Поле зору

Коли ми вирішили створити шоломи index, то нашою ціллю було поліпшення поля зору для посилення відчуття віртуальної реальності разом із візуальною складовою, звуками, ергономікою, якістю відстеження тощо. Очевидно, надання більшого поля зору — це складова частина візуальної точності: це посилює занурення у віртуальну реальність, робить носіння шолома зручнішим і збільшує задоволення від гри та взаємодії з оточенням.

Перш ніж почнемо, хочемо навести кілька аспектів візуальної точності, які переплітаються з полем зору.

Вона вимірюється в пікселях на градус (ppd) і є основним фактором різкості та реалістичності вашого віртуального світу. З точки зору дизайну шолома кутова роздільна здатність керується роздільною здатністю дисплея і полем зору. На жаль, забезпечення великого поля зору безпосередньо зменшує кутову роздільну здатність, оскільки доступні пікселі розподілені на великій області огляду. Очевидно, що це критичний компроміс в дизайні шолома, оскільки візуальна чіткість і поле зору важливі для віртуальної реальності. Є ще багато факторів, які впливають на візуальну точність та чіткість, наприклад компонування пікселів, коефіцієнт заповнення, оптика і навіть ергономіка. Але це вже розповідь для іншого разу.

Частота оновлення екрана та час освітлення («швидка зміна»). Певні переваги вищої частоти оновлення екрана добре зрозумілі на робочому столі комп’ютера. Але у віртуальній реальності, де дисплей прикріплений до голови, часте оновлення кадрів та швидша зміна освітлення є ключем до зменшення розмиття руху. Подібно до збільшення роздільності, зменшення розмиття руху допомагає підвищити чіткість картинки. Але це ще й дозволяє зробити кілька речей, які просте збільшення кількості пікселів на градус не може: поліпшується відчуття фізичної постійності віртуальних об’єктів і водночас поліпшується загальна стабільність віртуального середовища. Завдяки фізіології людського зору ці якості посилюються зі збільшенням поля зору.

Ми плануємо розповісти про ці дві особливості в наступних публікаціях, але жодне обговорення поля зору не може обійтися без них.

Що ж таке «поле зору» у ВР?

Сфера оптики дала чітке визначення полю зору. ВР відрізняється від цієї сфери, і багато в чому має нестандартні вимоги, тому ми використовуємо цей термін трохи по-іншому. Для звичайних оптичних систем положення зіниці завжди фіксоване, а розміри панелей або сенсорів визначають обмеження поля зору для конкретної лінзи. У цих випадках поле зору легко описується горизонтальними, вертикальними та діагональними вимірами. Ці вимірювання виводяться з країв сенсора або панелі через зіницю оптичної системи. Однак в оптичних системах ВР зіниця лінзи є комбінацією положення людської зіниці (що містить рельєф очей» і положення IPD), діафрагми об’єктива шолома (зазвичай не кругова задля ергономіки), фокусної відстані об’єктива, розміру дисплея та бінокулярного зв’язку між двома очима. Отже, вимірювання оптичного поля зору віртуальної реальності значно складніше. (Ми використовуємо термін «рельєф очей» для позначення відстані між передньою лінзою і найближчою точкою вашого ока. Як правило, це передня частина рогівки).

Кожен шолом має максимально можливе поле зору для кожного ока, незалежно від користувача. Ось про що зазвичай люди говорять: спробуйте виміряйте, налаштуйте тощо. Але з точки зору дизайну продукту ВР ми в першу чергу думаємо про те, що кожен індивідуальний користувач дійсно бачить. Коли ми почали розробляти шолом Index, ми дослідили всі дизайни шоломів на той час і побачили, що користувач бачить менше (часом значно менше), ніж вказано в характеристиках максимального поля зору, і це відбувається через індивідуальну геометрію обличчя кожного користувача. Наприклад, базова тригонометрія скаже вам, що якщо ваше око занадто далеко від лінзи відносно діаметра лінзи, уся лінза не покриє широкий кут, і ви не матимете широкого кута огляду. У цій ситуації конструкція шолома Index має на меті забезпечити поле зору понад 90 градусів, і навіть один міліметр надлишкового рельєфу очей зменшує поле зору приблизно на 3 градуси.

У шоломі Index ви можете безпосередньо побачити високу чутливість поля зору до рельєфу ока, якщо прокрутите ручку повністю назад і вперед, що покаже, який великий ефект це справляє на поле зору за таку невелику відстань. Різниця у лицевій геометрії різних осіб спричиняє різницю в рельєфі ока до ± 6 мм.

Розуміння геометрії в цій ситуації ще більше ускладнюється, якщо ви враховуєте інші фактори, що впливають на позицію ока стосовно лінз. Подумайте, що відбувається, якщо ваше око дивиться безпосередньо вперед, а потім починає обертатися і рухає зіницю далеко від лінз, ближче до краю. Також, якщо міжзінична відстань в обладнанні шолома налаштована неправильно, то це теж обмежує поле зору. Поширений приклад, це коли міжзінична відстань обладнання занадто мала й обмежує поле зору назовні.

Припасування шолому також має значення. Ви можете припасувати шолом дещо щільніше чи вільніше, або ж недостатньо відцентровано. Все це зменшить поле зору. Ще більше складнощів з’являється у випадку рецептурних окулярів, які також оптично змінюють значення ефективного рельєфу ока. Окрім фізичних невизначеностей, виникають додаткові ускладнення з боку програмного забезпечення. Наприклад, зміщення перехресних конусів матриці проекції та форма візуалізації маски з некруглими краями. Це все впливає на поле зору і робить його асиметричним. Окрім того, маскування панелі компонувальника — програмне забезпечення, що керує підсвіткою та хроматичними краями — має динамічний характер і залежить від системи повторної проекції або пов’язане з нею… Все це означає, що поле зору для будь-якого сучасного шолому ВР не є статичним навіть від одного кадру до іншого.

Сказане вище стосується поля зору лише для одного ока. Врахування поля зору для обох очей додає ще один шар складності вводить стереоскопічне накладання та просуває нас далі у царство індивідуального суб’єктивного сприйняття.

У всіх наведених вище випадках ефект може складати один чи два міліметри, але в сукупності це означає, що а) потрібна значна свобода дій і/або корекції у дизайні шолома, щоби забезпечити користувачу належне поле зору; б) важко (чи, радше, неможливо) зробити єдине об’єктивне кількісне вимірювання поля зору, яке передбачить, що саме отримає кожен користувач. Це змушує нас вагатися, коли ми говоримо про поле зору в однині, оскільки воно ніколи не наближується до тієї ясності, яку нам би хотілося бачити. Заглибмося в першу тему…

Проектування для поля зору

Щоби дозволити користувачам із близькими до лінз очима (а також користувачам в окулярах) взагалі використовувати шолом віртуальної реальності, шоломи без хорошої корекції під рельєф ока та без уважного ставлення до комфорту мають бути суттєво нахилені вперед. А це, у свою чергу, лишає два неприємних варіанти дизайну. У першому максимальне поле зору буде занадто низьким для всіх, а в другому воно буде прийнятно високим, але багато людей отримуватимуть обрізане поле зору та зіпсовану кутову роздільність.

Замість цього в шоломах Index ми зберегли теоретично максимальне поле зору відносно близько до найвищого класу попереднього покоління шоломів ВР, а потім зосередилися на наданні повного поля зору кожному користувачу. Це було зроблено за допомогою комбінації кількох елементів дизайну, які разом суттєво додають до ефективного поля зору та комфорту:

1. Рельєф ока:
   Передовсім ми впровадили фізичну корекцію міжзіничної відстані та відстані від лінзи до ока, щоби забезпечити оптимальне номінальне розташування очей. Таким чином, ми надаємо максимальний комфорт та огляд якнайбільшій кількості користувачів. Окрім простоти коригування, механізм рельєфу ока в Index дозволяє екрану лишатися ближче до ока, ніж у шоломах ВР попереднього покоління. Це означає, що більша частина загального зображення, яке відтворюється відеокартою, привертає увагу більшості користувачів. Фізичний дизайн шолома Valve Index також встановлює оптичну підсистему так, щоби вона працювала якомога краще, і допомагає обмежити компромісний простір, де вона має працювати.
2. Скошені трубки для очей:
   По-друге, ми звужуємо збірку кожної лінзи/екрана на 5 градусів, щоб оптимізувати внутрішній простір стосовно зовнішнього поля зору, а також поліпшити доступні внутрішні діапазони міжзіничної відстані. Перша перевага скошеного підходу проста: він висуває ще кілька градусів поля зору назовні, використовуючи внутрішню частину кожного ока, де починає діяти стереоперекриття. Стереоперекриття, безперечно, усе ще вкрай важливе. Скошеність просто дозволяє підтримувати високу кутову роздільність системи, а також тяжіє до вищого загального поля зору для двох очей, що ми намагалися забезпечити.
   
   Основним недоліком скошування є те, що як наявна бібліотека програмного забезпечення, так і сфера апаратної візуалізації відеокарт зазвичай оптимізовані для паралельних очей. На щастя, це можна легко компенсувати в програмному забезпеченні завдяки методам репроекції, на які ми вже покладаємося для підтримки постійної частоти кадрів. Нам просто треба зробити трішки більше в кожному кадрі… Таким чином, колишні, поточні й майбутні застосунки можуть продовжувати паралельну візуалізацію, як і раніше, і все це буде «просто працювати» для шоломів ВР зі скошеними кутами.
3. Геометрія лінз:
   По-третє, ми зробили передню поверхню лінзи об’єктива значно пласкішою. Це дозволяє оку почувати себе комфортніше з лінзою, особливо людям, які носять окуляри. Хоча цей ефект складає близько кількох міліметрів, але ми вже бачили, як суттєво допомагають навіть невеличкі відстані. Окрім того, хоча це технічно можливо досягти шляхом збільшення вільної діафрагми, існує очевидна практична межа для зовнішнього діаметра об’єктива, який міг би поміститися у шолом ВР, забезпечуючи при цьому достатню міжзіничну відстань, щоб якомога більша кількість користувачів отримала приємний досвід.

Окрім цих трьох, є ще кілька інших аспектів дизайну шолома ВР, які впливають на поле зору і про які варто згадати, бо ми враховували їх у розробці Index.

• Діаметр лінз. Ми підтримували великий діаметр об’єктива — 50 мм. Таким чином, око може зберігати зручну відстань і при цьому отримувати високе, геометрично стабільне поле зору. Це був наш підхід, оскільки лінзи меншого діаметру зменшують ефективну апертуру ока й можуть швидко стати обмежувальним фактором для поля зору.
• Чіткість від краю до краю. Нова конструкція лінз Index забезпечує рівномірнішу чіткість по всьому оптичному полю. Якщо його якість недостатньо висока, то додаткове поле зору не дасть особливих переваг.
• Геометрична стабільність. Зі збільшенням поля зору стає все важче регулювати викривлення і підтримувати геометрично стабільне зображення. Нестабільність випливає із багатьох факторів, але найяскравіше вона проявляється через тремтіння у світі, де речі повинні виглядати міцними й непорушними. Натомість вони колихаються, мов желатин, коли ви повертаєте голову. Ми вважаємо, що забезпечення геометричної стабільності є одним із найважливіших аспектів довготривалого комфорту та стійкості зростання використання віртуальної реальності.

Таким чином, існують десятки факторів, що впливають на поле зору, і всі вони повинні розроблятися одночасно, щоби максимально збільшити реальне поле зору, яке надається всій базі користувачів.

На завершення:

• Шолом Index збільшує поле зору, дозволяючи лінзам бути значно ближче до очей навіть із повною піною на лицевому ущільненні.
• Візуалізація поля зору, що виконується відеокартою для Index, аналогічна візуалізації для Vive чи Vive Pro, але більша її частина надається більшості користувачів.
• Ретельний дизайн шолома забезпечує більш ефективне поле зору для кожного користувача без втрати пікселів на градус.
• Скошені очні трубки ефективно зміщують невелике значення горизонтального поля зору зсередини назовні, що робить його більш збалансованим.
• Дійсно складно використовувати однину для опису поля зору шолому ВР.

*Зіниця стосується зупинки системи при врахуванні будь-яких заломлень чи відбиття, які можуть виникнути в системі. Це може включати відключення системи, вхідну чи вихідну зіницю системи.