Как шлем создает иллюзию объема

Человеческое зрение устроено бинокулярно. Глаза расположены на расстоянии примерно шестидесяти четырех миллиметров друг от друга. Из-за этого каждый глаз видит любой предмет под слегка отличающимся углом. Мозг непрерывно сравнивает две эти плоские картинки, вычисляет разницу между ними и собирает в единый объемный образ. На основе этого смещения ты безошибочно понимаешь, какой предмет находится ближе, а какой дальше.

Внутри любого шлема виртуальной реальности этот оптический механизм воспроизводится напрямую. Экран устройства делится пополам, либо внутри устанавливают два отдельных дисплея. Компьютер или встроенный процессор шлема одновременно рассчитывает две разные проекции одной виртуальной сцены со смещением ракурса. Правый глаз видит изображение только для правого глаза, левый видит свою половину.

Между экраном и глазами обязательно размещают специальные линзы. Дисплей находится в паре сантиметров от лица, сфокусироваться на таком близком расстоянии человеческий глаз физически не способен. Линзы преломляют световые лучи так, будто изображение находится на комфортном расстоянии в полтора или два метра. Одновременно они расширяют поле зрения до ста десяти градусов и более, заполняя виртуальной сценой все пространство перед глазами человека.

Как система понимает положение головы

Одной объемной картинки недостаточно для погружения. Если ты повернешь голову, а изображение останется неподвижным, иллюзия мгновенно разрушится. Чтобы этого не происходило, шлем оснащают системой трекинга, которая непрерывно отслеживает любые перемещения пользователя в реальной комнате.

В простых устройствах отслеживаются три параметра движения. Шлем фиксирует только наклоны и повороты головы вокруг своей оси: вверх, вниз, вправо, влево и наклоны к плечам. Такую систему называют трекингом с тремя степенями свободы. Она подходит для просмотра панорамных видео, но в ней невозможно присесть, сделать шаг в сторону или заглянуть за виртуальный угол.

Продвинутые устройства используют систему с шестью степенями свободы. Они добавляют физическое перемещение тела в пространстве по трем координатным осям. Для этого разработчики комбинируют работу нескольких встроенных датчиков и оптических систем:

  • Акселерометры фиксируют прямолинейное ускорение устройства при ходьбе или наклонах тела.
  • Гироскопы измеряют угловую скорость вращения при любых поворотах головы.
  • Широкоугольные камеры на корпусе непрерывно сканируют контрастные точки в комнате и рассчитывают смещение шлема относительно стен и мебели.
  • Инфракрасные датчики контроллеров передают координаты рук пользователя, позволяя взаимодействовать с виртуальными предметами.

Борьба за миллисекунды и частота обновления

Для монитора в соревновательных играх считается нормой частота в шестьдесят кадров за секунду. В виртуальной реальности этого категорически мало. Картинка в шлеме обязана обновляться с частотой от девяноста до ста двадцати раз за секунду, а в некоторых профессиональных моделях показатель доходит до ста сорока четырех герц.

Главный технический параметр шлема называют задержкой от движения к фотону. Это отрезок времени между физическим движением твоей шеи и моментом, когда дисплей отрисует уже повернувшийся мир. Этот промежуток должен составлять строго меньше двадцати миллисекунд. Человеческий мозг за миллионы лет эволюции привык, что картинка перед глазами меняется синхронно с сигналами вестибулярного аппарата. Задержка свыше двадцати миллисекунд приводит к неприятному шлейфу и смазыванию сцены при быстрых движениях.

Звук и обратная связь

Зрение дает львиную долю информации, но для полного обмана восприятия разработчики подключают остальные чувства. Пространственный трехмерный звук рассчитывается по особым формулам с учетом формы ушных раковин и головы человека. Если в виртуальном мире шаги раздаются сзади слева, звук в левый наушник придет на доли миллисекунды раньше и будет звучать чуть громче, чем в правый.

В контроллеры встраивают вибромоторы разной точности. При натяжении тетивы виртуального лука или касании стены моторчики генерируют короткие высокочастотные импульсы. Кончики пальцев передают в мозг сигнал о физическом сопротивлении, укрепляя ощущение материальности мира.

Частые вопросы

Чем виртуальная реальность отличается от дополненной реальности?

Виртуальная реальность полностью перекрывает обзор и заменяет настоящий мир цифровым пространством внутри шлема. Дополненная реальность сохраняет привычное окружение и накладывает поверх него виртуальные элементы, текст или персонажей через полупрозрачные стекла очков либо экран смартфона.

Портит ли шлем виртуальной реальности зрение?

Шлем нагружает глаза примерно так же, как обычный смартфон или монитор. Хотя экран расположен близко к лицу, оптические линзы фокусируют взгляд на виртуальной дистанции около двух метров. Главная опасность заключается в усталости глазных мышц из-за редкого моргания и постоянного свечения экранов, поэтому врачи советуют делать перерывы каждые полчаса.

Что такое фовеальный рендеринг в современных гарнитурах?

Это технология оптимизации графики с помощью встроенных камер отслеживания взгляда. Человек видит четко только крошечную зону в центре поля зрения, а боковое зрение улавливает детали гораздо слабее. Компьютер отрисовывает с максимальным качеством только ту точку экрана, куда направлен зрачок, а периферию оставляет слегка размытой, экономя вычислительные ресурсы видеокарты.

Можно ли играть в шлеме, если носишь обычные очки с диоптриями?

Большинство современных шлемов спроектированы с учетом места для очков средней оправы, а в комплекте идет специальная пластиковая проставка для увеличения глубины маски. Для постоянного использования выпускают магнитные диоптрийные накладки, которые крепятся прямо на родные линзы шлема.