Bild: Meta
Varifocal für mehrere Fokusebenen ist ein wichtiges Merkmal kommender VR-Displays. Die Videos zeigen, wie es digitale Welten darstellen könnte.
Es ist ein Problem, das so alt ist wie die VR-Brille: Nachdem Sie viel Zeit in VR verbracht haben, schmerzen Ihre Augen und Ihr Kopf schmerzt. Ursache ist ein Phänomen, das auch als Vergenz-Akkommodations-Konflikt (VAK) bekannt ist.
Betrachtet man ein Objekt in seiner natürlichen Umgebung, passieren zwei Dinge. Zum einen passen sich die Augäpfel durch sanftes Drehen an das Objekt an, um ein optimales stereoskopisches Sehen zu gewährleisten. Dieses Phänomen wird Vergenz genannt. Andererseits werden die Linsen durch Muskelkontraktion so geformt, dass das Objekt scharf erscheint. Dieses Phänomen wird als Akkommodation bezeichnet.
Diese Mechanismen des menschlichen Auges sind normalerweise gekoppelt und in ständiger Wechselwirkung. Das Aufsetzen eines VR-Headsets kollidiert zwischen diesen beiden Reflexen, was zu Augenbelastung, Kopfschmerzen und sogar Übelkeit führen kann. Eine längere Verweildauer in VR wird dadurch stark verändert. Daher wäre eine VR-Brille mit Gleitsichtgläsern eine große Bereicherung.
Wie entsteht der Vergenz-Akkommodations-Konflikt?
Der Grund für diesen Konflikt liegt im Design aktueller VR-Headsets. Durch das Zusammenspiel von Bildschirm und Linsen entsteht eine einzige feste Brennebene in einer Entfernung von etwa zwei Metern.
Alles, was über diesen Bereich hinausgeht, ist für das Auge unendlich weit entfernt und gleichmäßig scharf. Da natürliche Umgebungen aus unendlich vielen glatten Brennebenen bestehen, ist dies eine optische Anomalie für das Auge.
Betrachtet man in VR ein Objekt, das mehr als zwei Meter entfernt ist, stellt dies kein ernsthaftes Problem dar, da Vergenz und Akkommodation unter diesen Bedingungen mehr oder weniger leise zusammenarbeiten.
Diese drei Vergleichsbilder veranschaulichen den Konflikt zwischen Vergenz und Unterkunft. Oben: Blick in eine natürliche Umgebung. Mitte: Blick auf eine entfernte Virtual-Reality-Umgebung. Unten: Blick auf ein nahes VR-Objekt. | Bild: Douglas Lanman / Meta
Ein Konflikt zwischen diesen Mechanismen entsteht nur im Vordergrundbereich: Die Augäpfel konvergieren, um auf das Vordergrundobjekt zu fokussieren, während die Linsen aufgrund falscher Tiefeninformationen davon ausgehen, dass das Objekt unendlich weit entfernt ist, und folglich nicht richtig fokussieren. . Das Ergebnis ist ein unscharfes Bild der gesamten virtuellen Umgebung.
Dass Vergenz und Akkommodation auf unterschiedlich weit entfernte Objekte wirken, irritiert das Gehirn, was bei längerem Aufenthalt zu den oben genannten unangenehmen Symptomen führen kann.
Half-Dome: Meta-Varifokal-Bildschirm-Prototyp
Die Industrie arbeitet seit vielen Jahren an Displays, die Gleitsichtgläser in VR ermöglichen sollen, also die natürliche Fokussierung und Schärfe von virtuellen Objekten in jeder Entfernung. Als besonders vielversprechend gelten Gleitsichtdisplays und Lichtfelddisplays.
Im Jahr 2015 entwickelte Meta einen massiven Gleitsichtprototyp mit präzisionsgefertigten Teilen. In den folgenden Jahren miniaturisierte und vereinfachte Meta die Technik. Das Ergebnis ist ein Prototyp namens Half-Dome 3, der auf unbeweglichen Flüssigkristalllinsen basiert. Sie erzeugen durch unterschiedliche elektrische Ladungen bis zu 64 verschiedene Fokusebenen und liefern so dem Auge die Tiefeninformation, die es benötigt, um Objekte in der Nähe richtig zu fokussieren.
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Half-Dome 3 bietet trotz seines schmalen Formfaktors progressive Sicht. | Bild: Meta
Ein Nachteil von Displays mit variabler Brennweite ist, dass sie ein genaues und schnelles Eye-Tracking erfordern: Das VR-Headset muss bestimmen, worauf das Auge blickt, und die nächstgelegene Fokusebene aktivieren. Gerenderte künstliche Unschärfe bietet mehr Tiefeninformationen als Akkommodationsunterstützung.
Das folgende Video zeigt das Bild von Metas erstem Gleitsicht-Prototyp, der bereits unglaublich gut funktioniert: Man sieht den Brennpunkt des Auges und wie sich das System zwischen verschiedenen Fokusebenen verändert.
Wie beim Betrachten einer natürlichen Umgebung kann der Headset-Benutzer Akkommodation verwenden, um abwechselnd auf den Vorder- und den Hintergrund zu fokussieren, wobei eine Ebene fokussiert und die andere verschwommen ist. Besonders deutlich wird dies bei Maschendrahtzäunen.
Visualisierung des Creal Lichtfeldes
Lichtfelddisplays sind eine zweite vielversprechende Technologie, die den Vergenz-Akkommodations-Konflikt lösen könnte. Auf diese Lösung setzt das Schweizer Start-up Creal (ausgesprochen Kriil), das seit fünf Jahren an der Lichtfeldtechnologie arbeitet und seitdem mehrere VR- und AR-Prototypen vorgestellt hat.
Der Creal-Bildschirm ahmt das Verhalten von Licht nach, das in der natürlichen Umgebung reflektiert wird. Daher sind die Fokusebenen bereits in den Bildinformationen enthalten und müssen nicht separat simuliert werden: Das Auge kann natürlich fokussieren, Eyetracking ist nicht einmal notwendig. Das folgende Video zeigt, wie die Technologie funktioniert.
Creal hat Videos veröffentlicht, die das Lichtfeld-Display in Aktion zeigen. Das neuste Video ist vom Juni und zeigt den Virtual-Reality-Prototypen. Es zeigt sehr gut den Fokuswechsel zwischen Vorder- und Hintergrund, je nachdem worauf die Kamera fokussiert: einmal Hand und Finger, einmal den Bildschirm dahinter.
Die Nachteile des aktuellen Prototyps bestehen darin, dass das Lichtfeld nur in einem Sichtfeld von 30 Grad angezeigt wird und das Gerät noch sehr klobig ist. Creal will die Größe des Headsets in den nächsten Jahren auf den Formfaktor einer Skibrille reduzieren.
Wenn Sie mehr über die VR- und AR-Lichtfelddisplays von Creal erfahren möchten, können Sie sich auf YouTube eine Präsentation von Mitgründer und CEO Thomas Sluka ansehen.
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