• Stabilność geometryczna: wraz ze wzrostem pola widzenia coraz trudniej jest pogodzić zniekształcenie obrazu wraz z utrzymaniem jego geometrycznej stabilności. Niestabilność jest skutkiem wielu czynników, ale najbardziej przejawia się poprzez kołysanie świata – obiekty, które powinny być sztywne, zamiast tego trzęsą się jak z galarety, gdy użytkownik rusza głową. Wierzymy, że zapewnienie stabilności geometrycznej to krytyczny aspekt długotrwałego komfortu i wzrostu ciągłego korzystania z VR.

Widać zatem, że istnieje multum czynników, które wpływają na pole widzenia i wszystkie muszą być projektowane wspólnie, by zmaksymalizować faktyczne pole widzenia dla wszystkich użytkowników.

Podsumowując:

• Gogle Valve Index maksymalizują pole widzenia poprzez umieszczenie soczewek bliżej oczu nawet podczas korzystania z podkładki interfejsu (poduszki na twarz).
• Pole widzenia renderowane przez kartę graficzną dla gogli Valve Index jest podobne do tego w Vive lub Vive Pro, ale większość użytkowników otrzymuje więcej tego obrazu.
• Staranny design gogli Valve Index zapewnia większe efektywne pole widzenia dla indywidualnego użytkownika bez poświęcania pikseli na stopień.
• Nachylone otwory na soczewki efektywnie przesuwają niewielką ilość poziomego pola widzenia z wewnątrz do zewnątrz, balansując je.
• Naprawdę trudno jest używać jednej liczby do skutecznego opisywania pola widzenia gogli VR.

*źrenica odnosi się do przysłony w układzie, biorąc pod uwagę wszelkie refrakcje lub odbicia, które mogą w nim nastąpić. Może ona zawierać tę przysłonę, średnicę wejściową lub wyjściową układu.