CC BY
21
УДК 681.7.014.2
ТРЕБОВАНИЯ К ОПТИЧЕСКИМ СИСТЕМАМ ДЛЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ДИСПЛЕЕВ
Чжэел Рю1, Н. В. Муравьев2, А. Н. Путилин3
В настоящее время существует много типов виртуальных дисплеев и с каждым годом появляются новые. Однако подавляющее большинство из них оказываются технически неприменимыми из-за того, что не соответствуют ряду ключевых факторов, связанных с физиологией глаза. В данной работе представлены общие требования к оптическим системам виртуальных дисплеев с учетом физиологии глаза человека.
Ключевые слова: физиология глаза, Eye Box, FoV, Eye relief, VR, AR, HMD.
Введение. По принципу формирования виртуального изображения или оптическим схемам виртуальные дисплеи (ВД) называют: Near-Eye-Display [1], Retinal Scanning Display [2], Pinlight Display [3], See-through display [4, 5] и т.п. В исследованиях, связанных с ВД, глаз наблюдателя не является пассивным элементом и должен быть включен в исследуемую оптическую схему. Но в большинстве работ предлагают и исследуют оптические схемы ВД без физиологических особенностей глаза человека. Результаты данных работ оказываются неприменимыми для создания технически успешных продуктов, хотя в них получен хороший результат по некоторым параметрам: большое поле зрения (FoV), большая зона видения виртуального изображения (ЗВВИ, английская версия: Eye Box), большое расстояние от ВД до глаза (Eye relief), малые габариты и так далее. Однако перечисленные параметры тесно связаны друг с другом и физиологией глаза человека, что требует комплексного подхода при изучении данной проблемы.
В данной работе определены требования к оптической системе ВД с учетом физиологии глаза человека: поле зрения, движение глаза и разрешение глаза.
1 Московский физико-технический институт (МФТИ), 141700 Россия, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., 9; e-mail: Jaeyeol.ryu@phystech.edu.
2 МГТУ им. Н. Э. Баумана, 105005 Россия, Москва, 2-я Бауманская, дом 5, стр. 1.
3 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: putilinan@sci.lebedev.ru.
Зависимость требований от области применения. Требуемые поле зрения и разрешение могут быть определены областью применения ВД. На рис. 1 представлен ряд возможных применений ВД и соответствующие им поле зрения и разрешение.
Поле зрения и разрешение разделены по 3 группам, по полю зрения: малое (< 30°), среднее (30-60°), большое (> 60°); по разрешению: низкое (< 20 pixel/°), среднее (2040 pixel/°) и высокое (> 40 pixel/°).
Максимальные разрешение и поле зрения необходимо обеспечить для дисплеев игровых консолей. Они составляют 40 pixel/° и 80°, а для остальных применений разрешение и поле зрения могут быть ниже.
Область применения Поле зрения (гор./вер. ["]) Разрешение
Ифы Большое (80/80) Высокое
Дизайн одежды Среднее (30/80) Высокое
ЗД-моделироваине Среднее (60/60) Высокое
Кино Среднее (40/30) Высокое
Интерьер Большое (70/70) Среднее
Образовательная цель: спорт и вождение машины и самолета Среднее (60/60) среднее
Научная цель: операции в медицине, эксперименты Среднее (60/60) среднее
Чтение книг Среднее (40/30) Среднее
Рабочий монитор (24 дюймов) Среднее (40/22) Среднее
Видео звонок Среднее (35/35) Среднее
Навигация Среднее (40/40) Низкое
Сообщение Малое (10/22) Низкое
Разрешение
(а)
Уровень сложности
Высокое
Среднее
Низкое
Кино, дизайн одежд 30 модел. Игры
Видео звонок Чтение книг, Раб. монитор Обр.цель, Научн.цель Интерьер
Сообщение Навигация
Сложно
I
(б)
30
60
Поле 90 зрения
Легко
Рис. 1: Область применения, требуемые поле зрения и разрешение для соответствующего применения.
Влияние разрешения глаза на требования ВД. Разрешение глаза человека достигает 60 пикселей на градус только в области центрального зрения (области центральной ямки - Fovea), которая совпадает с оптической осью глаза, а вне этой области разрешение резко падает [6], так как плотность фоторецепторов (колбочек и палочек) снижается [7]. По этим причинам, когда человек хочет рассмотреть объект в подробностях, сперва глаз рефлекторно поворачивается с помощью глазодвигательных мышц так, чтобы объект попал в область Fovea, а потом голова поворачивается к тому же объекту для снижения напряженности глазодвигательных мышц [8]. Однако глаз обычно совершает перемещения в широком диапазоне, поэтому оптическая система ВД должна обеспечить большую ЗВВИ. Если ЗВВИ мала, то при повороте глаза зритель перестанет видеть часть виртуального изображения. Важно отметить, что чем больше поле зрения у системы ВД, тем больше ЗВВИ требуется (будет рассмотрено в следующем параграфе).
Зависимость поля зрения от ЗВВИ. Обычно оптическая система ВД проектируется так, чтобы ЗВВИ находилась в зрачке глаза наблюдателя. Когда человек хочет увидеть объект, находящийся на угловом расстоянии а от центрального зрения, глаз поворачивается на угол а, соответственно зрачок глаза перемещается относительно номинального положения ЗВВИ. Это перемещение зависит от угла поворота глаза а и радиуса стекловидного тела R (см. рис. 2).
Параметр ЗВВИ характеризует степень виньетирования поля зрения оптической системы с требуемым качеством, а не равномерность яркости виртуального изображения по полю. В связи с этим предложены три типа ЗВВИ (ЗВВИном, ЗВВИмин и ЗВВИмак), каждый из которых характеризует равномерность яркости по полю: ЗВВИмак - равномерная освещенность виртуального изображения по полю; ЗВВИном - крайнее поле видно с половиной яркости относительно центрального поля; ЗВВИмин - крайнее поле видно с яркостью, близкой нулю.
Номинальный ЗВВИном определяется смещением оптической оси глаза при повороте глаза на угол, равный половине углового поля зрения, ЗВВИмин - смещением "внутренних" краев зрачка глаза и ЗВВИмак - смещением "наружных" краев зрачка (см. рис. 2(а)). Для поля зрения 80° необходимо обеспечить ЗВВИном = 14.5 мм, ЗВВИмин = 12.2 мм, ЗВВИмак = 16.8 мм при диаметре зрачка глаза 3 мм.
Влияние положения глаза (Eye relief) на поле зрения. Исследовано оптимальное положение глаза относительно плоскости ЗВВИ Ьопт.глаз = ¿звви + АЬглаз, которая находится на расстоянии ¿звви от ВД. На рис. 2(б) представлены три случая положения глаза относительно ВД, когда АЬглаз > 0, АЬглаз = 0, АЬглаз < 0.
Рис. 2: (а) перемещение глаза за счет его поворота. ЗВВИ - требуемое значение ЗВВИ, У - смещение глаза в вертикальной координате системы, Озрачок - диаметр зрачка; (б) три случая расположения глаза относительно от плоскости ЗВВИ.
При определенном поле зрения и размере зрачка глаза возникает следующий эффект: человек поворачивает глаз, например, направо, чтобы видеть правую часть виртуального изображения, но в случае АЬглаз > 0 пучки правой части виртуального изображения не приходят в глаз, а полностью виньетируются зрачком, в то же время пучки левой части виртуального изображения приходят в глаз, что вызывает дискомфорт восприятия.
Рис. 3: Схема ключевых параметров ВД.
20 30 40 50 60 70 80 90 100 Поле зрения,0 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ЗВВИН0М, мм
Рис. 4: Требуемый ¿аперт для различных значений поля зрения, ЗВВИном и ЬЗВВИ.
Обозначим смещение зрачка вдоль оптической оси ВД Умин, ^Нор, Умак, соответственно, для ЗВВИмин, ЗВВИном и ЗВВИмак на рис. 2(а). В случае ЗВВИмин смещение Умин увеличивается с возрастанием угла поворота зрачка а и уменьшением диаметра зрачка глаза Дзрачок. В случае ЗВВИном смещение 1^ом зависит только от угла поворота а, а в случае ЗВВИмак смещение Умак увеличивается с возрастанием угла поворота а и размера зрачка глаза Дзрачок. Результат исследования показал, что оптимальным положением глаза является АЬглаз < 0. Таким образом в зависимости от того, какой тип ЗВВИ требуется обеспечить, необходимо разное оптимальное положение глаза АЬглаз. Чем больше равномерность яркости изображения по полю требуется, тем ближе к ВД должен располагаться глаз.
Требование к оптической системе. Теперь с учетом выше проведенного анализа установим требования к оптической системе.
На рис. 3 представлена схема ВД и указаны основные параметры: поле зрения и расстояние от глаза до ВД ЬЗВВИ и размер апертуры оптической системы ВД ^аперт, которая дает возможность оценить габариты и сложность разрабатываемой оптической системы, и может дать представление о возможности разработки коммерчески успешного продукта с точки зрения габаритов устройства.
Апертура оптической системы ВД может быть ограничена размером линзы, зеркала, волновода или голографического оптического элемента, записанного линзой или зеркалом, или растра таких оптических элементов, или пространственно-временного модулятора света и т.п. Размеры апертуры оптической системы ^аперт в зависимости от поля зрения и ЗВВИном представлены в виде таблицы и графика на рис. 4.
Можно сделать вывод, что для обеспечения поля зрения 80° необходимо ^аперт 49 мм.
Заключение. В работе определены требования к оптическим системам ВД в зависимости от области применения, с учётом влияния физиологии глаза на требования к разрешению и полю зрения ВД, зависимость поля зрения от ЗВВИ и влияние положения глаза на поле зрения. Предложена методика определения оптимального положения глаза в зависимости от ЗВВИ ВД. Проводимые исследования были согласованы с современным представлением о физиологии глаза человека. Особенностью физиологии глаза по сравнению с электронными матричными приемниками является его движение, которое приводит к ужесточению требований к оптическим системам ВД.
На основе этих исследований определены общие требования к апертурным характеристикам оптических систем ВД, в частности: минимальный размер апертуры оптиче-
ской системы ВД, согласование зоны видения виртуального изображения с требуемым полем зрения.
ЛИТЕРАТУРА
[1] D. Lanman, D. Luebke, Proc. ACM SIGGRAPH Asia 32(6), 220 (2013).
[2] M. M. Bayer, Proc. SPIE 4711, 202 (2002).
[3] A. Maimone, D. Lanman, K. Rathinavel, et al., Proc. ACM SIGGRAPH 33(4), 89 (2014).
[4] K. Hong, J. Yeom, C. Jang, et al., Opt. Lett. 39(1), 127 (2014).
[5] D. Cheng, Y. Wang, H. Hua, and M. M. Talha, Appl. Opt. 48(14), 2655 (2009).
[6] H. W. Hunziker, Im Auge des Lesers: foveale und periphere Wahrnehmung-vom Buchstabieren zur Lesefreude (The Eye of the Reader: Foveal and Peripheral Perception-from Letter Recognition to the Joy of Reading) (Zurich, Transmedia, 2006).
[7] Brian A. Wandell, "Foundations of Vision" in: Stanford University resource, https://foundationsofvision.stanford.edu/
[8] D. V. Davies and H. Gray, Gray's anatomy: descriptive and applied (London, Longmans, 1967).
[9] A. Keirl, C. Christie, Clinical Optics and Refraction. A Guide for Optometrists, Contact Lens Opticians and Dispensing Opticians (Oxford, Elsevier Butterworth-Heinemann, 2007).
Поступила в редакцию 19 декабря 2017 г.
