Bericht #08:

Head-Mounted Displays: Messung des Sichtfelds (Field of View)

Stand: v12. 06.11.2020

Inhalt

1. Einführung - Aufgabenstellung ...... 3 2. Messaufbau ...... 4 3. Messverfahren ...... 6 4. Messergebnisse ...... 7 5. Schlussfolgerungen ...... 14 6. Limitationen ...... 16 7. Glossar ...... 17 8. Messprotokoll ...... 18 9. Literaturverzeichnis ...... 19 10. Impressum ...... 20 11. Förderhinweis ...... 20

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 01: 3D-Kopf seitlich ...... 4 Abbildung 02: 3D-Kopf diagonal ...... 4 Abbildung 03: 3D-Kopf frontal ...... 4 Abbildung 04: Vollständiger Messaufbau ...... 5 Abbildung 05: 180°-Plastiksphäre mit Profil ...... 5 Abbildung 06: Testbildsphäre mit Zielkreuz aus schwarzem Garn ...... 5 Abbildung 07: Sichtfeld-Testbild ...... 5 Abbildung 08: AVEC-Testbild ...... 6 Abbildung 09: Binokulares diagonales Sichtfeld (in Grad) – Vergleich mit Herstellerangaben ...... 8 Abbildung 10: Binokulares diagonales Sichtfeld (in Grad) mit Originalpolsterung ...... 9 Abbildung 11: Binokulares horizontales Sichtfeld (in Grad) ...... 9 Abbildung 12: Monokulares (rechtes Auge) vertikales Sichtfeld (in Grad) ...... 10 Abbildung 13: Diagonaler stereoskopischer Bereich mit der Originalpolsterung (in Grad) ...... 11 Abbildung 14: Horizontaler stereoskopischer Bereich mit der Originalpolsterung (in Grad) ...... 11 Abbildung 15: binokulares (rechtes Auge) diagonales Sichtfeld (in Grad) ...... 12 Abbildung 16: Binokulares horizontales Sichtfeld (in Grad) ...... 12 Abbildung 17: Monokulares (rechtes Auge) vertikales Sichtfeld (in Grad) ...... 13 Abbildung 18: Diagonaler stereoskopischer Bereich ...... 13 Abbildung 19: Vertikaler stereoskopischer Bereich ...... 14

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1. Einführung - Aufgabenstellung

Hintergrund Head-Mounted Displays (HMDs/Headsets, zu Deutsch "Datenhelme") haben in den letzten wenigen Jahren einen kommerziellen Siegeszug, vor allem in Konsumentenanwendungen hinter sich. HMDs sind seit Jahrzehnten als grundsätzlich interessante Interaktionsgeräte bekannt. Mit geringem Geld- und Platzbedarf lässt sich ein sehr hohes Gefühl der Virtuellen Präsenz erzeugen, da HMDs den Benutzer optisch isolieren (ähnlich wie geschlossene Kopfhörer akustisch isolieren). Technisch und preislich interessant wurden HMDs für eine sehr große Anzahl an Nutzern jedoch erst, nachdem kostengünstige und gleichzeitig sehr leistungsfähige Displays aus der Smartphone-Produktion zur Verfügung standen. Die Akzeptanz von Interaktionstechnik ist ein wichtiger Faktor für eine erfolgreiche Implementie- rung von (VR), (AR), (MR), im Folgenden kurz XR genannt. Weiterhin spielt die gute Benutzbarkeit eine wichtige Rolle bei der Erzeugung Virtueller Präsenz, also dem Gefühl, in einer Virtuellen Umgebung anwesend zu sein. Problemstellung HMDs ermöglichen durch das Headtracking sowie der vielfachen Vergrößerung des Bildes und kur- zen Distanz der Augen zu den Displays auf natürliche Weise einen großen Abschnitt der virtuellen Realität zu sehen. Das monokulare Gesichtsfeld des menschlichen Auges beträgt ca. 140° und das binokulare horizontale Gesichtsfeld ca. 214° [1]. Am äußeren Rand können nur noch sich bewe- gende Objekte und keine Muster mehr wahrgenommen werden. Das binokulare vertikale Gesichts- feld hat einen Umfang von ca. 60-70° nach unten und 70-80° nach oben [2]. Diese Anforderungen können aktuell nur zwei HMDs nach Herstellerangaben annähernd ausfüllen (Pimax VR und Star VR One). Die meisten der auf den Markt gebrachten HMD-Displays bieten ein diagonales Sichtfeld von 100°-110° aufgrund des Schliffs der verbauten (Fresnel)-Linsen. Speziell entwickelte Linsen für ein größeres Sichtfeld führen oft zu einer Verringerung der Auflösung insbesondere in den äußeren Bereichen des Sichtfeldes. Auch die damit einhergehenden steigenden Anforderungen an die Re- chenleistungen der Computersysteme werden schnell ausgereizt und treiben deren Kosten in die Höhe. Trotzdem versuchen wenige Hersteller neben der Auflösung auch das Sichtfeld der HMDs zu erhöhen, um das natürliche Sichtfeld in der Virtuellen Realität möglichst auszufüllen und so die Immersion und Benutzerfreundlichkeit zu vergrößern. Das Sichtfeld hängt zudem davon ab, wie weit das Auge von der Linse entfernt ist und wird somit von der Ergonomie des Headsets (z. B. Polsterung) beeinflusst. Die Herstellerangaben beziehen sich zudem oft nur aus Marketinggründen auf das diagonale Sichtfeld. Das horizontale und vertikale Sichtfeld wird in der Regel nicht angege- ben. Zielsetzung Dieser Messbericht hat das Ziel, das horizontale, vertikale und diagonale Sichtfeld der am Markt erschienen HMDs zu bestimmen, miteinander zu vergleichen und den Herstellerangaben gegen- überzustellen. Darüber hinaus wird der Einfluss von alternativen Polsterungen auf das Sichtfeld un-

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tersucht. Die so gewonnenen Erkenntnisse können prospektiven XR-Anwendern bei der Systemaus- wahl helfen. Gleichzeitig bieten die Messungen eine Orientierung und Motivation für XR-System- hersteller, das Sichtfeld ihrer Produkte intensiv im Auge zu behalten.

2. Messaufbau

Verwendete Materialien

Der Messaufbau besteht aus einem standardisierten 3D-Kopfmodell, das mit Hilfe eines 3D-Dru- ckers erstellt wurde (s. Abbildung 1-3). Das Kopfmodell wurde mit Einbuchtungen für Kameras an Stelle der Augen versehen, um die menschliche Sicht durch ein HMD nachzustellen. Das 3D-Kopf- modell wurde auf einem Tisch montiert. Die HMDs wurden so auf den 3D-Kopfmodellen positio- niert, dass die Kameras auf den Mittelpunkt der Fresnel-Linsen zentriert wurden, um den Blick des Anwenders durch das Zentrum der Linse nachzustellen.

Abbildung 01: 3D-Kopf seitlich Abbildung 02: 3D-Kopf diagonal Abbildung 03: 3D-Kopf frontal

Es wurden zwei hochauflösende USB-Kameras mit dem Sensor IMX226 und einer Auflösung von 4024x3036 px mit jeweils einem hochauflösenden (12 MP) 185°-Fisheye-Objektiv verwendet, um die Aufnahmen eines standardisierten AVEC-Referenz-Testbilds (s. Abbildung 8) zu machen. Dieses Testbild wurde als HTML-Datei via WebVR mit Hilfe der auf den HMDs verfügbaren Browsern ge- öffnet (s. Abbildung 4).

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Abbildung 04: Vollständiger Messaufbau

Verwendete Testbilder

Für die Erstellung des FOV-Testbildes wurde eine 180°-Plastiksphäre in ein eigenangefertigtes Profil eingebaut und mit einer horizontalen und vertikalen Gradskala versehen (s. Abbildung 5). In den Herstellerangaben wurde darauf hingewiesen, dass die 180°-Plastiksphäre Abweichungen unter- liegt. Die Gradskalen reichten von -90° bis +90°, sodass ein 180°-Sichtfeld abgedeckt wurde. Zwi- schen den Endpunkten der Gradskala wurde daraufhin ein schwarzes Garn gespannt, um die Posi- tion für die Aufnahme des Testbildes durch eine hochauflösende USB-Kameras (s. letzter Abschnitt) zu bestimmen. Die hochauflösende USB-Kamera wurde daraufhin mit Hilfe eines Statives so in Po- sition gebracht, dass das aus schwarzem Garn gebildete Kreuz auf den Gradskalen perspektivisch übereinander lag (s. Abbildung 6). Im nächsten Schritt wurde das schwarze Zielkreuz entfernt und das FOV-Testbild aufgenommen. Das FOV-Testbild wurde mit Kreismarkierungen in 5-Grad-Schrit- ten und Diagonalen digital ergänzt, um das Ablesen zu erleichtern (s. Abbildung 7. Das Sichtfeld- Testbild) stellt so die natürliche 180° Sicht des menschlichen Auges nach.

Abbildung 05: 180°-Plastik- Abbildung 06: Testbildsphäre mit Ziel- Abbildung 07: Sichtfeld-Testbild sphäre mit Profil kreuz aus schwarzem Garn

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Als Testbild für die HMDs wurde ein AVEC-Testbild in 8K Auflösung verwendet.

Abbildung 08: AVEC-Testbild

3. Messverfahren

Folgendes Messverfahren wurde mit

1. der Originalpolsterung 2. und wenn verfügbar mit der alternativen Polsterung (VR-Cover) durchgeführt:

Sowohl für das linke als auch das rechte Auge wurde eine monoskopische Aufnahme des AVEC- Referenz-Testbildes mit Hilfe der beiden Kameras durch die Linsen der getesteten HMDs aufge- nommen. Diese Aufnahmen wurden daraufhin digital über das FOV-Testbild gelegt und die Trans- parenz so weit reduziert, dass das monokulare horizontale und diagonale Sichtfeld ausgelesen werden konnte. Dazu wurden die Werte der negativen Gradskala zu den Werten der positiven Gradskala addiert. Hinsichtlich des diagonalen Sichtfeldes wurden die Messwerte beider Diagona- len erfasst.

Um das binokulare horizontale und diagonale Sichtfeld zu messen, wurden die monoskopischen Aufnahmen der linken und rechten Kameras digital so versetzt übereinandergelegt, dass die beiden AVEC-Referenz-Testbilder genau übereinanderlagen. So wurden die für das jeweilige andere Auge nicht sichtbaren Bereiche zusammengefügt, um das binokulare Sichtfeld nachzustellen. Das binoku- lare vertikale Sichtfeld wurde nicht gemessen, weil der Einsatz von Stereoskopie nur das horizontale und damit auch diagonale Sichtfeld erweitert.

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4. Messergebnisse

Vergleich zwischen Herstellerangaben und Messung

Die Herstellerangaben fallen bei jedem gemessenen HMD größer aus als die Messdaten. Die größ- ten beiden Differenzen wurden bei den beiden Optionen der Pimax 8K KE (large = 58,5° und normal 34,75°) festgestellt. Die geringsten Abweichungen >6° weisen die beiden Mixed Reality Headsets von Medion (6°) und HP (5,5°) auf. Die folgende Abbildung vergleicht das binokulare diagonale Sichtfeld der Originalpolsterung mit den Herstellerangaben:

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200 200

180 170

160 150 141,5 135,25 140 129,5 130

115 115,5 120 110 110 110 110 101 100 101 100 101 101,75 101 100 100 100 94,25 96,5 93,75 93,25 94 94,5 100 88,5 89,25 90,25 84,5 84,75 78,5 79 80 58,5 60

34,75 40 22,5 21,5 21 20,75 20,75 20,5 16,5 15,25 14,5 20 13,5 10,75 8,25 7,25 6,75 6 5,5 0 Pimax 8k Pimax 8k Pico G2 HTC Vive Fove HTC Vive Pimax 8k Pico G2 Oculus Pimax 8k HTC Vive Pico G2 Samsung Pico Neo Oculus Medion HP KE large KE Cosmos Rift S KE smal 4K Quest KE Pro pro Odyssey Rift Mixed Mixed normal Potato Mixed Reality Reality Reality

Herstellerangaben* Messung Abweichung

Abbildung 09: Binokulares diagonales Sichtfeld (in Grad) – Vergleich mit Herstellerangaben

*Der Hersteller Facebook Technologies (Oculus) gibt keine offiziellen Angaben zu der Größe des Sichtfeldes an. Daher wurden redaktionelle Inhalte von Fachzeitschriften als Referenzwerte hinzugezogen.

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Ranking des FOV

Die Pimax 8K KE verfügt nach unseren Daten mit 141,5° über das größte diagonale Sichtfeld und übertrifft in allen vier Modi (potato, small, normal, large) mit einer Differenz von >13° alle weiteren getesteten HMDs. Diese umfassen eine Reichweite von 101,75° (Samsung Odyssey) bis 78,5° (Pico G2). Die folgende Abbildung zeigt das binokulare diagonale Sichtfeld mit der Originalpolsterung.

141,5 160 135,25129,5 140 115,5 120 101,75 96,5 94,5 94,25 94 93,75 93,25 90,25 89,25 88,5 100 84,75 84,5 79 78,5 80 60 40 20 0

Original-Polsterung

Abbildung 10: Binokulares diagonales Sichtfeld (in Grad) mit Originalpolsterung

Die Pimax 8K KE besitzt nach unseren Daten mit 132,5° das größte binokulare horizontale Sichtfeld und übertrifft in den Modi small, normal und large die anderen getesteten HMDs mit einer Diffe- renz von >20°. Die anderen Headsets besetzten eine Spanne von 106° (Samsung Odyssey) bis 79° (Pico G2). Die Abbildung veranschaulicht das binokulare horizontale Sichtfeld mit der Originalpols- terung:

132,5 140 130 126 120 106 104 97,5 97 96 96 96 94,5 92 90 89,5 86 85,5 100 81,5 79 80 60 40 20 0

Original-Polsterung

Abbildung 11: Binokulares horizontales Sichtfeld (in Grad) 9

Die Pimax 8K KE besitzt nach unseren Daten mit 110° das größte monokulare vertikale Sichtfeld in allen vier Modi mit einer Differenz von >17° im Vergleich zu den anderen getesteten HMDs. Diese umfassen eine Spanne von 93° (HTC Vive Pro) bis 73° (Pico G2 & Fove). Die folgende Abbildung visualisiert das monokulare vertikale Sichtfeld mit der Originalpolsterung:

120 110 110 110 110 93 91 88 100 86,5 86 86 84 83,5 83 83 76 75 73 73 80 60 40 20 0

Original-Polsterung

Abbildung 12: Monokulares (rechtes Auge) vertikales Sichtfeld (in Grad)

Ranking des stereoskopischen Bereichs

Die Pimax 8K KE besitzt in allen vier Modi einen größeren diagonalen stereoskopischen Bereich (SB) als die anderen getesteten HMDs mit einem maximalen Wert von 92,5°. Der Abstand ist mit >2,5° jedoch geringer als beim binokularen diagonalen oder horizontalen Sichtfeld. Der geringste diago- nale SB wurde bei der gemessen (60,75°). Der nicht-stereoskopische Bereich (NSB) ist in den drei Modi small, normal und large größer als bei den anderen HMDs und weist einen maxi- malen Wert von 52° auf. Der Modus potato wird nur von der Samsung Odyssey mit 33,5° übertrof- fen. Die restlichen HMDs bewegen sich in einem Raum von 24° (Oculus Quest) bis zu einem Mini- malwert von 9° bei der HTC Vive. Die folgende Abbildung zeigt den diagonalen SB mit der Original- polsterung (in Grad):

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92,5 100 90,25 89,5 88,5 86 90 80,75 79,75 79,5 79 77,6 75,25 73,25 71,25 80 68,25 67,5 65,5 65 70 60,75 52 60 45 50 37 33,5 40 27 23 24 30 20 13 15 16,9 15 17 13,5 13,5 20 10,5 9,5 9 10 0

stereoskopischer Bereich nicht-stereoskopischer Bereich

Abbildung 13: Diagonaler stereoskopischer Bereich mit der Originalpolsterung (in Grad)

Die Pimax 8K KE erreicht nur im größten Modus einen größeren horizontalen stereoskopischen Be- reich als die anderen getesteten HMDs mit 92°. Der Abstand ist jedoch auch hier geringer als beim binokularen diagonalen oder horizontalen Sichtfeld. Die Pico Neo verfügt über den zweitgrößten Wert mit 88,5. Den Schluss bildet im Gegensatz zum diagonalen stereoskopischen Bereich die HP Mixed Reality mit 56°. In den Modi large und small erzielt die Pimax 8K KE mit 46,5° und 44,5° den größten nicht-stereoskopischen Bereich. Der Modi normal (34°) wird nur von Samsung Odyssey mit 42° überboten. Die restlichen HMDs bewegen sich in einem Raum von 28° (Pico G2 4K) bis zu 2° (Pico G2). Die folgende Abbildung stellt den horizontalen stereoskopischen Bereich mit der Origi- nalpolsterung (in Grad) dar:

92 100 88,5 87 86 85,5 82,5 90 77 77 77 76 80 73,5 73 72 67,5 66,5 64 70 58 56 60 46,5 44,5 50 42 40 34 40 28 22,5 22,5 30 17 20 18,5 19 15 13 12,5 20 7,5 8,5 10 2 0

stereoskopischer Bereich nicht-stereoskopischer Bereich

Abbildung 14: Horizontaler stereoskopischer Bereich mit der Originalpolsterung (in Grad)

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Veränderung des Sichtfeldes durch das alternative Polster – VR Cover

Die Messungen zeigen, dass die alternative 6 mm Polsterung VR Cover das binokulare diagonale Sichtfeld von 8° (HTC Vive) bis zu 0,75° (HTC Vive Pro) vergrößert. Bei der wurde eine Verkleinerung von -3,75° gemessen. Die folgende Abbildung visualisiert das binokulare diagonale Sichtfeld mit der Originalpolsterung gegenüber der alternativen Polsterung VR Cover.

96,5 96,5 97,25 93,25 100 88,5 89,5 84,75 86,5

80

60

40

20 8 1,75 0,75 -3,75 0 HTC Vive Oculus Quest HTC Vive Pro Oculus Rift -20

Original-Polsterung VR Cover Differenz

Abbildung 15: binokulares (rechtes Auge) diagonales Sichtfeld (in Grad)

Es stellte sich heraus, dass die alternative 6 mm Polsterung VR Cover das binokulare horizontale Sichtfeld von 11° (Oculus Rift) bis zu 1,5° (HTC Vive Pro) erhöht. Bei der Oculus Rift wurde eine Verkleinerung um -4,5° festgestellt. Die folgende Abbildung bildet das binokulare horizontale FOV mit der Originalpolsterung gegenüber der alternativen Polsterung VR Cover ab:

99 97,5 97,5 94,5 89,5 90 100 85,5 88

80

60

40

20 8 2,5 1,5 -4,5 0 HTC Vive Oculus Quest HTC Vive Pro Oculus Rift -20

Original-Polsterung VR Cover Differenz

Abbildung 16: Binokulares horizontales Sichtfeld (in Grad)

Es zeigt sich, dass die alternative 6 mm Polsterung zu einer Vergrößerung des Sichtfeldes von 8,5° (HTC Vive) bis zu 1° (Oculus Quest) führt. Bei der HTC Vive Pro wurde eine Verkleinerung von -0,5° 12

und bei der Oculus Rift eine Verkleinerung von -2,5° gemessen. Die folgende Abbildung zeigt das monoskopische vertikale FOV mit der Originalpolsterung gegenüber der alternativen Polsterung VR Cover:

95 100 93 92,5 86,5 90 84 81,5 75 76 80 70 60 50 40 30

20 8,5 10 1 -0,5 -2,5 0 -10 HTC Vive Oculus Quest HTC Vive Pro Oculus Rift

Original-Polsterung VR Cover Differenz

Abbildung 17: Monokulares (rechtes Auge) vertikales Sichtfeld (in Grad)

Die alternative Polsterung (VR Cover) steigerte nur bei der HTC Vive um 8° und verringerte bei der Oculus Rift (- 0,75°), HTC Vive Pro (-2,25°) und Oculus Quest (-3,75°) den diagonalen stereoskopi- schen Bereich. Die folgende Abbildung stellt dem diagonalen stereoskopischen Bereich mit der Ori- ginalpolsterung gegenüber der alternativen Polsterung VR Cover dar:

87,5 86 83,75 90 79,5 80 73,2572,5 70 60,75 57 60 50 40 30

20 8 10 -0,75 -2,25 -3,75 0 -10 HTC Vive Oculus Rift HTC Vive Pro Oculus Quest

Original-Polsterung VR Cover Differenz

Abbildung 18: Diagonaler stereoskopischer Bereich

Die alternative Polsterung (VR Cover) vergrößerte nur bei der HTC Vive (8°) und der Oculus Quest (1,5°) den horizontalen stereoskopischen Bereich. Bei der HTC Vive Pro (-2,5°) und der Oculus Rift (-3,75°) wurde eine Verringerung gemessen. Die folgende Abbildung visualisiert den horizontalen stereoskopischen Bereich mit der Originalpolsterung gegenüber der alternativen Polsterung VR Co- ver:

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100 90,5 88,5 82,5 86 73,5 80 67,5 69 70

60

40

20 8 1,5 -2,5 -3,5 0 HTC Vive Oculus Quest HTC Vive Pro Oculus Rift -20

Original-Polsterung VR Cover Differenz

Abbildung 19: Vertikaler stereoskopischer Bereich

5. Schlussfolgerungen

Vergleich mit Herstellerangaben

Die durchgeführten Messungen zeigen, dass alle Herstellerangaben hinsichtlich des binokularen di- agonalen Sichtfeldes größer sind, als die erfassten Messwerte. Diese Abweichungen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Ausmaße von 53° (Pimax 8K KE Modus: large) bis zu 5,5° (HP Mixed Reality). Die Ursachen dieser Unterschiede könnten möglicherweise auf Marketing-Strategien zurückzufüh- ren sein, damit Hersteller sich durch größere Sichtfeldangaben von anderen Herstellern abgrenzen. Eine andere Möglichkeit wäre, dass die Testszenarien der Hersteller oder Dienstleister einen gerin- geren Abstand zwischen Kamera- und HMD-Linse verwendet haben, als die hier verwendete Testumgebung. Die Hersteller könnten z. B. auf die Zielgruppe angepasste Kopfmodelle verwendet haben, die sich für eine globale Vermarktung besser eignen. Denkbar wäre auch, dass nur Messge- stelle für eine Abstandsmessung zwischen Kamera- und HMD-Linse ohne 3D-Modellkopf verwendet wurden. Trotzdem liefern die Ergebnisse dieser Messung Gründe, um die offiziellen Herstelleran- gaben in Frage zu stellen und durch weitere unabhängige Labore untersuchen zu lassen. Anbieter und Anwender von Simulationen müssen sich auf exakte Messwerte und Angaben verlassen kön- nen, um z. B. die periphere Sicht in Flugzeug-, Automobil- und Schifffahrtssimulationen möglichst realitätsgetreu nachzustellen. Die periphere Sicht ist sehr effizient darin, Bewegungen z. B. ein über- holendes Auto im äußeren Sichtfeld frühzeitig wahrzunehmen und Gefahrensituationen schnellst- möglich zu bewerten [3]. Mit zuverlässigen Daten könnten solche Unternehmen Trainingssimulati- onen kostengünstiger und flexibel für HMDs anbieten.

Ranking des Sichtfeldes

Die Pimax 8K KE verfügt in den drei Modi small, normal und large über ein größeres gemessenes Sichtfeld als alle anderen getesteten HMDs. Anwender, deren Fokus auf einem großen Sichtfeld liegt und die über Systeme mit ausreichend hoher Rechenleistung verfügen, gewinnen mit dem

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Modus large (141,5°) ein um 40° größeres binokulares diagonales Sichtfeld als mit der Samsung Odyssey (101.5°) auf Rang 2. Diese Differenz verringert sich hinsichtlich des binokularen horizonta- len Sichtfeldes auf 26,5° und beim monokularen vertikalen Sichtfeld auf 17°. Hersteller geben über- wiegend nur das ungefähre diagonale Sichtfeld und nicht das horizontale oder vertikale Sichtfeld an. Das Sichtfeld der menschlichen Augen umfasst ca. 214° horizontal und ca. 150° vertikal. Der Mensch präferiert jedoch im Normallfall eher den Kopf zu drehen, als sein gesamtes Sichtfeld voll auszunutzen. Um eine Szene voll zu erfassen, muss sich der Mensch folglich drehen, sodass dem horizontalen Sichtfeld eine wichtigere Rolle zukommt als dem vertikalen Sichtfeld. Je größer das horizontale Sichtfeld des HMD ist, desto schneller und mit weniger Bewegungen kann die ganze Szene erfasst werden. Das horizontale Sichtfeld nimmt daher eine wichtigere Rolle ein als das ver- tikale Sichtfeld. Die anderen getesteten HMDs unterscheiden sich von der Pimax 8K KE hinsichtlich anderer Eigenschaften, wie Bildqualität, Komfort und Anschaffungskosten. Diese und weitere Ei- genschaften sollten vor einer Anschaffung ebenfalls dem vergrößerten Sichtfeld gegenübergestellt werden.

Sichtfeldzuwachs durch alternative Polster

Durch die Verwendung des alternativen Polsters VR-Cover konnte das Sichtfeld und der stereosko- pische Bereich bei der HTC und Oculus Quest nur geringfügig von 0,75° bis 2,5° gesteigert werden. Die Ausnahme bildet die HTC Vive mit einem Zuwachs von 8° bis 8,5°, da hier die Differenz zur Originalpolsterung ohne weites Sichtfeld gemessen wurde. Bei der Oculus Rift wurde hingegen eine geringe Verringerung des Sichtfeldes von -2,5 bis -4,5° gemessen. Hier scheint das auffällig dünne Original-Polster aus Schaumstoff mehr Flexibilität als das VR Cover aus Kunstleder zu besitzen. In erster Linie steht somit die Verbesserung der Hygiene durch eine schnellere Reinigung der alterna- tiven Kunstleder-Polsterung (VR Cover) im Vergleich zu den original Schaumstoffpolsterungen. Der geringe Sichtfeldzuwachs ist ein zu vernachlässigender Mehrwert.

Ranking des stereoskopischen Bereiches (SB)

Die Pimax 8K KE verfügt über den größten stereoskopischen als auch den größten diagonalen nicht- stereoskopischen Bereich (NSB). Der Nutzer erhält somit die Vorteile eines möglichst großen SB. Die Differenz zu dem Headset mit dem nächstgrößten SB fällt daher jedoch auch im Vergleich zum binokularen Sichtfeld geringer aus. Die HTC Vive Pro verfügt im Vergleich zum Modus large einen 6,5° kleineren stereoskopischen Bereich mit 86°, aber nur über einen 10,5° großen NSB. Die Pico Neo verfügt sogar im Vergleich zur Pimax 8K KE im Modus large nur um ein 4,5° kleineren SB, aber nur über einen 7,5° großen NSB. Das binokulare Deckfeld ist der Bereich, in dem sich das Gesichts- feld des rechten und linken Auges überschneidet und beträgt ca. 120° [4]. Die menschliche Tiefen- wahrnehmung bzw. das stereoskopische Sehen ist nur in diesem Bereich möglich und hat einen Wirkungsbereich von bis zu 30 m. Die größte Anzahl an Tiefeninformationen wird auf einer Distanz bis zu 10 m generiert [5]. Die Pimax 8K KE reicht somit sowohl an das binokulare Deckfeld, als auch an das menschliche Gesichtsfeld am nächsten heran. Das menschliche Auge fokussiert im HMD nur die Linse, die sich in einem festen Abstand zum Auge befindet. Folglich erhält das Gehirn im HMD keine Tiefeninformationen, die durch die Veränderung der Augenpositionen zueinander entstehen. Somit erhält die Größe des SB größere Relevanz für die Tiefenwahrnehmung in der VR und es wäre vorteilhafter, erst diesen Bereich im HMD auszufüllen. Je nach Anwendungsbereich sollte bei der Wahl des HMD darauf geachtet werden, wie relevant das stereoskopische Sehen ist. Es wäre zudem 15

möglich, dass der häufigere Wechsel zwischen stereoskopischen und nicht-stereoskopischen Sehen aufgrund des größeren NSB zu einer rascheren Ermüdung des visuellen Apparates führt. In diesem Fall wäre die Pimax 8K KE gegenüber anderen HMDs benachteiligt.

6. Limitationen

Pupillendistanz (IPD)

Die Messungen wurden mit Hilfe eines ausgedruckten 3D-Kopfes mit einer Pupillendistanz (IPD) von 60,5 mm durchgeführt. Dies entspricht dem durchschnittlichen IPD von Frauen. Der durch- schnittliche IPD von Männern beträgt ca. 65 mm. Dies hat zur Folge, dass bei einigen Messungen die Testbilder nicht exakt durch den Mittelpunkt der Linsen aufgenommen wurden. Es wurde daher darauf geachtet, einen gleichen Abstand der Mittelpunkte der Testbilder zu dem Mittelpunkt der Linsen bei möglichst gleicher X-Achse zu erzielen, um die Messungenauigkeiten zu verringern. Zu- dem konnte der IPD hardwareseitig entweder nicht exakt auf den Abstand des 3D-Kopfes von 60,5 mm eingestellt, oder bei fehlendem Regler nicht eingestellt werden. Dies hat zur Folge, dass die Testbilder seitlich durch die Linse aufgenommen wurden, sodass das Sichtfeld künstlich begrenzt wurde.

Abweichungen des diagonalen Sichtfeldes

Hinsichtlich des gemessenen binokularen Sichtfeldes wurden folgende zwei Messungen vorge- nommen:

1. Diagonale: links unten – rechts oben 2. Diagonale: rechts unten – links oben

Bei den Messungen des monokularen diagonalen Sichtfeldes des rechten Auges wurden so Abwei- chungen festgestellt, die durch eine nicht konkave Linsenform entstehen. Aus diesen beiden Mes- sungen wurde der Mittelwert errechnet und für die vorliegenden Darstellungen und Vergleiche herangezogen.

Bei den Messungen des binokularen diagonalen Sichtfeldes wurde aus denselben Gründen das gleiche Verfahren angewandt. Zudem hat sich der Mittelpunkt des rechten Testbildes bei Zusam- menfügen der Testbilder bei einigen Messungen zu einem geringfügigem Maß nach diagonal rechts oben verschoben. Der errechnete Mittelwert wurde ebenfalls herangezogen, um diesen Abweichungen entgegen zu wirken.

Abstand zwischen HMD-Linse und Kameralinse.

Der Abstand zwischen der HMD-Linse und Kameralinse steht in linearer Abhängigkeit zum Sichtfeld und wurde in dieser Messung nicht erfasst. Die Verringerung dieser Distanz führt zu einer Vergrö- ßerung des Sichtfeldes in Abhängigkeit von der Struktur des HMD und der Kopfform des Nutzers.

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So können Varianzen in der Größe des Sichtfeldes je nach Nutzer entstehen. Hersteller geben da- her nur einen ungefähren Wert des diagonalen Sichtfeldes an. Um repräsentative Daten zu erhal- ten, wurde ein 3D-Kopf mit repräsentativen Maßen verwendet.

Kamerafokus

Der Kamerafokus wurde auf den Linsenschliff scharf gestellt, sodass das Testbild verzerrt wurde. Folglich kann es zu geringen Varianzen bei der Zusammenfügung des linken und rechten Testbildes gekommen sein.

Material

Die Plastiksphäre kann nach Angaben des Herstellers von den Idealmaßen abweichen, sodass wei- tere Messungenauigkeiten entstehen können.

Wir stellen uns gerne den Fragen und der Kritik zu unseren Messergebnissen und werden diese nach besten Möglichkeiten für zukünftige Messungen in Betracht ziehen.

7. Glossar

AR Augmented Reality

AVEC Audio Video Equipment Check

FOV Field of View (Sichtfeld)

HMD Head-Mounted Display

IPD Pupillendistanz

MR Mixed Reality

MP Megapixel

NSB nicht-stereoskopischer Bereich

Pimax 8K KE Pimax 8K Kickstarter Edition

SB stereoskopischer Bereich

VR Virtual Reality

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8. Messprotokoll

Die folgenden Tabellen zeigen das Messprotokoll:

Messwerte rechtes Auge Messwerte binokulares Sichtfeld Messwerte rechtes Auge Messwerte binokulares Sichtfeld Differenz rechtes Auge zu binokular Herstellerangaben (Original Polsterung) (Original Polsterung) (Alternativ-Polsterung) (Alternativ-Polsterung) (Original Polsterung) gemessenes gemessenes gemessenes gemessenes gemessenes diagonales gemessenes gemessenes diagonales diagonales diagonales gemessenes diagonales gemessenes gemessenes gemessenes gemessenes Sichtfeld links diagonales Sichtfeld Mittelwert gemessenes gemessenes diagonales Sichtfeld links Mittelwert Abweichung zu gemessenes gemessenes Sichtfeld links Sichtfeld links Mittelwert gemessenes gemessenes diagonales Sichtfeld links Mittelwert Abweichung zu gemessenes gemessenes diagonales diagonales Sichtfeld diagonales horizontales vertikales Auflösung Wiedergabe- Augenabstand horizontales vertikales oben - rechts links unten - rechts diagonales horizontales vertikales Sichtfeld links oben - unten - rechts diagonales Hersteller- horizontales vertikales oben - rechts unten - rechts diagonales horizontales vertikales Sichtfeld links oben - unten - rechts diagonales Hersteller- horizontales vertikales Sichtfeld links oben links unten - rechts Typ Sichtfeld Sichtfeld Sichtfeld pro Auge frequenz einstellbar Sichtfeld Sichtfeld unten oben Sichtfeld Sichtfeld Sichtfeld rechts unten oben Sichtfeld angaben Sichtfeld Sichtfeld unten oben Sichtfeld Sichtfeld Sichtfeld rechts unten oben Sichtfeld angaben Sichtfeld Sichtfeld - rechts unten oben Pimax 8k (Kickstarter) large 200 170/150 (mittel) 120 2560 x 1440 nativ 75/80 ja 109 110 118,5 112,5 115,5 132,5 140 143 141,5 58,5 23,5 21,5 30,5 Pimax 8k (Kickstarter) normal 170 2560 x 1440 nativ 75/80 ja 109 110 118 107,5 112,75 126 137,5 133 135,25 34,75 17 19,5 25,5 Pimax 8k (Kickstarter) smal 150 2560 x 1440 nativ 75/80 ja 108 110 114,5 107,5 111 130 129 130 129,5 20,5 22 14,5 22,5 Pimax 8k (Kickstarter) Potato 130 2560 x 1440 nativ 75/80 ja 95,5 110 105,5 98,5 102 104 117 114 115,5 14,5 8,5 11,5 15,5 HTC Vive 110 1080 × 1200 90 ja 86 86,5 87 81 84 89,5 87 90 88,5 21,5 94 95 95 89 92 97,5 95 98 96,5 13,5 3,5 0 9 HTC Vive Pro 110 1.440 x 1.600 90 ja 93 93 94 88,5 91,25 97,5 96 97 96,5 13,5 92,5 92,5 93 88 90,5 99 95,5 99 97,25 12,75 4,5 2 8,5 HTC Vive Cosmos 110 1440 x 1700 90 ja 83,5 83 85 84 84,5 90 88,5 90 89,25 20,75 6,5 3,5 6 Medion Mixed Reality 100 1440 X 1440 90 nein 86,5 86 86,5 86,5 86,5 96 93 95 94 6 9,5 6,5 8,5 HP Mixed Reality 100 1440 X 1440 90 nein 86 86 86,5 85,6 86,05 96 93,5 95,5 94,5 5,5 10 7 9,9 Samsung Odyssey Mixed Reality 110 1440 × 1600 90 ja 81 91 85,5 84,5 85 106 101 102,5 101,75 8,25 25 15,5 18 Oculus Rift 100 1080×1200 90 ja 84 84 80,5 86 83,25 94,5 92,5 94 93,25 6,75 80 81,5 82 80 81 90 87,5 91,5 89,5 10,5 10,5 12 8 115 1280 x 1440 80 ja 81 83 83 82,5 82,75 90 93 95,5 94,25 20,75 9 10 13 Oculus Quest 100 1.440 × 1.600 72 ja 76,5 75 70,5 75 72,75 85,5 82,5 87 84,75 15,25 78,5 76 71,5 72 71,75 88 84,5 88,5 86,5 13,5 9 12 12 Pico G2 101 1.440 × 1.600 80 nein 71,5 73 74,5 69 71,75 79 77 80 78,5 22,5 7,5 2,5 11 Pico G2 4K 101 1.720 × 2.160 75 nein 72 76 78 74 76 86 82,5 86,5 84,5 16,5 14 4,5 12,5 Pico G2 pro 101 1.440 × 1.600 90 nein 82,5 83,5 85 80,5 82,75 92 88,5 92 90,25 10,75 9,5 3,5 11,5 Pico Neo 101 1.440 × 1.600 90 nein 86,5 88 90 84,5 87,25 96 92,5 95 93,75 7,25 9,5 2,5 10,5 Fove 100 1.280 X 1440 70 nein 74 73 73 71,5 72,25 81,5 77 81 79 21 7,5 4 9,5

Overlap Overlap - Alternative-Polsterung

gemessenes diagonales gemessenes gemessenes gemessenes gemessenes gemessenes Sichtfeld links diagonales Sichtfeld Mittelwert gemessenes gemessenes diagonales diagonales Mittelwert horizontales vertikales oben - rechts links unten - rechts diagonales horizontales vertikales Sichtfeld links oben - Sichtfeld links diagonales Sichtfeld Sichtfeld unten oben Sichtfeld Sichtfeld Sichtfeld rechts unten unten - rechts oben Sichtfeld

85,5 89,5 0 0

92 90,25 0 0

86 92,5 0 0 87 88,5 0 0 82,5 79,5 90,5 87,5 88,5 86 86 83,75 77 79,75 0 0 77 79 0 0 76 77,6 0 0 56 68,25 0 0 73,5 73,25 70 72,5 72 71,25 0 0 67,5 60,75 69 57 64 65 0 0 58 67,5 0 0 73 75,25 0 0 77 80,75 0 0 66,5 65,5 0 0

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9. Literaturverzeichnis

[1] A. Mathur, J. Gehrmann und D. A. Atchison, „Pupil shape as viewed along the horizontal visual field,“ Journal of Vision May 13(6), pp. 1-8, 2013.

[2] R. H. Spector, Clinical Methods: The History, Physical, and Laboratory Examinations., Boston: Butterworths, 1990.

[3] I. R. M. J. H. Strasburger, „Peripheral vision and pattern recognition: a review,“ Journal of Vision. 11, Nr. 5, p. 1–82, 2011.

[4] A. J. Augustin, Augenheilkunde, Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2001.

[5] C. Ware, Information visualization: perception for design, Morgan Kaufmann, 2012.

[6] N. B. u. R. F. Schmidt, Das visuelle System (6. Auflage), Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2006.

[7] G. T. Robert F. Schmidt, Physiologie des Menschen 21., korrigierte Auflage, Berlin : Springer Verlag, 1983.

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10. Impressum

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11. Förderhinweis

Die vorgestellten Arbeiten entstanden im Rahmen des Projekts "Applikationszentrum V/AR", wel- ches durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg geför- dert wird.

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