Izlazne tehnologije: zasloni, optika, zvuk i haptika

Put svjetla od zaslona do oka

Zaslon u naočalama udaljen je od oka samo nekoliko centimetara, a oko se na tako blizak predmet ne može izoštriti. Zato između zaslona i oka stoji leća koja od slike zaslona stvara virtualnu sliku na većoj udaljenosti, najčešće reda veličine jednog do dva metra. Oko se akomodira na tu udaljenost bez obzira na to koliko je virtualni predmet daleko, što je uzrok sukoba vergencije i akomodacije opisanog u jedinici o percepciji. Svako oko ima svoj zaslon ili svoju polovicu zajedničkog zaslona i svoju leću, pa sustav prikazuje stereo par, dvije slike iz malo pomaknutih točaka.

Dvije veličine s crteža određuju udobnost. Odmak oka (engl. eye relief) je razmak od leće do oka; o njemu ovisi ima li mjesta za dioptrijske naočale i koliko se vidnog polja gubi kad se naočale odmaknu od lica. Kutija oka (engl. eye box) je prostor u kojem zjenica smije biti, a da slika ostane oštra i cijela. Zato se naočale moraju dobro namjestiti i razmak leća prilagoditi razmaku zjenica (IPD). Uređaj A ima mehaničko podešavanje IPD-a od 58 do 72 mm.

Zasloni: LCD, OLED i mikro-OLED

U naočalama se koriste tri skupine zaslona. LCD (engl. liquid crystal display) propušta ili zadržava svjetlo pozadinskog osvjetljenja; za VR se koriste brze inačice s kratkim vremenom prebacivanja, a novije imaju pozadinsko osvjetljenje s mnogo malih zona (engl. mini-LED) koje se mogu lokalno zatamniti. OLED (engl. organic light-emitting diode) ima piksele koji sami svijetle, pa je crna stvarno crna, a odziv vrlo brz. Mikro-OLED je OLED izrađen izravno na silicijskoj podlozi: vrlo mali zaslon s vrlo velikom gustoćom piksela, pogodan za kompaktne leće.

Za gledatelja je važan i efekt mrežice (engl. screen-door effect): pri maloj gustoći piksela vide se tamni razmaci između piksela, kao da se gleda kroz mrežu protiv komaraca. Na suvremenim naočalama efekt je slab, ali se još može uočiti na jednoličnim svijetlim plohama, npr. na bijelom zidu laboratorija VR-1.

Leće: Fresnelove i pancake

Fresnelova leća (engl. Fresnel lens) je tanka leća kod koje je zakrivljena ploha razlomljena u koncentrične prstenove. Lagana je i jeftina, ali stepenice prstenova raspršuju svjetlo: oko svijetlih predmeta na tamnoj podlozi vide se zrake i odsjaji (engl. god rays), a oštro je uglavnom središte slike. Zaslon mora biti razmjerno daleko od leće, pa su naočale dublje i teže ispred lica.

Pancake leća presavija optički put: svjetlo se između djelomično propusnog zrcala i polarizacijskih slojeva nekoliko puta odbije prije nego što izađe prema oku. Tako je zaslon mnogo bliže leći, naočale su tanje i težište bliže glavi, a slika oštrija do ruba. Cijena je gubitak svjetla, jer svaki prolaz kroz polarizator i djelomično zrcalo odbaci dio svjetla, pa zaslon mora biti znatno svjetliji.

Obje vrste leća izobličuju sliku jastučasto i razlažu boje (kromatska aberacija). Pokretač to ispravlja programski: sliku unaprijed izobliči bačvasto, a kanale boja pomakne različito. Zbog toga aplikacija iscrtava sliku veće razlučivosti od razlučivosti zaslona, često za trećinu i više po svakoj osi, kako bi u središtu nakon ispravka ostalo dovoljno detalja. Taj omjer ovisi o optici i pokretaču, pa se čita iz njegovih postavki, a ne pretpostavlja.

Frekvencija osvježavanja i niska postojanost

Frekvencija osvježavanja (engl. refresh rate) određuje koliko je vremena na raspolaganju za jedan okvir. Pri 72 Hz okvir traje 13,9 ms, pri 90 Hz 11,1 ms, a pri 120 Hz samo 8,3 ms. Uređaji A i B u primjeru rade na 90 Hz, a A može i na 120 Hz. Viša frekvencija daje glađe kretanje i manje kašnjenje, ali traži snažniju grafiku; za VR-1 odabrano je 90 Hz jer tako oba uređaja rade s istim budžetom.

Druga važna značajka je niska postojanost (engl. low persistence). Kad bi svaki piksel svijetlio cijelih 11,1 ms, dok se glava okreće slika bi stajala, a oko bi se nastavilo pomicati, pa bi se predmeti razmazali. Zato zasloni u naočalama svijetle samo kratko, npr. oko 2 ms, a ostatak okvira su tamni. Pri okretu glave od 100 °/s razmaz uz postojanost od 2 ms iznosi 0,2°, odnosno oko 4 piksela na uređaju A, a uz punu postojanost od 11,1 ms bio bi oko 1,1° ili 23 piksela. Posljedica niske postojanosti je blago treperenje koje neki korisnici primijete na 72 Hz, a rijetko na 90 Hz.

Razlučivost, piksela po stupnju i vidno polje

Broj piksela zaslona sam po sebi ne govori koliko je slika oštra, jer se isti pikseli rašire na različito vidno polje. Mjera oštrine je broj piksela po stupnju (engl. pixels per degree, PPD), približno vodoravna razlučivost po oku podijeljena s vodoravnim vidnim poljem. Uređaj A ima 2448 piksela na oko 116°, što daje oko 21 piksel po stupnju; uređaj B ima 2064 piksela na oko 110°, oko 19 piksela po stupnju. To su prosjeci; u središtu slike, gdje leća najmanje rasteže, gustoća je veća, a prema rubu manja.

Oko zdrave osobe razlučuje oko jedne kutne minute, tj. oko 60 piksela po stupnju. Za takvu oštrinu na 116° bilo bi potrebno gotovo 7000 piksela po oku. Suvremene naočale su, dakle, još daleko od „mrežničke“ oštrine, što izravno utječe na sadržaj: natpis na točki interesa u VR-1 koji se čita s udaljenosti od 1 m treba biti visok barem 10 do 12 mm (12 do 14 piksela), inače je slova teško razaznati; za udobno dulje čitanje preporučuje se oko 17 mm, odnosno oko 1° vidnog kuta (jedinica 1.6). Ista pravila vrijede za oznake na dijelovima robota MR-1.

Vidno polje (engl. field of view, FOV) naočala mjeri se vodoravno, okomito i dijagonalno, a proizvođači ne navode uvijek istu veličinu, pa brojke nisu izravno usporedive. Važno je i binokularno preklapanje, dio polja koji vide oba oka i u kojem postoji stereo dojam dubine. Ljudsko vidno polje vodoravno obuhvaća oko 200°, pa korisnik u naočalama uvijek vidi crni rub; što je polje uže, to je dojam gledanja „kroz ronilačku masku“ jači.

Prostorni zvuk i haptika

Prostorni zvuk (engl. spatial audio) daje izvoru zvuka smjer i udaljenost. Mozak smjer određuje iz razlike vremena dolaska zvuka do dvaju ušiju (najviše oko 0,6 ms za glavu širine 0,2 m), razlike glasnoće i promjene boje zvuka koju uzrokuju glava i vanjsko uho. Taj se utjecaj opisuje funkcijom prijenosa glave (engl. head-related transfer function, HRTF). Pogon za zvuk za svaki izvor i svaku pozu glave primjenjuje HRTF, pa zvuk motora robota MR-1 ostaje na stolu i kad se korisnik okrene. Naočale imaju ugrađene zvučnike blizu ušiju ili priključak za slušalice; zvučnici ostavljaju korisnika svjesnim okoline, a slušalice daju bolju izolaciju i precizniji smjer.

Haptika (engl. haptics) vraća osjet dodira. U kontrolerima su vibracijski motori: stariji s ekscentričnom masom (ERM) i noviji linearni rezonantni aktuatori (LRA), koji se brže pale i gase i mogu stvoriti kratke, oštre impulse. Aplikacija preko akcije za haptiku zadaje amplitudu, trajanje i, gdje uređaj to podržava, frekvenciju vibracije. Postoje i haptičke rukavice i uređaji s povratnom silom koji zaustavljaju prste, ali se u nastavi koriste rijetko.

Gustoća piksela i opterećenje iscrtavanja

Računski prikaz povezuje zaslon s opterećenjem grafičke kartice. Broj piksela po stupnju dobiva se dijeljenjem vodoravne razlučivosti vidnim poljem. Broj piksela koje treba iscrtati u sekundi jednak je umnošku razlučivosti obaju očiju, kvadrata skale iscrtavanja i frekvencije, a vrijeme okvira recipročna je vrijednost frekvencije.

PPD = w / FOV    N = 2 · w · h · s² · f    t_ok = 1000 / f

Za uređaj A (2448 × 2448 px po oku, 116°, 90 Hz, skala 1,0) dobiva se oko 21 piksel po stupnju, vrijeme okvira od 11,1 ms i oko 1079 milijuna piksela u sekundi. Ako se zbog ispravka izobličenja iscrtava sa skalom 1,3, broj piksela naraste na oko 1823 milijuna u sekundi, 69 % više, uz isti budžet od 11,1 ms. Za uređaj B (2064 × 2208 px, 110°) gustoća je oko 19 piksela po stupnju, a opterećenje pri skali 1,0 oko 820 milijuna piksela u sekundi, ali ga podnosi znatno slabiji procesor u naočalama. Zato se za B broj trokuta i poziva za crtanje u VR-1 ograničava strože.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V5 Proračun vremena okvira, kašnjenja i gustoće piksela · 2 sata