Synfält (FOV)
När vi började skapa Index-HMD:n var ett av våra primära mål att förbättra den övergripande kvaliteten på VR-upplevelsen, vilket bland annat inkluderar grafik, ljud, ergonomi och spårning. Det var tydligt att ett brett synfält var en viktig del för den visuella kvalitetens skull, då detta skapar inlevelse, gör det behagligare att bära en HMD, och beroende på upplevelsen kan förbättra tillfredsställelsen vid spelande och interaktion.
Innan vi dyker ned i detaljerna, bör vi nämna ett par aspekter med den visuella kvaliteten som hänger ihop med synfältet.
Vinkelupplösning. Vinkelupplösningen, som mäts i pixlar per grad (ppd), är en betydande faktor i skärpan och realismen i den virtuella världen. När man talar om HMD-design så styrs vinkelupplösningen av skärmupplösningen och synfältet. Nackdelen med ett stort synfält är att det minskar vinkelupplösningen eftersom de tillgängliga pixlarna sprids ut över ett större visningsområde. Det här är uppenbart en viktig avvägning i HMD-design då både visuell klarhet och synfält är viktiga för en bra VR-upplevelse. Helheten när det gäller visuell klarhet involverar många faktorer förutom pixlar per grad, som till exempel subpixel-layout, fyllningsfaktor, optik och till och med ergonomi. Det är ett omfattande ämne som vi sparar till en annan gång.
Skärmens uppdateringsfrekvens och belysningstid (”uthållighet”). Vissa av fördelarna med högre uppdateringsfrekvens är fullt begripliga när det gäller pc:ar. Men i VR, där skärmen sitter fast på huvudet, är det viktigt med snabb uppdateringsfrekvens och låg uthållighet för att reducera rörelseoskärpa. Att reducera rörelseoskärpa förhöjer den upplevda skärpan, ungefär som när man ökar upplösningen. Men det bidrar även med andra saker som pixlar per grad inte klarar på egen hand. Det förbättrar känslan av fysisk beständighet på virtuella objekt och förbättrar samtidigt den övergripande stabiliteten på den virtuella miljön. På grund av fysiologin i människans syn blir dessa kvaliteter allt viktigare ju mer synfältet ökar.
Vi har tänkt förklara dessa två saker i framtida inlägg, men ingen diskussion om synfält skulle vara komplett utan att nämna dem.
Vad är VR-synfält?
Inom optiken finns ett antal begrepp och konventioner gällande synfält. VR är något helt annat och det är på många sätt okonventionellt, och därför använder vi begreppet lite annorlunda. För optiska system som inte är VR, är pupillens* plats fixerad och panel- eller sensorstorlekar är det som begränsar synfältet för en särskilt lins. I de fallen kan synfältet enkelt beskrivas med begrepp såsom horisontalt, vertikalt och diagonalt. Men för system med VR-optik, är pupillen en kombination av den mänskliga pupillens placering (vilket inkluderar pupillavståndet hos okularet och pupilldistansen hos ögonen), HMD-linsens apertur (vanligtvis inte cirkulär av ergonomiska skäl), den fokala längden på linsen, skärmstorlek och den binokulära relationen mellan ögonen. Så att mäta det optiska synfältet i VR är mycket mer komplicerat. (Begreppet pupillavstånd hos okulär innebär avståndet mellan linsens framsida och närmaste punkt hos ditt öga, vanligtvis hornhinnans framsida.)
Varje HMD har ett maximalt möjligt synfält per öga som avgörs av dess design, och är oberoende av användaren. Detta är vad folk vanligtvis pratar om och försöker mäta, och så vidare. Men sett utifrån perspektivet VR-produktdesign är vi primärt intresserade av vad varje individuell användare faktiskt ser. När vi började designa Index undersökte vi befintliga HMD-designer, och observerade att det var vanligt för en användare att få ett mindre (till och med mycket mindre) synfält än det som var teoretiskt möjligt, på grund av hur headsetet passade och personens ansiktsgeometri. Till exempel, enligt grundläggande trigonometri så täcker inte hela linsen en särskild bred vinkel, och du kan omöjligen få ett stort synfält om ditt öga är för långt bak från linsen i relation till linsens diameter. För HMD-designer likt Index som har som mål att ge ett större synfält än 90 grader, gör en sådan här begränsning hos linsen att en enda millimeter av överflödigt pupillavstånd reducerar ditt synfält med cirka 3 grader.
När du bär en Index-HMD kan du direkt se synfältets höga känslighet mot ögonavstånd genom att skruva på ögonavståndsknappen hela vägen fram och tillbaka, och observera hur mycket synfältet påverkas från en till synes liten distansskillnad. Individuella skillnader på ansiktsgeometri kan ganska enkelt få ögonavståndet att variera mellan +/- 6 mm.
Det blir ännu svårare att förstå hur geometrin påverkar situationen när man tänker på andra faktorer som påverkar ett ögas position i förhållande till linsen. Tänk på vad som händer när ett öga tittar rakt fram och sedan börjar rotera bort, vilket förflyttar pupillen längre bort från linsen och närmare till en kant. På liknande vis kan hårdvarans pupilldistans på headsetet begränsa synfältet om den inte har justerats korrekt. Ett vanligt exempel är att om pupilldistansen är för liten, så begränsas synfältet mot utsidan.
Passform spelar också roll. Man kan justera headsetet så att det sitter lite mer åtsittande eller lösare, eller så att det inte sitter helt i mitten. Allt detta minskar synfältet. Det blir ännu mer komplext när man lägger till glasögon som också tenderar att optiskt påverka det effektiva ögonavståndsvärdet. Bortom de fysiska ovissheterna finns det ytterligare komplikationer på mjukvarusidan, som till exempel förskjutna partier i projektionsmatrisen och att formen på den maskerade renderingsmålet inte är cirkulärt. Detta påverkar synfältet genom att göra det asymmetriskt. Det finns även en mjukvara som kallas ”compositor-panel masking” som kontrollerar ovälkommet ljus och kromatisk fransning och som är dynamiskt och beroende av/svarar på reprojiceringssystemet ... vilket betyder att synfälten hos alla moderna HMD:er inte ens är helt statiska från bildruta till bildruta.
Allt det ovanstående handlar fortfarande bara om synfältet hos ett enda öga. Med binokulärt synfält blir det ännu mer komplicerat, då stereoöverlappning introduceras och vi dras in alltmer i vad som är en individuell, subjektiv uppfattning.
Om du ser till alla ovanstående fall separat, är effekten kanske en millimeter eller två, men slår man ihop dem kan det betyda att du A) behöver rejäla marginaler och/eller inbyggd justering i headsetets design för att kunna leverera ditt synfält till användaren, och B) att det är svårt (omöjligt) att göra en enstaka objektiv och kvantitativ mätning av synfältet som förutspår vad en individuell användare faktiskt får. Därför är vi försiktiga med att prata om synfält med enstaka nummer, då det aldrig ens har varit i närheten av att tydliggöra saker. Så låt oss fördjupa oss på det förstnämnda ...
Design för synfält
För att göra det möjligt för användare som är ”nära” när det gäller ögonavstånd (och användare med glasögon) att använda ett headset överhuvudtaget, måste headsets utan bra ögonavståndsjustering och noggranna bekvämlighetsdetaljer designas med stora ögonavstånd. Detta ger i sin tur två otrevliga designalternativ: att antingen göra det maximala synfältet ganska litet för alla, eller göra det maximala synfältet ganska stort, vilket ger många användare ett stympat synfält och bortslösad vinkelupplösning.
För Index-HMD:n har vi istället behållit det teoretiskt maximala synfältet i närheten av de bästa headseten från föregående generation och sedan fokuserat på att leverera fullständigt synfält till varje användare. Detta gjordes med en kombination av ett antal designelement som tillsammans gör en stor skillnad för både effektivt synfält och komfort:
-
Ögonavstånd hos okularet:
Först och främst implementerade vi fysisk justering av ögonavståndet hos okularet och justeringar av pupilldistansen för att kunna tillhandahålla optimal nominal ögonposition, och därmed maximal komfort och synfält till så många användare som möjligt. Ögonavståndsmekanismen hos Index är enklare att justera, och gör det möjligt för skärmen att sitta närmare ögonen jämfört med andra headset från tidigare generationer. Detta betyder att mycket mer av den fullständiga bilden som renderas av grafikkortet levereras till de flesta användarnas ögon. Den fysiska designen hos Index HMD gör det även möjligt för de optiska delsystemen att fungera optimalt och hjälper till att begränsa avvägningsutrymmet den måste fungera inom. -
Vinklade rör:
m För det andra vinklade vi varje lins/skärm med 5 grader för att optimera balansen mellan det inre kontra det yttre synfältet och även förbättra pupillens räckvidd på insidan. Den första fördelen med vinkling är enkel: den puffar synfältet ett par grader mot de yttre sidorna, till bekostnad av de inre sidorna av varje öga där stereoöverlappning står på spel. Stereoöverlappning är fortfarande viktigt, givetvis. Vinklingen ger helt enkelt ett sätt att behålla en hög vinkelupplösning, samtidigt som den ger det större övergripande binokulära synfältet som vi ville tillhandahålla.
Den största nackdelen med att vinkla är att både den mjukvara och den GPU-renderande hårdvara som finns vanligtvis är bäst lämpade för parallella ögon. Som tur är kan detta lätt kompenseras i mjukvaran genom att använda den reprojektionsteknik vi redan är beroende av för att behålla en konstant bildfrekvens. Det är bara lite som krävs för varje bild ... På detta vis kan appar från förr, nu och i framtiden fortsätta rendera parallellt som de alltid gjort, och då funkar de ”bara” för HMD:er som är lite vinklade. -
Linsgeometri:
Vi gjorde framsidan av linsen mycket plattare. Detta gör att ögat på ett bekvämt sätt hamnar närmre linsen, speciellt för personer med glasögon. Även om det bara handlar om ett par millimeter, så har vi sett hur att varje liten sak hjälper till. Dessutom, även om det är tekniskt möjligt att istället öka den klara aperturen, så finns en tydlig praktisk begränsning av den yttre diametern på linsen som ska passa i HMD:en och ändå tillhandahålla tillräckligt med pupilldistans för att kunna ge många olika användare en bra upplevelse.
Förutom dessa tre huvudsakliga aspekter som påverkar synfältet när det gäller HMD-design för Index, finns det några till som är värda att nämna.
- Linsdiameter: Vi behöll den 50 millimeter stora diametern på linsen så att ögat fortfarande kan få ett bekvämt avstånd samtidigt som det får ett högt, geometriskt stabilt synfält. Vi har gjort på detta vis för att linser med mindre diameter minskar ljusaperturens effekt på ögat, vilket snabbt kan göra synfältet begränsat.
- Klarhet från kant till kant: Den nya linsdesignen för Index fördelar klarheten jämt över hela det optiska fältet. Utökat synfält gör inte nödvändigtvis någon större nytta om kvaliteten inte är bra nog.
- Geometrisk stabilitet: Ju mer synfältet utökas, desto svårare blir det att hantera distorsion och hålla bilden geometriskt stabil. Instabilitet beror på flera faktorer, men yttrar sig som darrningar, där saker som är till synes solida blir böljande som gelatin när du rör på huvudet. Vi anser att tillförsel av geometrisk stabilitet är kritiskt för komfort på lång sikt och för att användandet av VR ska fortsätta växa i omfattning.
Det finns alltså flera överväganden som påverkar synfältet, och alla måste passas ihop för att maximera synfältet för alla användare.
Sammanfattningsvis:
- Valve Index headset maximerar synfältet genom att linserna sitter mycket närmre dina ögon, även med hel ansiktskudde.
- Synfältet som renderas av GPU:n för Index liknar det hos Vive eller Vive Pro, men de flesta användare får en ännu större vy.
- Index noggranna design ger ett ännu mer effektivt synfält till den individuella användaren utan att offra pixlar per grad.
- De vinklade ögonrören skiftar en liten del av det horisontella synfältet från insidan till utsidan, vilket skapar mer balans.
- Det är verkligen svårt att beskriva en HMD:s synfält på ett enkelt sätt.
*Med pupill menas systemets bländning, medräknat eventuell refraktion eller reflektion som kan uppstå i systemet. Det kan omfatta systemets bländare, inträdespupill, eller utträdespupill.