Het optische dek stapelen: introductie van oneindige weergave + een inleiding over het meten van visuele kwaliteit in VR

Als het om VR gaat, is zien geloven. Geluid en haptiek spelen beide een belangrijke rol, maar voor de meeste mensen zijn het de beelden die de deal bezegelen. En prachtig weergegeven low-poly kunst kan net zo adembenemend zijn als een hyperrealistische omgeving. Er gaat niets boven het volledig gehuld zijn in een visueel verbluffende virtuele wereld, ongeacht of deze doordrenkt is van realisme, volledig geabstraheerd is of ergens daartussenin.

Maar VR is nog steeds een opkomende technologie, en er is niet veel gedeeld begrip van wat er komt kijken bij het creëren van die visuele ervaring en de complexe technologieën die moeten samenkomen om te produceren wat je in de headset ziet. Er is ook enige inconsistentie in de branche in de manier waarop visuele kwaliteit in VR tegenwoordig wordt gedefinieerd.

Als we aan visuele kwaliteit denken, passen veel mensen dezelfde principes en normen toe die we traditioneel gebruiken om na te denken over 2D-schermen, zoals mobiele telefoons en tv's. Maar VR verschilt enorm van deze andere consumentenapparaten. In plaats van naar een groot scherm op grotere afstand te kijken, kijken VR-gebruikers naar een kleiner scherm, veel dichter bij hun ogen en vergroot door een reeks lenzen in een optische stapel. Het is alsof je door een cameralens naar een tv kijkt: wat je ziet wordt niet alleen bepaald door de resolutie van het scherm, maar ook door de optische eigenschappen van de lens, zoals vergroting en scherpte.

Ook in tegenstelling tot tv's en mobiele telefoons volgt het scherm u in wezen terwijl u uw hoofd beweegt. En omdat het zo dicht bij uw ogen is, die over een groot bereik kunnen kijken, moet de optiek consistente geometrische en optische prestaties leveren over die kijkhoeken heen. zorgen voor een kwalitatieve visuele ervaring. Dit wijst op de steeds belangrijkere rol die eye-trackingtechnologie in de toekomst zal spelen als het gaat om visuele prestaties en ervaring in VR.

Wij zijn van mening dat de industrie zich moet afstemmen op VR-specifieke prestatiestatistieken die het volledige plaatje beter laten zien. In plaats van ons alleen op de schermresolutie te concentreren, moeten we overwegen hoe scherm en optiek samenwerken als een systeem in een VR-headset. De visuele helderheid in VR wordt bepaald door een aantal factoren, waarvan de belangrijkste de systeemresolutie (gemeten in pixels per graad, of PPD), scherpte (gemeten door de modulatieoverdrachtsfunctie van een lens, of MTF), contrastverhouding en kleur zijn. . In dit bericht zullen we ze alle vier nader bekijken en hoe ze zich verhouden tot de nieuw geïntroduceerde optische stapel Infinite Display van Meta Quest Pro.

Systeemresolutie

Het is verleidelijk om ons uitsluitend op de schermresolutie te concentreren als we aan de kwaliteit van VR-headsets denken, aangezien dat de maatstaf is waarmee we 2D-schermen beoordelen. Maar in plaats daarvan zouden we de resolutie van het volledige optische systeem moeten evalueren, die wordt gemeten in PPD – een gecombineerde metriek die rekening houdt met de samenwerking tussen het beeldscherm en de optica. Een hoekmeting, PPD, meet het aantal pixels dat zich binnen 1° van het gezichtsveld (FOV) bevindt. Hoe hoger de PPD, hoe beter de systeemresolutie van de VR-headset.

We houden PPD nauwlettend in de gaten bij het ontwerp en de productie van onze VR-headsets om een ​​kwaliteitservaring te garanderen. En dankzij de hogere pixeldichtheid van het scherm van Meta Quest Pro en de daaropvolgende vergroting door de pancake-optiek van de headset, konden we de algehele systeemresolutie voor Meta Quest Pro (22 PPD) met 10% verhogen vergeleken met Meta Quest 2 (20 PPD) . Hoewel dit niet de hoogste PPD is van alle VR-headsets die momenteel op de markt zijn, is dit een belangrijke mijlpaal in het op grote schaal lanceren van hoogwaardige VR- en mixed reality-headsets.

En we investeren om dit nog verder te stimuleren. Ons Display Systems Research-team van Reality Labs Research heeft onlangs zijn Butterscotch-prototype, dat het gezichtsveld beperkt tot ongeveer de helft van dat van Meta Quest 2 en 3K LCD-panelen gebruikt met een nieuw type hybride lens om een ​​totale systeemresolutie van 55 PPD te bereiken, wat de netvliesresolutie benadert (algemeen beschouwd als ongeveer 60 PPD, wat is voldoende om de 20/20-lijn op een ooggrafiek weer te geven) en kan mogelijk de weg vrijmaken voor een nieuwe industriestandaard. Hoewel Butterscotch een onderzoeksprototype is met een technische configuratie die misschien geen toekomstig product zal worden, ontwikkelen we tegelijkertijd beeldschermen met hoge dichtheid en optische systemen met hoge resolutie om retinale resolutie op onze productroadmap te bereiken.

Scherpte

Hoewel PPD een basislijn vormt voor de algehele systeemresolutie, rekening houdend met de componenten van het optische systeem, is er nog een andere cruciale maatstaf die niet genoeg aandacht krijgt in de huidige discussies over visuele helderheid van VR: scherpte.

Gemeten door MTF, dat resolutie en contrast combineert, bepaalt de scherpte hoeveel details door een optisch systeem kunnen worden gereproduceerd. Hoe hoger de MTF, hoe fijner het beelddetail. Omdat VR-schermen door een lens worden bekeken en dus worden vergroot, moet ons team het ontwerp en de fabricage van onze optica optimaliseren om artefacten veroorzaakt door de lens te voorkomen. Het is ook belangrijk om te erkennen dat de scherpte bij een plat 2D-scherm, zoals bij een tv, uniform is. In VR is dat niet het geval: je hebt een verschillende mate van scherpte in het midden en de rand van de lens. Het doel is dus om zowel in het centrum als in de periferie een hogere MTF te bereiken.

Op Meta Quest Pro is de centrumscherpte 0.98 en de randscherpte 0.85* – een verbetering van respectievelijk 25% en 50% ten opzichte van Meta Quest 2.

Contrast

De contrastverhouding is de verhouding tussen de luminantie van het helderste wit en het donkerste zwart die een optisch displaysysteem kan produceren. Hoe hoger de verhouding, hoe beter het contrast.

Om het contrast te maximaliseren, is het display met hoge pixeldichtheid van Meta Quest Pro uitgerust met gespecialiseerde lokale dimtechnologie die meer dan 500 individuele LED-blokken onafhankelijk kan aansturen. Dit resulteert in 75% meer contrast, wat zorgt voor diepere zwarttinten en een veel betere kijkervaring.

Bovendien maakt de pancake-optiek van Meta Quest Pro gebruik van een uniek ontwerp van drie stapels polarisatiefilms – één op het scherm en één op elk van de twee lenselementen – om spookbeelden te minimaliseren, vooral vanaf de middenrand tot aan de rand van het gezichtsveld. Dit draagt ​​ook bij aan het algehele verbeterde contrast.

Kleur

Ten slotte wordt de kwaliteit van de kleur van een VR-headset gemeten aan de hand van het kleurengamma en de kleurnauwkeurigheid. Het kleurengamma is het kleurenbereik binnen een spectrum dat door het totale systeem kan worden gereproduceerd. Kleurnauwkeurigheid verwijst naar het vermogen van het visuele systeem om kleuren en tinten te reproduceren zoals bedoeld. Samen zijn ze essentieel om een ​​levensechte, meeslepende ervaring te bieden.

Meta Quest Pro heeft een breed DCI-P3-kleurengamma, dat 1.3 keer groter is dan dat van Meta Quest 2. We hebben ook geavanceerde kleurkalibratietechnologie ontwikkeld in Meta Quest Pro om de kleurnauwkeurigheid en helderheidsverschillen tussen twee ogen te garanderen. Met rijke en levendige kleuren is Meta Quest Pro in staat om eersteklas visuele helderheid te bieden over het volledige gezichtsveld.

Het inkorten van de optische stapel

Meta Quest Pro beschikt over een lens met twee elementen en meer dan 10 lagen functionele optische films. Het oorspronkelijke concept is in de loop van ongeveer twee jaar ontwikkeld door Reality Labs Research en vertegenwoordigt een zeer succesvolle overdracht van hardwaretechnologie van onderzoek naar product in VR. Er moest echter nog meer werk worden verzet om pancake-lenzen en polarisatie-optieken te ontwerpen die in het product zouden werken – een proces dat grofweg vier jaar in beslag nam, waaronder meer dan een jaar waarin de product- en onderzoeksteams als één geïntegreerd team werkten om ervoor te zorgen dat een succesvolle en efficiënte overdracht.

Hoewel onze onderzoeksteams tijdmachines kunnen bouwen – prototypes die laten zien wat er over vijf tot tien jaar of langer in de toekomst mogelijk is, zonder rekening te houden met beperkingen zoals kosten, gewicht en meer – moeten onze productteams een levensvatbaar ontwerp leveren dat kan op schaal worden geproduceerd. Verre van kant-en-klare producten, ontwierp het productteam echt unieke lenzen en polarisatiestapels. Hoewel pancake-lenzen en polarisatie-optiek op zichzelf niets nieuws zijn, vormt hun toepassing voor VR unieke uitdagingen bij productie op schaal. Er was geen fabrikant die de onderdelen maakte, wat een ongelooflijk nauwkeurige fabricage en integratie van lenzen en polarisatiefilm vereiste, dus onze productteams moesten in de loop van de jaren nauw samenwerken met de industrie om de toeleveringsketen helemaal opnieuw op te bouwen en hun state-of-the-art te verbeteren. -kunst productie mogelijkheden. We waren een van de eersten die samenwerkten met tier 10 industriële partners om een ​​verkorte optische stapel en pannenkoekoptiek zoals die van Meta Quest Pro te creëren - en we deden het op schaal.

Alles bij elkaar heeft Meta momenteel meer dan 350 patenten met betrekking tot optische technologieën, waaronder patenten die gericht zijn op het minimaliseren van de grootte en het optimaliseren van de visuele prestaties.

Alles optellen

Wanneer u al deze innovatie en technologie combineert in één enkel consumentenapparaat, krijgt u een VR-headset met een visueel systeem dat scherpere tekst, duidelijkere beelden, levendigere kleuren en een algehele comfortabelere ervaring mogelijk maakt, of u nu e-mails leest op je bureau erin ondergedompeld, waarmee je een natuurkundespel maakt Figmin XR, of tegen monsters vechten met vrienden erin demo.

Het is een ontwerpuitdaging voor systeemoptimalisatie, waarbij onze productteams het visuele VR-systeem als geheel moeten nemen, in plaats van zich uitsluitend op individuele componenten te concentreren. Uiteindelijk is ons doel het maximaliseren van de holistische gebruikerservaring. Het is misschien niet perfect, maar de afwegingen die we hebben gemaakt zijn bedoeld om de best mogelijke visuele ervaring te behouden. En dit is nog maar het begin. Naarmate onze Infinite Display-technologie zich blijft verbeteren en we de innovatieve pancake-lenzen en polarisatie-optiek van Meta Quest Pro kunnen combineren met schermen met nog hogere resoluties, zouden we aanzienlijke sprongen in de visuele kwaliteit moeten zien, zoals gemeten door PPD en nog veel meer.

*MTF wordt hier gemeten bij 5 lp/mm (lijnparen per millimeter).