深入了解Valve Index的FOV視場設計

科技 06-20

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很難用單個數字來描述頭顯的視場。

（映維網 2019年06月19日）當Valve開始開發Index頭顯時，Valve的一個主要目標是提高VR體驗的整體保真度，包括視覺，音頻，人體工學和追蹤質量等等。顯然，提供寬視場是視覺保真度的關鍵要素：它可以增加沉浸感，使頭顯佩戴更為舒適，並且根據經驗，它可以提高遊玩體驗的滿意度。

1. 視場相關概念

角像素解析度：角解析度度以每度像素（PPD）為單位測量，是影響虛擬世界銳度和真實感的主要因素。對於頭顯設計，角解析度由顯示解析度和視場驅動。遺憾的是，當可用像素在巨大的感知區域上展開時，提供大視場將直接降低角解析度。顯然，這是頭顯設計中的一個關鍵權衡，因為視覺清晰度和視場對於優秀VR而言都十分重要。完整的視覺清晰度涉及眾多因素，不僅僅只是每度像素，同時包含亞像素布局，填充因子，光學，甚至是人體工學（但不是今天要探討的話題）。

顯示刷新率和顯示照明時間（視覺暫留）：對於桌面PC，你應該明白更高刷新率的優勢。但對於VR而言，顯示器是穿戴於頭部，而頻繁的更新和較低的視覺暫留都是減少運動模糊的關鍵。與提高解析度類似，減少運動模糊有助於提高系統的感知清晰度。但它同時提供了單靠增加每度像素所無法實現的其他增益：它提高了虛擬對象的物理持續感，同時增強了虛擬環境的整體穩定性。由於人類視覺的生理因素，隨著視場的增加，所述品質的重要性將隨之增加。

2. 什麼是VR視場？

光學領域包含一套與視場相關的術語和慣例。VR有所不同，並且在很多方面都有著非傳統的要求，所以Valve傾向於採用不同的術語。對於非VR光學系統，光瞳位置固定、面板或感測器尺寸定義了給定透鏡的視場。這時，你很容易通過水平、垂直和對角線等術語來描述視場。這主要是通過測量從光學系統光瞳到感測器或面板邊緣的數值得出。但對於VR光學系統，光瞳涉及人類瞳孔位置（包括適眼距和IPD位置），頭顯透鏡光圈（出於人體工程學原因，它們通常不是圓形），透鏡焦距，顯示器尺寸，以及雙眼之間的關係。所以，測量VR光學的視場更加複雜。（Valve使用適眼距來指代透鏡和眼睛之間的距離）。

根據設計不同，每款頭顯都具有最大可能的單眼視場（與用戶無關）。這是人們通常談論，嘗試測量的要點。但從VR產品設計的角度來看，Valve主要關注每位用戶實際看到的畫面。當Valve開始設計Index時，Valve探究了頭顯的設計，Valve注意到由於頭顯的貼合性和它們各自的面部幾何形狀，用戶獲得的視場經常會比理論最大視場更少。例如，你可以通過基本的三角測量知道，如果眼睛相對於透鏡直徑離透鏡太遠，透鏡將不能覆蓋非常寬的角度，而你無法看到非常大的視場。在這種受限於透鏡的情況下，對於諸如Index這樣旨在提供大於90度視場的頭顯設計，即使是多出一毫米的適眼距，視場都將降低大約3度。

當你穿戴Index時，你可以通過前後滾動適眼距旋鈕來感受視場與適眼距之間的敏感關係，並注意觀察即便是小小的調整都會對視場產生非常大的影響。個體之間的面部幾何形狀差異可以相當輕易地導致適眼距出現 /- 6mm的變化。

當你考慮到其他影響眼睛相對於透鏡的位置的因素時，情況會變得更加複雜。假設你正直視前方，然後開始轉動眼睛，令瞳孔遠離透鏡移動並靠近一邊。同樣，如果未正確調整頭顯的物理IPD，FOV也有可能受到影響。

貼合度同樣重要。你可能會調成很緊或很松，或將頭顯放在偏離中心的位置。所有這一切都會影響視場。眼鏡會帶來更多的複雜性，這同時會改變有效的適眼距數值。除了物理不確定性之外，軟體方面存在其他的複雜情況，例如投影矩陣的偏移平截頭體和掩模渲染目標的形狀不是圓形。它們通過不對稱性來影響視場。另外，作為控制雜散光和彩色邊紋現象的合成器面板掩模是動態的，並且依賴於/響應於二次投影系統……這意味著所有現代頭顯的FOV在幀與幀之間都甚至不是完全靜止。

上述問題只是考慮單眼視場的情況。雙目視場增加了另一層複雜度，帶來了立體重疊，並且進一步深入到個體主觀感知領域。

如果單獨考慮上述的情況，具體的影響可能只是一毫米或兩毫米，但加在一起意味著：1、你需要在頭顯設計中準備顯著的餘量和/或調整；2、很難對視場進行客觀的定量測量（實際上不可能），亦即預測單位用戶實際看到的畫面。所以Valve一直不願意用一個單一的數字來討論視場。

3. 為視場進行設計

為了令頭顯支持儘可能多的用戶，缺乏適宜適眼距調整和沒有重視優化舒適度的頭顯在適眼距方面必須要有偏向性。這反過來給人留下了兩個令人不快的設計選擇：要麼將最大視場設計成對相當低；要麼將最大值設計成相當高，但會給眾多用戶留下截斷的視場，並且造成角度解析度浪費。

對於Index，Valve確保理論最大視場接近於上一代頭顯的最大值，然後專註於為每位用戶提供完整的視場。這通過多種設計元素的組合實現，而它們對有效視場和舒適度產生了巨大的影響：

適眼距：為了向儘可能多的用戶提供最佳的眼位選擇，Valve首先實現了物理適眼距和IPD調整，從而幫助他們實現最大舒適度和最大視場。與上一代頭顯相比，除了更容易調整之外，Index可允許顯示器組件更靠近於眼睛。這意味著GPU渲染的更多完整圖像將能傳遞給大多數用戶的眼睛。Index頭顯的物理設計同時設置了光學子系統，因為它有助於約束其中的權衡空間。

傾斜眼管：其次，為了優化內視場 vs 外視場和優化整體可用的IPD範圍，Valve將每個透鏡/顯示器組件傾斜5度。傾斜方法的第一個優勢非常簡單：它可以向外拓展數度視場，代價是每個眼睛的內側，亦即立體重疊的位置。當然，立體重疊仍然非常重要。傾斜方法可以維持高角解析度，同時幫助實現Valve所希望提供的更高的整體雙目視場。

傾斜方法的主要缺點是，現有的軟體內容庫和GPU渲染硬體通常都是針對並行眼睛進行優化。幸運的是，Valve可以利用能夠維持恆定幀速率的二次投影技術，輕鬆地通過軟體進行補償。Valve只需要在每一幀中調整一點點即可……通過這種方式，過去、現在和未來的應用程序都能夠會像往常一樣繼續並行渲染，並且它們將「適用於」具有少量傾斜角度的頭顯。

透鏡幾何：第三，Valve使透鏡的前表面更加平坦。這使得眼睛可以舒適地靠近透鏡，特別是對於眼鏡用戶而言。儘管產生的效果只是大約幾毫米，但每一點點都將有所幫助。另外，儘管技術上可以通過增加通光孔徑來接近這一點，但對於透鏡外徑有明顯的限制，亦即影響透鏡貼合頭顯並提供足夠的IPD範圍。

除了以上三點外，頭顯設計的其他方面同樣會影響視場，並需要Valve在設計Index時予以考慮。

透鏡直徑：Valve將透鏡直徑保持在50毫米，這樣眼睛可以維持舒適的距離，並且仍然可以獲得幾何穩定的寬視場。Valve一直是採用這樣的方法，因為較小直徑的透鏡會減少眼睛的有效通光孔徑，並且很快就會成為視場的限制因素。

邊緣到邊緣的清晰度：Index的新透鏡設計可在整個光場中實現更均勻的清晰度。如果質量不夠高，額外視場的增益可能會低於Valve的設想。

幾何穩定性：隨著視場的增加，設備將越來越難以適配失真並保持圖像的幾何穩定。不穩定性來自眾多因素，但最明顯的表現是虛擬世界搖晃，亦即當你轉動頭部時，看起來堅實的對象將像明膠一樣波動起伏。Valve相信，提供幾何穩定性是長期舒適性和VR用例持續增長的關鍵一點。

所以，影響視場的因素有很多，而你在設計時必須予以綜合考慮，以確保整個用戶群最大實際的可用視場。

4. 結論：

為了最大化視場，Index支持透鏡更接近於你的眼睛（即便是採用了全墊圈泡沫）。

GPU為Index渲染的視場類似於Vive或Vive Pro，但能夠把更多的視圖傳遞給大多數用戶。

精心設計的Index可為個人用戶提供更有效的視場，同時無需犧牲每度像素數。

傾斜眼管能夠有效地將少量水平視場從裡面移到外面，從而令它們更加平衡。

很難用單個數字來描述頭顯的視場。