Поле зрения

Когда мы приступили к созданию шлема Valve Index, одной из наших основных целей было улучшить общее качество виртуальной реальности, в том числе изображение, звук, эргономику, отслеживание и многое другое. Без сомнения, широкое поле зрения — одно из важнейших составляющих качества изображения: оно увеличивает погружение, благодаря ему становится удобнее носить шлем и, в зависимости от опыта пользователя, оно может увеличить удовлетворённость игрой и взаимодействием с ней.

Перед тем как перейти к подробностям, мы хотели бы упомянуть несколько аспектов качества изображения, которые тесно связаны с полем зрения.

Угловое пиксельное разрешение. Угловое разрешение, которое измеряется в пикселях на градус (ppd), — это основной фактор, влияющий на чёткость и реалистичность виртуального мира. В рамках разработки шлема угловое разрешение функционирует на основе разрешения экрана и поля зрения. К сожалению, при большом поле зрения уменьшается угловое разрешение, так как доступные пиксели рассредоточиваются по зоне просмотра. Безусловно, удержать этот баланс — одна из важнейших задач при разработке шлема, так как и чёткость изображения, и поле зрения являются неотъемлемыми частями качественной виртуальной реальности. Высокий уровень детализации изображения зависит не только от пикселей на градус, но и от множества других факторов: расположение подпикселей, степень заполнения, оптика и даже эргономика. Так что это большая тема, которая требует отдельного обсуждения.

Частота обновления дисплея и время подсветки дисплея («время отклика»). В индустрии настольных ПК хорошо известны некоторые преимущества высокой частоты обновления дисплея. Однако в рамках виртуальной реальности, когда дисплей находится у вас на голове, и частые обновления, и малое время отклика дисплея крайне важны для уменьшения размытости изображения движущегося объекта. Так же как и увеличение разрешения, уменьшение размытости изображения делает восприятие системы более чётким, а также обеспечивает некоторые свойства, которые сложно обеспечить, лишь повысив число пикселей на градус. Например, уменьшение размытости изображения улучшает ощущение физического постоянства виртуальных объектов и в то же время улучшает общую стабильность виртуальной среды. В связи с тем как работает человеческое зрение, важность всех этих качеств возрастает по мере того, как увеличивается поле зрения.

Мы планируем рассказать о двух вышеописанных категориях в бóльших подробностях в последующих статьях, однако обсуждение поля зрения было бы неполным без упоминания этих категорий.

Что такое поле зрения в виртуальной реальности?

В сфере оптики есть прочно устоявшийся набор терминов и общепринятых норм относительно поля зрения. Однако виртуальная реальность — это совсем другая история, и во многих случаях там есть нестандартные требования, поэтому мы зачастую можем использовать термины немного по-другому. Для оптических систем вне виртуальной реальности расположение зрачка* зафиксировано и размеры панели или датчика создают лимит поля зрения для определённой линзы. В таких случаях поле зрения легко описывается показателями горизонтали, вертикали и диагонали. Эти измерения берутся с границ датчика или панели через зрачок оптической системы. Однако в оптических системах виртуальной реальности зрачок — это комбинация расположения зрачков человека (что включает в себя расстояние между зрачками и до линз), диафрагмы линз шлема (обычно не круглой по эргономическим причинам), фокусного расстояния линз, размера экрана и бинокулярного соотношения между двумя глазами. Таким образом, измерение поля зрения в оптической системе виртуальной реальности становится гораздо более сложной задачей. (Мы используем термин «расстоянии до линз» по отношению к расстоянию между передней частью линзы и ближайшей точкой вашего глаза, обычно это передняя часть роговицы.)

У всех шлемов есть максимальное возможное поле зрения для одного глаза, которое обусловлено дизайном и не зависит от пользователя. Люди часто говорят про это, пытаются измерить этот критерий и т. д. Однако с точки зрения дизайна виртуальной реальности мы в первую очередь озабочены тем, что каждый пользователь видит, используя шлем. Собирая данные о разработке шлемов перед тем, как мы начали разрабатывать Valve Index, мы заметили, что довольно часто пользователи получали меньшее (гораздо меньшее) поле зрения, чем теоретически максимально возможно, из-за того, как шлем сидит, и из-за индивидуальных особенностей лица. Например, исходя из базовой тригонометрии, если ваш глаз находится слишком далеко от линзы по отношению к диаметру линзы, то линза не сможет покрыть широкий угол и у вас просто не получится увидеть большое поле зрения. Принимая во внимание ситуацию с ограничением по линзам, при дизайне шлемов (таких как Valve Index), которые стремятся предоставить поле зрение больше, чем 90 градусов, следует учитывать, что каждый лишний миллиметр расстояния до линз означает уменьшение поля зрения примерно на 3 градуса.

Надев шлем Valve Index, вы можете напрямую ощутить высокую чувствительность поля зрения к расстоянию до линз, приближая и отдаляя линзы от глаз с помощью регулятора оптики. При этом вы можете заметить, насколько мелкие изменения в расстоянии влияют на поле зрения. Из-за разницы в геометрии лица у различных людей расстояние до линз может колебаться в пределах 6 мм.

Понимание геометрии в этой ситуации может ещё больше усложниться, если принять во внимание другие факторы, которые влияют на расположение глаз относительно линз. Подумайте о том, что происходит, когда ваш глаз сначала смотрит прямо, а затем начинает двигаться вбок, отодвигая зрачок дальше от линзы и ближе к краю. Точно так же если расстояние между зрачками в устройстве не отрегулировано правильно, это может ограничить поле зрения. Например, если расстояние между зрачками в устройстве слишком маленькое, это ограничивает внешнее поле зрения.

То, как шлем сидит, тоже важно. Вы можете отрегулировать шлем так, чтоб он сидел плотнее или свободнее, чем нужно, или расположить его не совсем по центру. Во всех этих ситуациях поле зрения будет уменьшаться. Ещё больше трудностей может возникнуть, если вы пользуетесь очками или контактными линзами, так как они зачастую оптически меняют фактическое значение расстояния до линз. Помимо некоторых неопределённостей с физической точки зрения, существуют дополнительные сложности с точки зрения ПО. Например, смещённые усечённые фигуры проекционной матрицы и не округлая форма маскированного целевого объекта отрисовки. Из-за этих факторов поле зрения становится асимметричным. Кроме того, маскировка панели компоновщика (compositor panel masking) — программа, которая контролирует рассеянный свет и хроматическую аберрацию, — динамична и зависит от системы репроецирования… Это означает, что поле зрения в любом современном шлеме не полностью статично при переходе от одного кадра к другому.

При этом всё, о чём мы говорили выше, касается поля зрения лишь для одного глаза. Наличие поля зрения для двух глаз добавляет ещё один уровень сложности, так как приходится работать с бинокулярным наложением и ещё больше учитывать индивидуальное субъективное восприятие.

Во всех вышеописанных случаях эффект может зависеть от одного или двух миллиметров, однако в целом это означает, что: а) необходимо создать достаточное количество запаса в шлеме и/или возможность его регулировки, чтобы пользователь получил подходящее поле зрения; б) очень сложно (фактически невозможно) указать единые объективные количественные показатели поля зрения, по которым можно было бы определить, какой результат получит конкретный пользователь. Из-за этого мы неохотно говорим о поле зрения в единственном числе, потому что оно не помогает нам добиться той ясности, которой нам хотелось бы. Так что давайте углубимся в первую тему…

Проектирование для поля зрения

Чтобы пользователи с маленьким расстоянием от глаз до линз (и пользователи с очками) могли использовать шлем, шлемы без хорошей регулировки расстояния до линз и с невысокой степенью удобства должны быть сильно наклонены вперёд. Это в свою очередь ведёт к нежелательным дизайнерским решениям: либо придётся сделать максимальное поле зрения довольно маленьким для всех, либо сделать его достаточно большим, но для многих пользователей оно будет обрезано, и угловое разрешение не будет полностью использовано.

В шлеме Valve Index мы сохранили теоретически возможное максимальное поле зрения довольно большим (как в шлемах предыдущего поколения) и сфокусировались на том, чтобы предоставить полное поле зрения каждому пользователю. Мы достигли этого с помощью сочетания различных элементов дизайна, которые вкупе сильно повлияли на качество поля зрения и удобство использования шлема:

1. Расстояние до линз:
   Во-первых, мы внедрили возможность физически регулировать расстояние до линз и между зрачками, чтобы обеспечить оптимальное номинальное положение для глаз. Это увеличивает удобство использования шлема и качество поля зрения для максимально большого числа пользователей. Вдобавок к возможности удобной регулировки, механизм контроля расстояния до линз в шлеме Valve Index позволяет дисплею находиться ближе к глазам, по сравнению со шлемами предыдущего поколения. Это означает, что гораздо больше полных изображений, обработанных графическим процессором, будет доступно большинству пользователей. Физический дизайн шлема Valve Index обеспечивает самую оптимальную работу оптической подсистемы и помогает ограничить компромиссное пространство, в котором она может функционировать.
2. Повёрнутые трубы для глаз:
   Во-вторых, мы повернули каждую лизну/дисплей на 5 градусов, чтобы оптимизировать внутреннее и внешнее поле зрения, а также чтобы увеличить доступный диапазон внутреннего расстояния между зрачками. Первое преимущество от такого подхода просто: благодаря ему появляются несколько дополнительных градусов поля зрения с внешних сторон за счёт внутренних сторон поля зрения, где работает бинокулярное наложение для обоих глаз. Безусловно, бинокулярное наложение по-прежнему чрезвычайно важно. Поворот линз просто предоставляет возможность оставить угловое разрешение на высоком уровне и при этом обеспечить большее общее бинокулярное поле зрения.
   
   Основной недостаток поворота линз состоит в том, что и существующая библиотека программного обеспечения, и область аппаратной обработки графического процессора обычно оптимизированы для параллельных глаз. К счастью, это можно легко компенсировать с помощью программного обеспечения, используя техники репроекции, на которые мы уже полагаемся для поддержания частоты кадров на одном уровне. Нам просто нужно работать по чуть-чуть с каждым кадром… Таким образом, прошлое, настоящее и будущее приложения могут продолжать обрабатываться одновременно, как и всегда, и они будут «просто работать» для шлемов с небольшими углами поворота.
3. Геометрия линз:
   В-третьих, мы сделали переднюю поверхность линз гораздо более плоской. Это позволяет глазам без проблем приближаться к линзам, что особенно удобно для людей, носящих очки. Хотя этот эффект может зависеть всего от нескольких миллиметров, мы знаем, насколько сильно маленькие изменения могут влиять на качество. И хотя технически возможно подойти к этой проблеме с другой стороны — увеличив диафрагму объектива — существует очевидное ограничение внешнего диаметра линз, которые поместились бы в шлем и при этом предоставляли бы достаточный диапазон расстояния между зрачками, чтобы обеспечить удобство для различных пользователей.

Помимо основных трёх перечисленных аспектов дизайна шлема, есть и другие влияющие на поле зрения аспекты, о которых стоит упомянуть и которые нам приходилось учитывать при разработке шлема Valve Index.

• Диаметр линз: мы сохранили большой диаметр линз (50 миллиметров), чтобы дистанция была комфортна для глаз и при этом пользователи получали большое и геометрически стабильное поле зрения. Мы придерживались такого подхода, поскольку линзы с меньшим диаметром уменьшают фактическую диафрагму для глаза и могут стать ограничивающим фактором для поля зрения.
• Чёткость от края до края: новый дизайн линз для Valve Index обеспечивает большую чёткость во всём оптическом поле. Если его качество недостаточно высоко, то дополнительное поле зрения не даст особых преимуществ.
• Геометрическая стабильность: по мере увеличения поля зрения становится всё сложнее работать с искажениями и сохранять геометрическую стабильность изображения. Нестабильность может вызываться множеством факторов, однако ярче всего она выражается в колебаниях в мире, когда предметы, которые должны казаться твёрдыми, трясутся как желе, когда вы поворачиваете голову. Мы убеждены, что геометрическая стабильность — это один из ключевых аспектов долгосрочного удобства виртуальной реальности и устойчивого роста её популярности.

Таким образом, существует множество факторов, которые влияют на поле зрения, и все эти факторы нужно рассматривать в совокупности, чтобы максимально увеличить фактическое поле зрения для всех пользователей.

Выводы:

• Шлем Valve Index максимально увеличивает поле зрения благодаря тому, что линзы находятся ближе к вашим глазам, даже если вы используете лицевую подкладку.
• Поле зрения, обработанное графическим процессором для Valve Index, похоже на предлагаемое шлемами Vive или Vive Pro, однако в Valve Index бóльшая часть поля зрения доступна большинству пользователей.
• Благодаря тщательной разработке шлема Valve Index каждый конкретный пользователь получает бóльшее фактическое поле зрения без потери количества пикселей на градус.
• Благодаря повёрнутым трубам для глаз небольшая часть горизонтального поля зрения эффективно передвигается с внутренних сторон линз на внешние, что делает восприятие более сбалансированным.
• Очень сложно говорить о поле зрения в единственном числе, если мы хотим описать его эффективность для шлема виртуальной реальности.

*зрачок относится к остановке системы при любых преломлениях или отражениях, которые могут возникнуть в системе. Он может включать в себя остановку, входной зрачок или выходной зрачок системы.