VR шлем будущего - каким мы его мечтаем видеть? С неотличимой от реальности картинкой, без намека на эффект бинокля, легкий и комфортный, без единого провода, ну и конечно же, дешевый! Построить такое устройство прямо сейчас практически невозможно. Но что, если разделить идеальный VR шлем на составляющие детальки, как конструктор, и довести до абсолюта каждую из них? Именно по такому пути, как оказалось, и идёт исследовательская лаборатория запрещенной в РФ компании Meta, которую мы в этой статье по привычке будем продолжать называть Oculus.
И если мы практически не видим, что происходит за закрытыми дверями других VR гигантов потребительского рынка - Sony и Valve, то Цукерберг показывает всевозможные прототипы с завидной регулярностью. И пожалуй, самая большая и подробная экскурсия в лаборатории Окулуса случилась совсем недавно - вот о ней и пойдет речь в этой статье.
Полную версию события на английском языке вы можете изучить самостоятельно на канале Tested: https://youtu.be/x6AOwDttBsc
Канву дороги в светлое будущее для нас обозначает сам биг босс Зак Цукерберг, ваннаби отец метавселенной. По его словам, для того, чтобы полностью погрузиться в виртуальный мир, устройствам будущего нужно будет пройти “визуальный тест Тьюринга” - я понимаю это как состояние неотличимости визуального восприятия VR картинки от реальной жизни. И достигать это нужно будет не только, как мы привыкли, увеличением четкости картинки, но и внедрением HDR, повышением угла обзора, а также интеграцией варифокальности - это когда глаз в VR шлеме сможет фокусироваться как на совсем близких объектах “в режиме макро”, так и на самых отдаленных.
ВАРИФОКАЛЬНОСТЬ
В традиционных шлемах виртуальной реальности фокусное расстояние до любого объекта зафиксировано на уровне 1.5 - 2 метра. Поэтому при попытке рассмотреть что-нибудь вблизи лица вы можете почувствовать, как ваши глаза напрягаются из-за того, что не могут сфокусироваться на объекте с помощью аккомодации, а сам объект выглядит размытым. Некоторые люди при этом даже могут испытывать головокружение, что затрудняет использование ими VR устройств. Помочь в решении этой задачи, а точнее даже незадачи, могут варифокальные оптические системы.
Лаборатория реалити лаб от окулусов начала работать в этом направлении уже довольно давно, и некоторые из нас даже могут помнить их прототип VR шлема будущего под кодовым именем Half-Dome. Внешне он напоминал флагман того времени Oculus Rift - тот же дизайн, идентичные габариты - но при этом дисплеи этого шлема умеют двигаться вперед-назад для того, чтобы пользователь мог фокусироваться на разном расстоянии.
Работа над этим прототипом всё это время не прекращалась, и у нас сегодня есть возможность видеть, через какие этапы прошла команда разработчиков на пути к текущему варианту Half-Dome 3.
Чтобы фокусное расстояние в оптическом модуле шлема могло изменяться от 20 см до бесконечности, дисплеям внутри первого прототипа нужно было двигаться на расстоянии около сантиметра. Для этого они были установлены на “салазки” и двигались самым обыкновенным моторчиком, однако при таком подходе создавали слишком много вибрации и шума.
Механическое взаимодействие должно было свестись к минимуму, и уже в 2019 году шаговый моторчик был заменен на привод звуковой катушки, обеспечивающий передвижение дисплеев с помощью электромагнитного взаимодействия. Ну а салазки ушли, уступив место пружине, чтобы еще сильнее уменьшить трение.
Чтобы полностью уйти от движущихся частей и механизмов, в некоторых более современных прототипах были использованы специальные линзы Pancharatnam-Berry phase, способные менять фокусное расстояние в двух значениях в зависимости от поляризации попадающего на них света.
Складывая несколько таких линз подряд можно получить варифокальную систему необходимого диапазона изменения фокусного расстояния. Конечно же с каждым слоем такой линзы поглощается все больше света и растет энергопотребление, поэтому применение таких оптических систем не является панацеей и вряд ли заменит механические варифокальные системы в ближайшем будущем.
Некоторым может показаться, что вся эта чехарда с варифокальностью служит скорее “кинематографическим” целям - красиво заблюренной в нужных местах картинке , но на самом деле гораздо более важные преимущества раскрываются в области комфорта и реализма погружения. Именно поэтому внедрение этой технологии так важно для XR индустрии в целом - не только для гейминга, но и для работы. Марк Цукерберг считает, что уже в ближайшие десять лет традиционные рабочие места с мониторами будут полностью замещены устройствами дополненной и виртуальной реальности.
УГОЛ ОБЗОРА
В области увеличения угла обзора не было показано чего-то сверхнеобычного, однако интересно выглядит первая попытка увеличения поля зрения на Half Dome - для этого дисплеи рифта просто были повернуты на 90 градусов, что увеличило горизонтальный, но конечно же срезало вертикальный углы обзора. Любопытно, что экраны этого шлема также были наклонены друг к другу, как это было сделано впервые на Valve Index. Линзы, естественно, тоже пришлось переделать под более “широкоформатные”.
РАЗРЕШЕНИЕ И ЧЕТКОСТЬ КАРТИНКИ
Следующий интересный прототип носит рабочее имя Butterscotch, и он нацелен на максимально возможную четкость картинки, которая обеспечивается огромнейшей плотностью пикселей на единицу угла обзора - 55 PPD (для Oculus Quest 2 эта цифра составляет 20 PPD, а предел человеческого зрения - около 60 PPD). При этом размеры этого шлема не отличаются от всем нам привычного Окулус Квеста.
По словам Цукерберга, главная задача высокой четкости - это обеспечение максимально комфортной работы с текстом. И проблема усугубляется по сравнению со всем нам привычными рабочими станциями на основе мониторов еще и тем, что текст в шлеме виртуальной реальности может далеко не всегда располагаться параллельно горизонталям дисплеев устройства (из-за того, что мы периодически наклоняем голову в разные стороны во время чтения), и для качественного антиалиасинга необходима безумная плотность пикселей, и следовательно, более внушительные вычислительные ресурсы, которые тянут за собой повышенное энергопотребление и тепловыделение.
На помощь всё ещё может прийти так называемый фовеальный рендеринг - это когда картинка максимально четкая только в том месте, куда смотрит пользователь, а на периферии поля зрения размытая - как это работает у человеческого зрения и в жизни. Но для обеспечения нормальной работы такой фичи необходима практически идеальная система отслеживания взгляда - быстрая, точная и чуть ли не предугадывающая поведение пользователя. Однако до неё, по ощущениям, всё ещё так же далеко, как и пять лет назад.
Однако, заглянуть в супер четкую картинку на грани человеческих возможностей можно уже сейчас в лаборатории Цукерберга. Для этого в прототипе баттерскотч используются самые передовые дисплеи, а также кастомные стеклянные линзы. Угол обзора уменьшен по сравнению с рыночными устройствами и составляет менее 60 градусов. кроме этого, на прототипе можно с помощью колесика регулировать разрешение, чтобы опытным путем ощутить разницу и найти для себя некую “золотую середину”.
ОПТИЧЕСКИЕ ДИСТОРСИИ
Оптические системы, включающие в себя линзы, неизбежно приводят к появлениям оптических искажений (дисторсий) - это когда картинка “плывет”, становится геометрически неправильной, особенно по краям поля зрения.
В современных шлемах виртуальной реальности эти искажения корректируются статично - картинка просто искривляется обратно пропорционально искажениям в линзе. Но всё становится гораздо сложнее в варифокальных системах, когда элементы находятся в движении, и фокусное расстояние меняется. Поэтому для работы с коррекцией оптических дисторсий в лаборатории есть целый стенд, позволяющий симулировать различные оптические системы в гибком диапазоне. Выглядит эпично!
HDR
Прототип Starburst пытается продвинуть другой очень важный аспект для устройств виртуальной реальности - динамический диапазон. Для большинства дисплеев, которые нас окружают, яркость измеряется в значениях пары сотен nit. HDR мониторы могут выдавать значения в 1000 nit. Комнатные лампы светят в значениях около десяти тысяч nit, а естественное освещение еще ярче.
Старбёрст может выдавать яркость вплоть до двадцати тысяч нит! При такой яркости вы физически чувствуете, как ваши зрачки подстраиваются при взгляде на источники освещения. Это конечно же многократно повышает погружение в виртуальную реальность и реалистичность картинки.
Однако необходимо понимать, что прототип не может быть использован в качестве конечного продукта в том числе из-за своего веса и огромного тепловыделения. В отличие от традиционных VR шлемов здесь установлено сразу по два дисплея на каждый глаз слоями - чтобы мощный бэклайт не засвечивал темные участки. Сам же бэклайт мало того что просто буквально сделан из автомобильных LED фар, но и для максимизации эффекта проходит через специальные линзы, а тепло отводится с помощью кастомного высокоэффективного радиатора.
Однако при существующем раскладе до зрачка доходит лишь незначительная доля света, выделяемая дисплеями и подложкой. Поэтому в шлемах будущего с внедрением суперточного отслеживания зрачка и лазеров будет возможно достигнуть текущих значений динамического диапазона с меньшим тепловыделением и энергопотреблением, направляя свет прямо в зрачок.
КОМФОРТ
Когда же дело доходит до коммерческого продукта, то очень важным параметром является форм фактор и вес устройства. Современные шлемы вызывают дискомфорт при длительном использовании, но в лаборатории уже можно опробовать интересное решение - Holocake 2.
По техническим возможностям он не отличается от того же второго квеста, но значительно удобнее собрана, так как правильно распределяет вес и почти не выступает в своей передней части.
Для уменьшения размеров шлема нужно было избавиться от пустого пространства в оптической сборке - так, например, расстояние между линзой и дисплеем в первых шлемах Oculus составляло около пяти сантиметров.
Применение pancake линз позволило с помощью разного типа преломлений “сложить” оптический путь и тем самым уменьшить конечный размер оптического модуля (дисплей + линзы).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По итогу экскурсии мы увидели, как лаборатория Цукерберга разделила идеальное VR устройство будущего на маленькие составляющие, которые можно пощупать по отдельности уже сейчас. Некоторые характеристики, которым не уделялось должного внимания в шлемах первых поколений, заиграли новыми красками и обрели новую важность. И пусть мы очень нескоро увидим гаджет с полной комбинацией идеальных параметров под одним корпусом. Но уже сейчас у нас есть понимание, каким будет по-настоящему полное погружение в виртуальную реальность, и по какой траектории мы уже движемся к нему в эту самую минуту.
