Совсем скоро начнут появляться на руках первые VR сеты Index, и компания Valve запустила серию познавательных статей о том, почему этот VR комплект круче, чем всё, что мы видели до этого. Я буду переводить информацию для вас с небольшими сокращениями, поэтому если Вы против искажения источника, то лучше прочтите в оригинале: https://www.valvesoftware.com/sv/index/deep-dive/fov
Перед началом разговора мы должны упомянуть пару аспектов визуальных аспектов VR сетов, которые тесно переплетаются с FOV.
Угловое разрешение. Измеряемое в пикселях на градус (ppd) угловое разрешение является основным фактором четкости и реалистичности вашего виртуального мира. С точки зрения дизайна шлема угловое разрешение определяется двумя факторами — разрешением дисплея и полем зрения FOV. К сожалению, внедрение большего поля зрения уменьшает угловое разрешение, поскольку доступные пиксели распределены по большей области видения. Очевидно, что это критический компромисс в дизайне VR шлема, так как четкость изображения и FOV одинаково важны для хорошего экспириенса. Полная же картина визуального восприятия виртуального мира через шлем включает в себя множество факторов помимо пикселей на градус — расположение субпикселей, коэффициент заполнения, оптика и даже эргономика. Так что это большая тема для другого дня.
Частота обновления экрана и послесвечение дисплея «persistence».Некоторые из преимуществ более высокой частоты обновления экрана хорошо освещены в сфере ПК. Но в виртуальной реальности, где дисплей прикреплен к вашему лицу, частое обновление и снижение послесвечения являются ключом к уменьшению размытости при движении. Подобно увеличению разрешения, уменьшение размытия при движении помогает улучшить воспринимаемую резкость картинки в виртуальной реальности. Но увеличение герцовки дисплеев и уменьшение послесвечения играет еще одну важную роль: это улучшение ощущений физического присутствия виртуальных объектов — то есть повышения ощущения присутствия пользователя в виртуальной среде. И из-за физиологии человеческого зрения эти качества дисплеев приобретают все большее влияние на восприятие виртуального мира по мере увеличения поля зрения.
Мы планируем рассмотреть эти два вопроса более подробно в грядущих публикациях, но никакое обсуждение FOV не будет полным без их упоминания.
Что же такое FOV?
В научной сфере по оптике уже есть хорошо установленный набор условий и соглашений касательно поля зрения. Однако VR - это совсем другой зверь, и во многих отношениях предъявляет нетрадиционные требования, поэтому мы склонны использовать этот термин немного по-другому. Для традиционных оптических систем положения зрачка фиксированы, а размеры дисплея являются определяющим ограничителем поля зрения для данной линзы. В этих случаях FOV легко описывается по горизонтали, вертикали и диагонали. Эти измерения получены от краев дисплея через зрачок оптической системы. Однако в оптических системах VR зрачок представляет собой комбинацию местоположения зрачка человека (которое включает в себя Eye relief (расстояние от глаза до линзы) и выставленное состояние IPD (межзрачкового расстояния), апертуру линз шлема (обычно не круглую по эргономическим причинам), фокусное расстояние линзы, размер дисплея и бинокулярные отношения между двумя глазами. Таким образом, измерение FOV по правилам оптики становится намного сложнее.
Каждый шлем имеет максимально возможный FOV для одного глаза, определяемое его конструкцией, независимо от пользователя. Это то, о чем люди обычно говорят, пытаются измерить. Но с точки зрения дизайна VR продукта мы в первую очередь обеспокоены тем, что же на самом деле пользователь видит. Собрав отзывы от тестеров на ранних этапах тестирования дизайна шлема, мы заметили, что довольно часто пользователь видит намного меньший FOV, чем теоретический максимальный, из-за разной посадки шлема на голову и разной геометрии лица. Например, базовая тригонометрия скажет вам, что если расстояние от глаза до линзы велико по отношению к диаметру линзы, то линза не сможет охватить очень широкий угол, и наблюдаемый FOV уменьшится. В случае с дизайном линз и их положения, используемом в Valve Index даже один миллиметр избыточного Eye Relief уменьшает ваш FOV примерно на 3 градуса.
Понимание геометрии ситуации становится еще более сложным, когда вы включаете во внимание и другие факторы, которые влияют на положение вашего глаза относительно линзы. Подумайте, что происходит, когда ваш глаз смотрит прямо вперед, затем начинает вращаться, отодвигая зрачок дальше от линзы и ближе к одному краю. Точно так же, если аппаратный IPD гарнитуры настроен неправильно, это также может ограничить FOV. Одним из распространенных примеров является то, что если аппаратный IPD слишком мал, он ограничивает поле зрения наружу.
Влияние положения шлема на голове тоже очень сильно. Вы можете отрегулировать гарнитуру немного покрепче или слабее, или расположить ее немного не в центре. Все это отнимает от показателя FOV. Больше сложностей добавляется, если Вы носите очки, линзы которых тоже корректируют поле зрения пользователя. Помимо физических переменных, на стороне софта тоже имеются дополнительные сложности, связанные с особенностями рендера кадра для виртуальной реальности.
И все вышеперечисленное рассматривает FOV только для одного глаза. Рассмотрение бинокулярного FOV добавляет еще один уровень сложности, вводя стереоперекрытие и продвигаясь дальше в область индивидуального субъективного восприятия.
Во всех вышеперечисленных случаях, взятых отдельно, эффект может быть порядка миллиметра или двух, но если все собрать вместо, то это означает, что
A) вам необходим значительный запас и /или регулировка, встроенная в конструкцию гарнитуры, чтобы донести ваш FOV пользователю и
Б) трудно (а в действительности невозможно) сделать единственное объективное, количественное измерение FOV, которое предсказывает, что на самом деле собирается получить отдельно взятый пользователь.
Поэтому давайте остановимся подробнее на отдельно взятых особенностях шлема Valve Index, расширяющих FOV для каждого пользователя.
Проектирование для FOV
Многие существующие шлемы идут на разного рода компромиссы и жертвуют либо комфортом, либо качеством картинки, либо вообще возможностью использования некоторой категорией пользователей. Valve Index не стал идти на компромиссы, а вместо этого ввел свои уникальные дизайнерские решения, позволяющие не жертвовать ничем и получить максимально возможно качественную картинку:
- Eye Relief (отодвигание и придвигание окуляров к глазам): Прежде всего, мы реализовали физическую настройку Eye Relief и IPD, чтобы обеспечить оптимальное номинальное положение глаз и, следовательно, максимальный комфорт и FOV как можно большему количеству пользователей. Eye Relief на Valve Index позволяет дисплею располагаться ближе к глазу по сравнению с гарнитурами предыдущего поколения. Это означает, что большая часть полного изображения, отображаемого графическим процессором, предоставляется большинству пользователей.
2. Кантинг окуляров: Мы повернули окуляры друг от друга на 5 градусов чтобы оптимизировать соотношение внутреннего и наружнего FOV, а также повысить диапазон доступных IPD пользователей. Такое решение добавляет несколько градусов к наружнему FOV, скрадывая немного от внутреннего. Это немного снижает стерео перекрытие (область, в котором отображается истинное 3D), но мы постарались достичь компромисса между бинокулярным полем зрения, угловым разрешением и стерео перекрытием.
Основным недостатком кантинга является то, что как существующая библиотека программного обеспечения, так и видеокарты, как правило, оптимизированы для параллельных окуляров. К счастью, это может быть легко компенсировано в программном обеспечении с использованием методов репроекции, которые мы уже используем для поддержания постоянной частоты кадров. Нам просто нужно немного изменить каждый кадр ... Таким образом, как старые, так и новые VR приложения могут продолжать рендеринг параллельно, как обычно, и они будут «просто работать» для шлемов с небольшими наклонами окуляров.
3. Геометрия линз: В-третьих, мы сделали переднюю поверхность линзы намного более плоской. Это позволяет глазу удобно приближаться к линзе, особенно для людей, использующих очки. Хотя этот эффект составляет порядка нескольких миллиметров, мы уже видели, как каждый маленький кусочек помогает.
Помимо основных трех, есть несколько других аспектов дизайна шлема, которые влияют на FOV, которые стоит упомянуть, и которые мы должны были учитывать при разработке Index.
- Диаметр линзы: мы созранили большой диаметр линзы - 50 миллиметров, чтобы глаз мог сохранять комфортное расстояние до линзы и при этом получать высокое геометрически стабильное поле зрения. Линзы меньшего диаметра уменьшают эффективную световую апертуру для глаза и могут быстро стать ограничивающим фактором для поля зрения.
- Четкость от края до края: новая конструкция линзы для индекса обеспечивает более равномерную четкость по всему оптическому полю. Если она недостаточно высокая, увеличение поля зрения может оказаться просто бесполезным
- Геометрическая стабильность. По мере увеличения FOV становится всё труднее приспосабливаться к искажениям и сохранять геометрическую стабильность изображения. Нестабильность проистекает из многих факторов, но наиболее отчетливо наблюдается как дисторция, когда вещи в поле зрения, которые должны казаться твёрдыми, вместо этого извиваются, как желатин, когда вы двигаете головой. Мы считаем, что обеспечение геометрической стабильности является критически важным аспектом для долгосрочного комфорта и устойчивого роста использования виртуальной реальности.
Таким образом, существуют десятки факторов, влияющих на FOV, и все они должны быть учтены, чтобы максимизировать реальное FOV для всей пользовательской базы.
В заключение:
- Index HMD максимизирует FOV, позволяя линзам сидеть намного ближе к глазам, даже с родной «толстой» лицевой подкладкой.
- Поле зрения, отображаемое видеокартой для индекса такая же, как и поле зрения Vive или Vive Pro, но в случае с индексом пользователь по факту видит больше.
- Тщательный дизайн Index обеспечивает более эффективное FOV для отдельного пользователя, не жертвуя пикселями на градус.
- Повернутые окуляры эффективно смещают небольшое количество горизонтального поля зрения изнутри наружу, делая их более сбалансированными.
- В действительности сложно использовать одно число, чтобы эффективно описать реальное поле зрения для VR шлемов.