Угловое разрешение: почему для очков оно важнее, чем пиксели на дисплее

1317

Когда вы просто смотрите вокруг собственными глазами, между вами и миром нет посредников. Вы воспринимаете его так, как задумала природа, и большей остроты зрения человек добиться пока не может. Любой посредник вносит свои коррективы. Это может быть бинокль, микроскоп, очки — всё влияет на то, с какой чёткостью мы воспринимаем изображение, которое нам показывают.

Пространственные вычисления породили проблему. Очки дополненной и виртуальной реальности показывают изображение на разных расстояниях, пытаясь растянуть маленькие дисплеи на как можно большее поле зрения. На итоговую чёткость изображения влияет слишком много переменных, включая качество оптики, обзорность, физические размеры оптической системы. Разрешение дисплея осталось лишь долей параметров, которые нужно знать, чтобы оценить картинку в очках, которые вы хотите приобрести.

Ему на смену пришёл комплексный параметр, учитывающий все эти факторы и гораздо точнее отражающий, что получает пользователь. Сегодня мы попробуем разобраться с угловым разрешением.

Зачем это вообще знать

При использовании очков дополненной и виртуальной реальности поле зрения ограничено. Его показывают в градусах — чаще по диагонали, а иногда по вертикали или горизонтали. Для очков виртуальной реальности, даже если они могут дополнять реальность через камеры, оно ограничено самим корпусом устройства, за ним ничего нет. А для очков дополненной реальности производители говорят об углах, которые могут перекрывать графикой дисплеи, хотя за их пределами обычно ваше настоящее окружение.

Угловое разрешение или количество пикселей на градус (PPD, pixels per degree) показывает, сколько пикселей будут обслуживать изображение не на дисплее, а за ним — там, где вы его видите. Зная этот параметр, гораздо проще понять, насколько плотной и чёткой будет картинка. Производители по старой памяти пичкают нас разрешением дисплейных панелей, а должны пикселями на градус.

Угловое разрешение позволяет оценить его максимальную детализацию, доступную этой оптике с этими дисплеями в этом корпусе. Лучше в данном устройстве быть не может.

Количество пикселей на градус определяет, сколько пикселей приходится на каждый градус вашего поля зрения. Например, если дисплей имеет разрешение 2160×1200 пикселей и угол зрения равен 100 градусам, то угловое разрешение будет примерно 21 пиксель на градус.

Максимальный PPD в центре, — уточняет Илья Жегар, инженер-исследователь Varjo и автор YouTube-канала ТиТ VR, — и чем дальше к краям, тем значение меньше, поскольку меньшее количество пикселей растягивается на больший градус. Из последних демонстрацию этого эффекта показывали в анонсе улучшений Bigscreen Beyond.

Каким должно быть угловое разрешение, чтобы человек не мог разглядеть отдельные пиксели

Специалиcты сходятся во мнении, что для большинства людей это 60 пикселей на градус, после которого разглядеть отдельные точки будет невозможно. Такой дисплей будет иметь разрешение 7200×8100 и 58 320 000 пикселей. В стереопаре это 14 400×8100 и 117 миллионов пикселей (углы обзора 135° по вертикали и 120° по горизонтали).

Для примера, угловое разрешение Pico 4 — 20,6 пикселей на градус, Quest Pro — 22 пикселя на градус, Varjo Aero за $2000 подошли к 35, а некоторые профессиональные устройства, вроде старших очков в линейке Varjo, перешагнули искомую границу, но по цене и сложности конструкции находятся далеко за пределами массового рынка.

Первыми потребительскими ретинальными очками, в которых мы уже не увидим пиксели, могут стать Apple Vision Pro. На момент написания этой статьи есть лишь слухи, но они очень обнадёживают. Речь там идёт о 50–70 пикселях на градус.

Как вычислять угловое разрешение

Для вычисления углового разрешения необходимо знать количество пикселей на экране и угол поля зрения. Формула вычисления углового разрешения выглядит следующим образом:

Угловое разрешение = количество пикселей / (2 * tg (угол поля зрения / 2))

Здесь количество горизонтальных пикселей — это количество пикселей на дисплее в горизонтальном направлении, а угол поля зрения — это угол между линией зрения пользователя и крайними точками поля зрения в горизонтальном направлении.

Например, если у очков дополненной реальности есть экран с разрешением 1080×1200 пикселей на глаз, и угол поля зрения составляет 110 градусов, то угловое разрешение можно вычислить следующим образом:

Угловое разрешение = 1080 / (2 * tg (110 / 2)) = 9,22 пикселя на градус

Таким образом, для вычисления углового разрешения необходимо иметь данные о количестве пикселей на экране и угле поля зрения.

Схема от Pimax
Схема от SimulaVR

Важно ли знать угловое разрешение по вертикали, горизонтали и диагонали

Да, вычисление углового разрешения по вертикали, горизонтали и диагонали может быть важным для полной оценки качества изображения. Разрешение может отличаться в зависимости от направления подсчёта. Это знание позволяет избежать уловок, когда производитель говорит о 8K, но на самом деле это 8K по горизонтали, а по вертикали у вас старая-добрая пиксельная лесенка. Но это сложно, поэтому все пользуются простым общим значением PPD.

Если у дисплея очков виртуальной реальности разрешение 3600 пикселей по горизонтали и 1920 пикселей по вертикали, а угол зрения 106 градусов по горизонтали и 96 градусов по вертикали, горизонтальное угловое разрешение составляет около 15,87, вертикальное — 10,78, а диагональное — 18,77 пикселей на градус.

Примечательно, что в авиационных тренажёрах (применительно к системам имитации визуальной обстановки закабинного пространства) традиционно указывают в качестве одного из основных параметров угловое разрешение пикселя в градусах, минутах, секундах, — комментирует Евгений Тюлин, генеральный директор ОКБ Сокол. — То есть «тренажёрщикам» привычнее, например, 21 пикселя на градус видеть 0 градусов 2 минуты 51 угловую секунду. Человеческое зрение перестаёт различать точку меньше 25 угловых секунд (144 пикселя на градус), и это значение справедливо для центральной зоны поля зрения.

Почему очки всё равно придётся примерять

Мы попросили прокомментировать тему Илью Зеленского, инженера и предпринимателя из проекта iFlexible. Он отмечает особенно влияние, которое оказывает оптика. Из-за этого пользователю важно понять, как линзы конкретных очков меняют итоговое качество изображения. Разные линзы при одном PPD дадут разную чёткость с искажениями в разных местах:

При выборе очков, если есть возможность сравнить модели, логично сделать упор на то, как читается текст. Для чтения угловое разрешение гораздо важнее, чем для видео или игры. В динамике картинка в глазах всё равно смазывается.

 

Многое зависит от качества и типа оптики. Если она дешёвая или простая, она смажет мелкие пиксели. Это ведёт к хроматизму, смешиванию цветов в точке восприятия. С линзами Френеля даже при очень высоком разрешении картинка будет нечёткой.

 

Поэтому делают асферические и сложные линзы. На их краях и стыках идут искажения, но обычно их с переменным успехом компенсируют программно. Асферика может компенсировать их by design. Если компенсации нет, высокое угловое разрешение будет только по центру.

Резюмируем

Как и в других устройствах, PPD — тоже не идеальный параметр. На изображение будут влиять его кодирование, структура линз и многое другое. Но лучшего параметра у нас нет.

Большинство наших читателей знакомо хотя бы с одной популярной моделью очков. А PPD лучше всего воспринимать в сравнении. За точку отсчёта можно взять угловое разрешение Quest 2 — около 20 пикселей на градус. Чуть выше, но сравнимо разрешение Pico 4. У Quest Pro — 22 пикселя на градус, они играют почти в той же лиге, пусть и не по цене.

Заметное повышение дают Vive Focus 3 с примерно 25 PPD. Varjo Aero гораздо интереснее с их 35 PPD. Цены в этом сегменте приближаются к $1500 и $2000 соответственно.

Наконец, ретинальное разрешение есть у Varjo VR-3 — более 70 пикселей на градус. Они стоят больше $5000 и имеют нюанс: такое разрешение только в небольшой области по центру поля зрения. Apple в Vision Pro может достичь 50–70 PPD по всему полю зрения при цене $3500, однако это пока слухи.

Постоянный прогресс в дисплеях и оптике позволяет прогнозировать, что ретинальные очки спустятся в сегмент до $1000 в течение пяти-семи лет. Но уже после 30–35 PPD, по ощущениям автора статьи, можно будет перестать думать о разрешении как о чём-то критичном, переключившись на гонку других характеристик, как в своё время случилось со смартфонами.

Не пропускайте важнейшие новости о дополненной и виртуальной реальности — подписывайтесь на Голографику в Telegram, ВК и Twitter! Поддержите проект на Boosty.

Далее: Как разрабатывать для visionOS: все лекции с WWDC 2023