Дисплейные очки: что вы получите на самом деле

Мы много лет занимаемся стереоскопическим 3D и почти каждый день получаем один и тот же вопрос: стоит ли брать мини-очки с огромным виртуальным экраном и какой модели. Чтоб не повторять одно и тоже, мы написали этот обзор.

Ниже разоберемся в технологии без спешки и эмоций. Только оптика, физика, биология и математика, что реально известно. Все выводы можно проверить самостоятельно на калькуляторе. Люди, уже купившие такие устройства, говорят что чувствуют себя обманутыми. Читайте что вас ждёт - до покупки, а не после, когда деньги уже не вернуть.

Производители или блогеры вам сладко напоют фантастические медовые истории. Их задача продать вам это как можно дороже, или получить деньги за обзор или видео. Что будет дальше, им не интересно, дальше это ваши проблемы.

Формально все цифры в их рекламе правда. Но продают они просто цифры, а не то что пользователь увидит на самом деле. Но вам ведь нужна качественная картинка а не цифры в рекламе, верно? Экран может показаться большим. Но "большой" и "чёткий" - это совершенно разные вещи, и вторую характеристику в рекламе предусмотрительно не печатают. Иначе продаж не будет...

Как это сделано

Внутри любых таких очков стоит крошечная матрица micro-OLED, обычно от 0.5 до 1.0 дюйма и линза, которая проецирует и увеличивает мнимое изображение. Ваш глаз видит не сам экран, а его увеличенную оптическую проекцию.

На рынке есть два принципиально разных класса очков, и их постоянно путают.

Birdbath, оптические AR-очки.
Схема: линза, плоский поляризационный светоделитель и вогнутое полупрозрачное зеркало. Реальный мир вы видите сквозь стекло. Так сделаны XREAL, VITURE, Rokid Max и их клоны.

Pancake, по сути VR-шлем в оправе очков.
Складывание оптического пути поляризацией между двумя плёнками. Прозрачным такой блок быть не может, за оптикой стоит непрозрачная панель. Реальный мир вы видите через камеры на экране. Так сделаны Meta Quest в режиме passthrough и, например, недавний URXR One.

Это важное различие. Если в описании товара написано "spatial", "AR" и "see-through", обязательно выясните, идёт ли речь о взгляде сквозь стекло или о видеотрансляции с камер. Это два совершенно разных устройства.

Главный параметр, который вам не покажут

Что такое PPD
Забудьте про дюймы, разрешение матриц и слово -4K-. В очках есть только одна характеристика резкости, и называется она PPD pixels per degree, сколько расположено пикселей на градус поля зрения.

Почему именно она? Потому что чёткость изображения определяется не количеством пикселей и не размером картинки по отдельности, а их отношением. Один и тот же кадр 1920x1080 можно показать на экране размером с ладонь и на стене дома. Количество деталей не изменится, изменится только размер каждого пикселя в вашем поле зрения.

Формула простая:
PPD = пиксели по горизонтали / угол обзора по горизонтали в градусах
Человек с качеством зрения равным единице, различает детали примерно в 1 угловую минуту. Это соответствует примерно 60 PPD. Ниже этого порога вы начинаете видеть, что изображение состоит из точек/пикселей.

Теперь посчитаем реальные устройства.
Вот и весь секрет. Даже самые дорогие и новые модели дисплейных очков дают в два-три раза меньше PPD, чем обычный монитор за 150 долларов. Любые мини дисплейные очки находятся вдвое ниже порога, за которым глаз начинает видеть пиксельную структуру! Очки покажут картинку в несколько раз хуже чем простой смартфон за 50$.

Манипуляции с цифрами.
Производитель очков из последней строки таблицы указывает: ~36 PPD. Это не ложь, это значение по вертикали, 2064 делят на 56 градусов. Но вам это не нужно. Вам нужно совсем другое! Значение ПО ГОРИЗОНТАЛИ, где вы читаете или работаете с текстом или точной графикой. А там уже получается ~31 PPD, и этот позор предпочитают не писать. Всегда проверяйте, по какой оси посчитана заявленная цифра, и считайте сами. Обе цифры, разрешение и угол обзора, должны быть указаны в спецификации. Если их не указывают - значит вас хотят обмануть.

Cравним качественные показатели основных моделей
Таблица отсортирована по параметру PPD, от лучших к худшим. Главное, что из неё видно: чем шире FOV, тем хуже картинка. XREAL One Pro и VITURE Beast, самые дорогие и рекламируемые как самые "продвинутые" в линейках. У них наибольший угол обзора, и именно они на последних местах по качеству. Все дорогие модели - плохие.

Матрица та же, угол больше, пиксели крупнее. Реклама подаёт широкий FOV как достоинство, а по качеству - это прямой минус! Почти у всех семи моделей матрица 1920 пикселей по горизонтали. Одна и та же. Разница между $400 и $900 моделью только в размере угла обзора, то есть в том, насколько сильно растянуты те же самые пиксели. XREAL 1S обещает 500 дюймов и даёт 43 PPD, XREAL One обещает 70 дюймов и даёт те же 43. Цифра в рекламе различается в семь раз, качество одинаково мерзкое.

Почему "экран 130, 200, 300 и более дюймов" обман

Это самая частая манипуляция в отрасли, и работает она потому, что дюймы звучат понятно, а градусы нет.

Виртуальный экран не имеет размера в дюймах.

У него есть только угловой размер. Фраза "200-дюймовый экран" бессмысленна без второй половины, с какого расстояния на него смотрят. 200 дюймов с 10 метров и 200 дюймов с 3 метров это совершенно разные по качеству картинки. Производители обычно подбирают дистанцию так, чтобы число дюймов звучало покрасивее.

Главное правило: увеличение изображения линзой не добавляет ни одного бита информации. Оптика может растянуть картинку на любой угол, но пикселей в матрице как было 2000 в ряд, так и осталось. Растягивая экран с "100 дюймов" до "200 дюймов", вы не получаете больше деталей или резкости изображения. Вы получаете вдвое более крупные пиксели и вдвое худший параметр PPD.

Аналогия, понятная всем: возьмите фотографию 2 мегапикселя со старого телефона и растяните её на стену дома. Она станет больше. Но резче и лучше она не станет никогда!

Поэтому режим "увеличить экран" в таких очках вызывает только ухудшение качества, а не улучшение. Кто попробовал, тот знает, для нормального чтения текста экран приходится делать меньше. И затем пытаться читать микроскопические буквы.. вот где зрению приходит конец особенно быстро.

Куда пропадает 85-90% света

Ни одна схема ближнего поля не доставляет свет матрицы в глаз целиком. Свет проходит поляризатор, а это сразу минус 50% интенсивности, затем отражается от светоделителя, затем от полупрозрачного зеркала. Каждый переход это потери мощности света. Измерения лабораторий по оптике дают такие цифры:
Отсюда практические последствия, о которых не пишут в рекламе.

Тёмные линзы
Чтобы картинка вообще была видна, birdbath-очки блокируют примерно 70-75% света реального мира. Это уровень тёмных солнцезащитных очков. Вы не дополняете реальность, вы смотрите на мир через светофильтр. На улице днём картинка становится полупрозрачной и вялой и блёклой.

Чёрный цвет не чёрный
Micro-OLED сам по себе имеет отличный контраст, но в birdbath-схеме сквозь полупрозрачное зеркало в глаз попадает свет комнаты. Чёрное поле кино превращается в серое. И снова вам умело врут. Заявленный контраст 100000:1 относится к матрице, а не к тому, что вы увидите на самом деле. :)

Spatial-очки: вы смотрите на мир через камеру

Отдельный разговор про новую волну устройств на pancake-оптике, которые продают под словами spatial computing, 6DoF и high-fidelity video see-through.

Технически это честно: 6DoF-трекинг там действительно есть, окна действительно можно прикрепить к точке комнаты. Но фраза video see-through означает буквально следующее: перед вашими глазами непрозрачная панель, а окружающий мир вы видите как видеозапись с камер на корпусе. Это не AR-очки. Это VR-шлем в оправе очков.

Что это значит на практике.

Мир в низком разрешении
Ваши руки, клавиатура, лицо собеседника, всё вокруг будет с тем же отвратительным разрешением PPD, что и виртуальный экран. Не думаю что вам это понравится.

Динамический диапазон камеры хуже чем у глаз
Окно днём превратится в белое пятно, тёмный угол комнаты станет бурлящей кашей из шума.

Задержка сигнала
Производители говорят о 10 мс или немного меньше, это хороший показатель, но далеко не 1ms. При повороте головы мир отстаёт по времени и плывет. Совпадения не будет, не надейтесь.

Геометрия
Камеры расположены не там, где ваши зрачки. Из за этого, расстояния до предметов вы будете оценивать неверно. Наливать чай, брать инструменты, спускаться по лестнице в таких очках не рекомендуется. Можно покалечиться.

Резкость только в центре

Идеальных линз не существует. Качественные стоят сотни долларов. А дешевая линза массой в несколько граммов для этих очков тем более представляет собой значительный компромисс. Отсюда вам будет дан полный букет оптических дефектов, которые в спецификациях не указывают никогда.

Хроматические аберрации
По краям вокруг линий или белых букв появляются многократные цветные ложные контуры. Программная компенсации дефекта частична и не эффективна. Линза очков разбивает свет на спектральные компоненты и вы это отлично видите. Вспомните призму, которая делит свет на цветные радужные полосы. Тут аналогично.

Дисторсия и pupil swim
Прямые линии по краям картинки будут изгибаться, и характер изгиба меняется при движении глаза. Мозг воспринимает это как лёгкое плавание мира.

Малый eyebox
Резкая зона у зрачка это всего несколько миллиметров. Очки сползли на полсантиметра, картинка сразу замылилась. Поэтому люди постоянно поправляют такие очки на носу. Приходится не двигаться и сидеть как мумия - очень неудобно!

Вы не сможете читать глазами, только крутить головой
На обычном мониторе вы бегаете взглядом по строке. Здесь при повороте глаза зрачок выходит из зоны фокусировки, и вы вынуждены поворачивать голову чтоб передвинуть центр просмотра в нужное место текста. Час такого чтения утомляет шею сильнее чем тренировки в фитнес клубе.

Межзрачковое расстояние
У всех разные размеры головы, соответсвенно разные расстояния между зрачками. Если IPD не совпадает с оптическими центрами линз, глаза вынуждены сводиться неестественно. У большинства недорогих моделей регулировки IPD нет вообще - берите что дают. Это грозит расфокусировкой и значительными искажениями изображения. Центры линз и глаз должны точно совпадать.

Очки поверх очков
Если вы носите другие очки, вам будут нужны специальные вставки на заказ, а это дополнительные деньги и недели ожидания, либо встроенная регулировка. Астигматизм кстати вставками исправляется не всегда.

Будем смотреть и работать в путешествии

Не волнуйтесь - не будете... C текстом точно не получится. Вас ждет отдельный дефект, о котором продавцы молчат, а покупатели узнают уже в дороге, по факту. И этот дефект уничтожает мечту, ради которой очки чаще всего и покупают: работа или кино в поезде, автобусе, машине или самолёте.

Главная причина - механика, а не электроника
Вспомните про малый eyebox из раздела выше. Резкая зона у зрачка это всего несколько миллиметров. А очки держатся на переносице и ушах, то есть на мягких тканях, и весят 90-100 граммов, да ещё с кабелем, который тянет вниз и вбок. При каждом толчке, стыке рельсов или яме на дороге вся эта конструкция подпрыгивает относительно вашего черепа. Зрачок выходит за пределы резкой зоны.

Картинка не просто дрожит. Она теряет резкость и яркость: замыливается, по краям темнеет, вылезают цветные каёмки и геометрические искажения. Через секунду очки вернулись на место, через две снова ушли. Глаз всё это время пытается поймать фокус, которого нет.

Здесь принципиальная разница с телефоном. Телефон в руке при тряске трясётся вместе с вами, но остаётся резким, и глаз спокойно за ним следит потому что экран далеко. Очки при тряске уходят из фокуса очень быстро, потому что достаточно смещения на миллиметры. Это разные вещи. В итоге, в очках вы увидите картинку как на вибростенде, потому что даже маленькие внешние вибрации будут вызывать двоения и расфокусировку.

Лечится это только жёсткой фиксацией на голове, то есть ремешком вместо дужек. Но тогда это уже не очки, а шлем, и весь смысл лёгкой оправы пропадает. Программно дефект исправить невозможно. Оптика не знает, где находится ваш зрачок чтоб подстроить туда картинку. В этом случае хорошо поможет только кожаный намордник, как у собаки.

Вторая причина - дрейф виртуального экрана
Гироскоп и акселерометр внутри очков измеряют движение относительно земли, а не относительно вашего кресла в самолете. Отличить поворот вашей головы от поворота вагона они физически не могут. Камеры трекинга положения тоже не спасают, они цепляются за салон, а салон сам едет. Виртуальный экран, который должен неподвижно висеть в воздухе, уползает в сторону на каждом вираже и торможении. Это вас достанет уже минут через 15.

Сила дефекта зависит от режима. Если картинка жёстко привязана к голове, дрейфа нет, но нет и виртуального монитора. Дефект проявляется в режимах Anchor, 3DoF и 6DoF, то есть ровно в тех, ради которых устройство и покупают.

Производители проблему признают. Apple сделала для Vision Pro отдельный Travel Mode, без него при потере трекинга экран просто гаснет с предупреждением Tracking Failed. Официальная рекомендация Apple - самолёт и поезд. Движение автомобиля считается слишком переменчивым, метро и электрички с частыми остановками страдают так же. VITURE рекламирует автомобильный режим словами "экран остаётся неподвижным независимо от движения автомобиля, предотвращая укачивание". Это прямое признание того, что без такого режима он неподвижным не остаётся.

Будете блевать
Даже если картинку удалось стабилизировать, остаётся конфликт с вестибулярным аппаратом. Глаза видят неподвижный экран, внутреннее ухо чувствует ускорения и тряску. Это классический механизм укачивания, в очках он выражен значительно сильнее, чем при чтении книги. Потому что реальный мир вы не видите, а мир в очках - движется в иную сторону от ваших ощущений. Через некоторое время вам станет плохо..

Нагрузка на глаза: что известно точно

Что доказано и признано всеми

Конфликт аккомодации и конвергенции, VAC.
Это главная физиологическая проблема всех подобных устройств. В природе, когда вы смотрите на близкий предмет, глазные яблоки сводятся, это конвергенция, и одновременно хрусталик напрягается для фокусировки, это аккомодация. Два процесса жёстко связаны с детства. В очках оптика фиксирует фокусное расстояние на одной дистанции, обычно 2-6 метров, а сведение глаз зависит от того, на каком расстоянии находится виртуальный объект. Мозг получает рассогласованные сигналы. Это признанная причина зрительного утомления, головной боли и тошноты при длительном использовании.

Снижение частоты моргания и сухость глаз.
При сосредоточенном взгляде на яркий источник частота моргания падает, слёзная плёнка не обновляется. Ощущение песка в глазах и покраснение обычное дело. Это тот же механизм, что при работе за монитором, но выражен сильнее.

Кратковременные измеримые эффекты.
Исследования на детях и подростках фиксируют после сессий VR усталость, увеличение эзофории, снижение остроты зрения вблизи и временный миопический сдвиг. Эти эффекты проходят вскоре после снятия устройства.

Итог по здоровью
Такие очки почти наверняка не испортят вам зрение быстро, но с большой вероятностью будут вызывать усталость, резь и головную боль через 30-60 минут работы. Именно поэтому большинство купивших используют их всего несколько раз, а потом откладывают на полку навсегда.

Прямое сравнение с обычным монитором

Единственное, чего монитор не умеет делать: помещаться в карман, работать в самолёте и давать приватность экрана. Вот это честные преимущества дисплейных очков. Всё остальное в их рекламе - только про маленький размер, а не про качество.

Реальная цена: что не входит в ценник

Лёгкость таких очков достигается не чудом инженерии, а простым приёмом: из корпуса выброшены необходимые процессор и батарея. Вес 90-100 граммов, это только оправа без любой обработки сигнала. Значит, устройству всё равно будет нужен мощный процессор для показа видео, и вам всё равно придется носить его на себе.

DisplayPort Alt Mode
Подключение идёт по USB-C именно в этом режиме. Поддержка этого режима есть далеко не у всех телефонов и ноутбуков. Проверьте свой конкретный аппарат по модели, а не по наличию разъёма USB-C. Wi-Fi здесь не будет, в очках нет ни процессора, ни батареи, а беспроводная передача потребовала бы и того, и другого, плюс добавила бы сжатие и задержку.

Внешний аккумулятор
"Вы никуда не денетесь с подводной лодки". Телефоны не тянут питание дополнительных ярких дисплеев и такой нагрузки. Производители продают батарейный блок как отдельный платный аксессуар, типовая цена около $70, и это ещё дополнительные 300 грамм в кармане, и этой батарее тоже необходима зарядка.

Провода
Без кабелей и проводов ничего работать не будет.. надеюсь это понятно даже детям. Вы постоянно будете цепляться за окружающие предметы кабелем и очки будут с вас слетать и биться. Смотреть лежа вы так же не сможете.. Разъем кабеля упирается в подушку и спихивает очки с вашего носа. Выход только один - сидеть как мумия.

Фирменное приложение
Полный набор функций часто работает только через него и только на части платформ. Версии для iOS и Android обычно обещают позже. Но получив деньги, про это часто совсем забывают, не дождетесь...

Мелочи
Диоптрийные вставки, ремешок, чехол, переходники, всё это плюс к смете. Считайте итоговую сумму, а не цену на баннере.

Вопросы перед покупкой

Задайте продавцу эти вопросы. Если разумного ответа нет... это тоже ответ.

Разрешение и угол обзора по горизонтали?
Поделите одно на другое и получите PPD. Меньше 45, текст будет видно плохо. Не принимайте формулировку "4K", спрашивайте физические пиксели на глаз.

See-through оптический или через камеры?
Один вопрос, который отделяет AR-очки от VR-шлема в оправе.

Яркость в глазах, а не яркость матрицы?
Для комнаты нужно порядка 300 нит, для улицы около 1200.

Есть ли регулировка IPD?
Какое межзрачковое расстояние поддерживается. Вам нужно точное совпадение центров линз с расстоянием между именно вашими зрачками.

Что с диоптриями?
Вставки в комплекте, платные, или их нет вообще.

Мой конкретный ноутбук или телефон поддерживается?
И нужен ли к нему докупаемый аккумулятор.

Есть ли реальные снимки изображения через линзу очков?
Не рендеры, не скриншот того, что вы якобы должны увидеть, а именно фотография, снятая камерой из положения глаза. Если таких кадров нет ни у производителя, ни у обзорщиков, это уже явный красный флаг. Покупать не следует.

Какие условия и срок возврата?
Комфорт в таких устройствах очень спорен. Уже достаточно много жалоб пользователей. Возможность вернуть товар после часа использования дороже любой скидки.

Отдельно про краудфандинг
Kickstarter это не магазин. Вам никто не гарантирует успех. В большинстве случаев вы получите полуфабрикат низкого качества без возможности вернуть деньги.

Вывод

Дисплейные очки это инженерия с множеством компромиссов, устройства продают умалчивая о недостатках, без любых гарантий. В основном полагаясь на техническую безграмотность покупателей. Юзеры видят что качество посредственное - а обьяснить суть своих претензий не могут.

Закон оптики, из которого следует всё остальное, звучит так: увеличение изображения линзой не создаёт информации, которой нет в матрице. Огромный виртуальный экран это не большой качественный экран как в кинотеатре, и даже не как экран дисплея или телевизора.

Не покупайте, если вы хотите:
Заменить монитор для работы с текстом и кодом - это не будет работать
Если хотите качество картинки уровня телевизора - её не будет
Комфортное использование несколько часов подряд - комфорта не будет
Cмотреть медиа в путешествиях или транспорте - не сможете
Резкую картинку по всему кадру, тоже не будет..

Можно покупать, если вам нужно:
Смотреть кино в кресле, получить приватный экран в общем помещении, поиграть с этой технологией, понимая её дефекты. Или если у вас есть возможность быстро вернуть товар.

Если ваша цель - качественное изображение, включая 3D:
Обычный дисплей сразу выигрывает у любых дисплейных очков по всем возможным параметрам, кроме портативности. Это не личное мнение автора статьи, это законы оптики и математика PPD. Хотите поспорить с математикой? Попробуйте...

Источники
KGOnTech, разбор birdbath-оптики и измерения светопотерь
Information Display SID, эффективность оптических схем AR и MR
Систематический обзор, VR и миопия
Road to VR, спецификации современных pancake-очков