深入了解Valve Index的FOV视场设计

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很难用单个数字来描述头显的视场。

映维网 2019年06月19日)当Valve开始开发Index头显时,Valve的一个主要目标是提高VR体验的整体保真度,包括视觉,音频,人体工学和追踪质量等等。显然,提供宽视场是视觉保真度的关键要素:它可以增加沉浸感,使头显佩戴更为舒适,并且根据经验,它可以提高游玩体验的满意度。

1. 视场相关概念

角像素分辨率:角分辨率度以每度像素(PPD)为单位测量,是影响虚拟世界锐度和真实感的主要因素。对于头显设计,角分辨率由显示分辨率和视场驱动。遗憾的是,当可用像素在巨大的感知区域上展开时,提供大视场将直接降低角分辨率。显然,这是头显设计中的一个关键权衡,因为视觉清晰度和视场对于优秀VR而言都十分重要。完整的视觉清晰度涉及众多因素,不仅仅只是每度像素,同时包含亚像素布局,填充因子,光学,甚至是人体工学(但不是今天要探讨的话题)。

显示刷新率和显示照明时间(视觉暂留):对于桌面PC,你应该明白更高刷新率的优势。但对于VR而言,显示器是穿戴于头部,而频繁的更新和较低的视觉暂留都是减少运动模糊的关键。与提高分辨率类似,减少运动模糊有助于提高系统的感知清晰度。但它同时提供了单靠增加每度像素所无法实现的其他增益:它提高了虚拟对象的物理持续感,同时增强了虚拟环境的整体稳定性。由于人类视觉的生理因素,随着视场的增加,所述品质的重要性将随之增加。

2. 什么是VR视场?

光学领域包含一套与视场相关的术语和惯例。VR有所不同,并且在很多方面都有着非传统的要求,所以Valve倾向于采用不同的术语。对于非VR光学系统,光瞳位置固定、面板或传感器尺寸定义了给定透镜的视场。这时,你很容易通过水平、垂直和对角线等术语来描述视场。这主要是通过测量从光学系统光瞳到传感器或面板边缘的数值得出。但对于VR光学系统,光瞳涉及人类瞳孔位置(包括适眼距和IPD位置),头显透镜光圈(出于人体工程学原因,它们通常不是圆形),透镜焦距,显示器尺寸,以及双眼之间的关系。所以,测量VR光学的视场更加复杂。 (Valve使用适眼距来指代透镜和眼睛之间的距离)。

根据设计不同,每款头显都具有最大可能的单眼视场(与用户无关)。这是人们通常谈论,尝试测量的要点。但从VR产品设计的角度来看,Valve主要关注每位用户实际看到的画面。当Valve开始设计Index时,Valve探究了头显的设计,Valve注意到由于头显的贴合性和它们各自的面部几何形状,用户获得的视场经常会比理论最大视场更少。例如,你可以通过基本的三角测量知道,如果眼睛相对于透镜直径离透镜太远,透镜将不能覆盖非常宽的角度,而你无法看到非常大的视场。在这种受限于透镜的情况下,对于诸如Index这样旨在提供大于90度视场的头显设计,即使是多出一毫米的适眼距,视场都将降低大约3度。

当你穿戴Index时,你可以通过前后滚动适眼距旋钮来感受视场与适眼距之间的敏感关系,并注意观察即便是小小的调整都会对视场产生非常大的影响。个体之间的面部几何形状差异可以相当轻易地导致适眼距出现+/- 6mm的变化。

当你考虑到其他影响眼睛相对于透镜的位置的因素时,情况会变得更加复杂。假设你正直视前方,然后开始转动眼睛,令瞳孔远离透镜移动并靠近一边。同样,如果未正确调整头显的物理IPD,FOV也有可能受到影响。

贴合度同样重要。你可能会调成很紧或很松,或将头显放在偏离中心的位置。所有这一切都会影响视场。眼镜会带来更多的复杂性,这同时会改变有效的适眼距数值。除了物理不确定性之外,软件方面存在其他的复杂情况,例如投影矩阵的偏移平截头体和掩模渲染目标的形状不是圆形。它们通过不对称性来影响视场。另外,作为控制杂散光和彩色边纹现象的合成器面板掩模是动态的,并且依赖于/响应于二次投影系统……这意味着所有现代头显的FOV在帧与帧之间都甚至不是完全静止。

上述问题只是考虑单眼视场的情况。双目视场增加了另一层复杂度,带来了立体重叠,并且进一步深入到个体主观感知领域。

如果单独考虑上述的情况,具体的影响可能只是一毫米或两毫米,但加在一起意味着:1、你需要在头显设计中准备显著的余量和/或调整;2、很难对视场进行客观的定量测量(实际上不可能),亦即预测单位用户实际看到的画面。所以Valve一直不愿意用一个单一的数字来讨论视场。

3. 为视场进行设计

为了令头显支持尽可能多的用户,缺乏适宜适眼距调整和没有重视优化舒适度的头显在适眼距方面必须要有偏向性。这反过来给人留下了两个令人不快的设计选择:要么将最大视场设计成对相当低;要么将最大值设计成相当高,但会给众多用户留下截断的视场,并且造成角度分辨率浪费。

对于Index,Valve确保理论最大视场接近于上一代头显的最大值,然后专注于为每位用户提供完整的视场。这通过多种设计元素的组合实现,而它们对有效视场和舒适度产生了巨大的影响:

  1. 适眼距:为了向尽可能多的用户提供最佳的眼位选择,Valve首先实现了物理适眼距和IPD调整,从而帮助他们实现最大舒适度和最大视场。与上一代头显相比,除了更容易调整之外,Index可允许显示器组件更靠近于眼睛。这意味着GPU渲染的更多完整图像将能传递给大多数用户的眼睛。Index头显的物理设计同时设置了光学子系统,因为它有助于约束其中的权衡空间。
  2. 倾斜眼管:其次,为了优化内视场 vs 外视场和优化整体可用的IPD范围,Valve将每个透镜/显示器组件倾斜5度。倾斜方法的第一个优势非常简单:它可以向外拓展数度视场,代价是每个眼睛的内侧,亦即立体重叠的位置。当然,立体重叠仍然非常重要。倾斜方法可以维持高角分辨率,同时帮助实现Valve所希望提供的更高的整体双目视场。

倾斜方法的主要缺点是,现有的软件内容库和GPU渲染硬件通常都是针对并行眼睛进行优化。幸运的是,Valve可以利用能够维持恒定帧速率的二次投影技术,轻松地通过软件进行补偿。Valve只需要在每一帧中调整一点点即可……通过这种方式,过去、现在和未来的应用程序都能够会像往常一样继续并行渲染,并且它们将“适用于”具有少量倾斜角度的头显。

  1. 透镜几何:第三,Valve使透镜的前表面更加平坦。这使得眼睛可以舒适地靠近透镜,特别是对于眼镜用户而言。尽管产生的效果只是大约几毫米,但每一点点都将有所帮助。另外,尽管技术上可以通过增加通光孔径来接近这一点,但对于透镜外径有明显的限制,亦即影响透镜贴合头显并提供足够的IPD范围。

除了以上三点外,头显设计的其他方面同样会影响视场,并需要Valve在设计Index时予以考虑。

  1. 透镜直径:Valve将透镜直径保持在50毫米,这样眼睛可以维持舒适的距离,并且仍然可以获得几何稳定的宽视场。Valve一直是采用这样的方法,因为较小直径的透镜会减少眼睛的有效通光孔径,并且很快就会成为视场的限制因素。
  2. 边缘到边缘的清晰度:Index的新透镜设计可在整个光场中实现更均匀的清晰度。如果质量不够高,额外视场的增益可能会低于Valve的设想。

3.几何稳定性:随着视场的增加,设备将越来越难以适配失真并保持图像的几何稳定。不稳定性来自众多因素,但最明显的表现是虚拟世界摇晃,亦即当你转动头部时,看起来坚实的对象将像明胶一样波动起伏。Valve相信,提供几何稳定性是长期舒适性和VR用例持续增长的关键一点。

所以,影响视场的因素有很多,而你在设计时必须予以综合考虑,以确保整个用户群最大实际的可用视场。

4. 结论:

  1. 为了最大化视场,Index支持透镜更接近于你的眼睛(即便是采用了全垫圈泡沫)。
  2. GPU为Index渲染的视场类似于Vive或Vive Pro,但能够把更多的视图传递给大多数用户。
  3. 精心设计的Index可为个人用户提供更有效的视场,同时无需牺牲每度像素数。
  4. 倾斜眼管能够有效地将少量水平视场从里面移到外面,从而令它们更加平衡。
  5. 很难用单个数字来描述头显的视场。
原文链接https://yivian.com/news/62600.html
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