Applikationszentrum V/AR Bericht #08: Head-Mounted Displays
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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 2 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 Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR), Mixed Reality (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- 3 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). 4 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