Полезрение

Когато се устремихме да създадем Index ВР шлема, една от основните ни цели беше да подобрим цялостната прецизност на ВР преживяването, включително визуализацията, аудиото, ергономичността, качеството на проследяване и още други. Несъмнено е, че предоставянето на широко полезрение е критична част от визуалната прецизност: увеличава потапянето във виртуалната реалност, прави носенето на ВР шлема по-удобно, а в зависимост от преживяването, може да подобри удовлетворението около игралното преживяване и взаимодействието.

Преди да се задълбочим, трябва да споменем два аспекта на визуалната прецизност, които са преплетени с полезрението.

Ъглова пикселна резолюция. Измерва се в пиксели за градус (ppd — pixels per degree). Ъгловата резолюция е значителен фактор за яснотата и реализма на виртуалния Ви свят. Що се отнася до дизайна на ВР шлем, ъгловата резолюция се води от съответната такава на дисплея и полезрението. За съжаление, предоставянето на голямо полезрение директно намалява ъгловата резолюция. Това е така, тъй като наличните пиксели са разпрострени върху голямата видима площ. Очевидно това е критичен компромис в дизайна на ВР шлема, тъй като визуалната яснота и полезрението са важни за страхотната виртуална реалност. Пълната история за визуална яснота включва много фактори, отвъд пикселите за градус, като например подпикселно разположение, фактора на запълване, оптиката и дори ергономичността. Ето защо това е голяма тема за друг ден.

Честотата за опресняване и времето за осветяване на екрана („постоянство“). Някои от предимствата на по-високата честота за опресняване са добре разбрани в сферата на настолните компютри. Но във ВР, където дисплеят е прикрепен към главата Ви, честото обновяване и по-ниското постоянство са ключови към намаляването на размазването при движение. Сходно с увеличаването на резолюцията, намаляването на размазването при движение спомага да се подобри възприеманата яснота на системата. Но също така предоставя няколко неща, които увеличаването на пикселите за градус само по себе си не може да постигне. Подобрява усещането за физическа установеност на виртуалните обекти. А същевременно с това подобрява цялостната стабилност на виртуалното обкръжение. Поради физиологията на човешкото зрение, значението на тези качества нараства с увеличаването на полезрението.

Планираме да обхванем тези две теми по-подробно в бъдещи публикации, но никоя дискусия около полезрението не би била пълна, без да ги споменем.

Какво е полезрението във ВР?

Сферата на оптиката има добре установен набор от термини и установени практики около полезрението. ВР е различно животно и в много отношения има необичайни изисквания, така че сме склонни да използваме термина малко по-различно. За оптични системи, които не са ВР, местонахожденията на зениците* са фиксирани, а размерите на панелите или сензорите са определящите ограничители на полезрението за дадена леща. В тези случаи полезрението лесно се описват от гледна точка на хоризонтални, вертикални и диагонални. Тези измервания произлизат от ръбовете на сензора или панела през зеницата на оптичната система. Въпреки това, в оптичните системи за ВР, зеницата е комбинация от няколко неща. Местоположението на човешката зеница (което включва разстояние от лещите до очите и междуочната позиция), апертурата на лещата във ВР шлема (типично не е кръгла по ергономични причини), фокусното разстояние на лещата, размера на екрана и двуочното взаимоотношение между двете очи. По този начин измерването на оптичното полезрение във ВР става доста по-сложно. (Използваме термина разстояние от лещите до очите, позовавайки се на разстоянието между предната част на лещата и най-близката точка на окото Ви, типично това е предната част на роговицата.)

Всеки ВР шлем разполага с максимално възможно полезрение за едното око, определено от неговия дизайн, независимо от потребителя. Това е нещото, за което хората често говорят, опитват да измерват и т.н. Но от гледна точка на продуктовия дизайн за ВР ние основно се интересуваме относно това, което всеки индивидуален потребител вижда в действителност. Проучвайки къде беше дизайнът на ВР шлемовете, когато започнахме да проектираме Index, бяхме забелязали, че е обичайно потребителите се сдобиват по-малко (а дори и много по-малко) от теоретичното максимално полезрение поради напасването на ВР шлема и индивидуалната им лицева геометрия. Ето например, основната тригонометрия ще Ви каже, че ако окото е твърде далеч от лещата спрямо диаметъра ѝ, цялата съответна такава няма да покрива много широк ъгъл и няма възможност да видите голямо полезрение. В тази ограничена от лещата ситуация, при дизайна на ВР шлемове като Index, които целят да предоставят полезрение, по-високо от 90 градуса, дори и един милиметър излишно разстояние от лещите до очите, намалява полезрението Ви с около 3 градуса.

Носейки Index ВР шлем, можете директно да видите високата чувствителност на полезрение към разстояние от лещите до очите. Сторете това, като завъртите копчето за разстояние от лещите до очите докрай назад и напред, наблюдавайки големия ефект върху полезрението от привидно малката стойност на движение. Разликите в лицевата геометрия между индивидуалните хора може сравнително лесно да доведат до вариация на разстояние от лещите до очите в рамките на +/- 6 мм.

Разбирането на геометрията в дадената ситуация става още по-сложно, когато се замислите за други фактори, които влияят върху позицията на окото Ви спрямо лещата. Вземете предвид какво става, когато окото Ви гледа право напред, а след това започва да се извърта настрани, придвижвайки зеницата все по-надалеч от лещата и по-близо до единия ръб. Сходно с това, ако хардуерното междуочно разстояние на ВР шлема не е коригиран правилно, това също може да ограничи полезрението. Един често срещан пример е, ако хардуерното междуочно разстояние е твърде малко, то това ограничава полезрението към външната страна.

Напасването също е от значение. Може да регулирате ВР шлема малко така, че да е по-стегнат, разхлабен или да го позиционирате малко разцентровано. Всичко това изважда от полезрението. Въвежда се още повече сложност при предписани очила, което също има тенденция да променя ефективната оптическа стойност на междуочно разстояние. Отвъд физическите неясноти, има допълнителни усложнения от страна на софтуера. Като например отместването на пресечните конуси на проекционната матрица и формата на маскираното целево рендиране, която не е кръгла. Тези неща влияят на полезрението, като го правят асиметрично. Също така, маскирането на панела за композитинга, което е софтуер, контролиращ страничната светлина и хроматичните краища, е динамичен и зависим от или реагиращ на системата за повторна проекция… Това означава, че полезрението за всеки модерен ВР шлем не е напълно статично дори от един до друг кадър.

А всичко от гореупоменатото все още взема предвид полезрение само за едно око. Като се има предвид, че двуочното полезрение добавя пореден слой на сложност, въвеждайки стерео припокриване и изтласквайки ни още по-нататък в сферата на индивидуалното субективно възприятие.

Във всички гореупоменати случаи, взети поотделно, е възможно ефектът да бъде от порядъка на милиметър или два. Но взети заедно, това означава, че: А) е нужна вградена значителна свобода на действие и/или корекция в дизайна на ВР шлема, с цел да предоставите желаното от Вас полезрение на потребителя; и Б) е трудно (или по-скоро невъзможно) да се направи единно обективно, количествено измерване на полезрението, което да предсказва с какво ще се сдобие всеки индивидуален потребител. Това ни кара да сме колебливи, говорейки за полезрението, използвайки едно число, тъй като то никога не се е доближавало до разяснението, което бихме искали да бъде. И така, нека се задълбочим над първото…

Проектиране за полезрение

С цел да се даде възможност на потребителите от страна на „близкото“ разстояние от лещите до очите (и потребителите с очила) изобщо да използват ВР шлем, тези без добра настройка на разстояние от лещите до очите и усърдно внимание към комфорта трябва да са проектирани с дистанцията за разстояние от лещите до очите, която е добре наклонена навън. А това на свой ред оставя две неприятни опции на дизайна. Да се проектира така, че максималното полезрение да е доста ниско за всички. Или да се проектира така, че максималното полезрение да е сравнително висока, но да оставя много потребители с отсечено полезрение и прахосана ъглова резолюция.

Вместо това, при Index ВР шлема запазихме теоретичното максималн полезрение сравнително близо до високия клас на предходното поколение ВР шлемове. А след това се фокусирахме над това да предоставим пълното полезрение за всеки потребител. Това беше направено с комбинация от редица дизайнерски елементи, които заедно допринасят за голяма разлика в ефективното полезрение и комфорта:

1. Междуочно разстояние:
   На първо място и преди всичко, въведохме физични корекции на разстоянието от лещите до очите и междуочно такова, с цел да осигурим оптимална номинална очна позиция. А по този начин предоставяме максимален комфорт и полезрение, на колкото се може повече потребители. Освен че е по-лесен за нанасяне на корекции, механизмът за разстоянието от лещите до очите на Index позволява на екрана да стои по-близо до окото в сравнение с ВР шлемовете от предходното поколение. Това означава, че по-голямата част от цялостното изображение, рендирано от видеокартата, се поднася на очите за повечето потребители. Физичният дизайн на Valve Index ВР шлема също установява оптичната подсистема, така че да работи колкото се може по-добре и помага да се ограничи компромисното пространство, в което трябва да оперира;
2. Скосени очни тръби:
   Второ, скосихме сглобяването на всяка леща/екран с 5 градуса, за да оптимизираме вътрешното срещу външното полезрение, а също така да подобрим достъпните вътрешни диапазони за междуочното разстояние. Първата облага от скосения подход е проста: Сбутва още няколко градуса от полезрението към външните страни, за сметка на вътрешните на всяко око, където в действие влиза стерео припокриването. Разбира се то все още е жизненоважно. Скосяването просто предоставя начин да се запази високата ъгловата резолюция на системата, докато същевременно с това се стреми към по-високото цялостно двуочно полезрение, която се надявахме да предоставим.
   
   Основният недостатък на скосяването е, че както съществуващата библиотека със софтуерно съдържание, така и сферата на хардуерно рендиращите видеокарти типично са оптимизирани за паралелни очи. За щастие, е възможно това лесно да се компенсира в софтуера, използвайки техниките за повторна проекция, на които вече разчитаме, за поддържането на постоянна честота на кадрите. Нужно е само да правим по нещо малко на всеки кадър… По този начин е възможно миналите, настоящите и бъдещите приложения да продължат паралелното рендиране, както винаги, а така винаги „просто ще работят“ за ВР шлемове с леко скосени ъгли;
3. Геометрия на лещата:
   Трето, направихме предната повърхност на лещата много по-плоска. Това позволява на окото удобно да се доближават повече до лещата, особено за хора, използващи очила. Въпреки че този ефект да е от порядъка на няколко милиметра, забелязали сме как дори и най-малкото помага. Също така, въпреки че технически е възможно да се подходи към това по друг способ, като се увеличава свободната апертура, има очевидна практична граница за външния диаметър на лещата, която би паснала във ВР шлем и същевременно с това все още би предоставяла достатъчен диапазон на междуочното разстояние, с цел да предложи добро преживяване на широкообхватна бройка потребители.

Освен главните три, има и няколко други аспекти при дизайна на ВР шлем, оказващи влияние на полезрението, които си заслужава да бъдат споменати. Това е така, защото трябваше да ги вземем предвид при проектирането на Index.

• Диаметър на лещата — Поддържахме голям диаметър на лещата от 50 милиметра. Така окото може да поддържа удобно разстояние и все още да получава високо, геометрично стабилно полезрение. Това беше подходът ни, тъй като лещите с по-малък диаметър намаляват ефективната светлинна бленда на окото и могат бързо да се превърнат в ограничаващ фактор за полезрението;
• Яснота от единия до другия край — Новият дизайн за обектива на Index позволява по-равномерна яснота в цялото оптично поле. Ако не е от достатъчно високо качество, допълнителното полезрение може да не е чак толкова полезно, колкото бихме искали;
• Геометрична стабилност — При увеличаването на полезрението става все по-трудно да се пригаждат изкривявания, както и да се поддържа геометрично стабилно изображение. Нестабилността идва от много фактори, но най-ясно се изявява като потреперване в света за неща, които трябва да изглеждат солидни. А вместо това се полюляват като желатин, докато движите главата си. Вярваме, че предоставянето на геометрична стабилност е аспект от съществено значение критичен за дългосрочния комфорт и устойчив растеж за използването на ВР.

Ето защо има десетки съображения, които оказват влияние върху полезрението, и всички трябва да бъдат проектирани заедно. Така ще се увеличи максималното действително предоставено полезрение в цялата потребителска база.

В заключение:

• Index ВР шлема максимизира полезрението, като позволява лещите да стоят много по-близо до очите Ви, дори с пълната пяна за лицевото уплътнение;
• Полезрението, рендирано от видеокартата за Index, е сходно с това на Vive или Vive Pro, но повече от този изглед се предоставя на по-големия брой потребители;
• Внимателният дизайн на Index поднася по-високо ефективно полезрение на индивидуалния потребител, без да се жертват пиксели за градус;
• Скосените очни тръби ефективно изместват малка стойност хоризонтално полезрение отвътре навън, което ги прави по-балансирани;
• Наистина е трудно да се използва единно число, така че ефективно да се опише полезрението на ВР шлема.

*Зеницата има предвид спирането на системата, докато отчита всяко пречупване или отражение, което може да възникне в системата. Това може да включва спиране, входна или изходна зеница на системата.