Cómo funcionan las lentes de Realidad Virtual

Las gafas de Realidad Virtual súper avanzadas como la HTC Vive Pro o la Oculus Rift S pueden ser muy populares hoy en día. Con una serie de sensores de movimiento y posicionamiento complementados por intuitivos mandos de mano, estos dispositivos han establecido el estándar para las modernas gafas de RV.

Una parte de las gafas de RV que no han visto muchos cambios desde los comienzos de la era del cartón son sus lentes. ¿Qué hace que las lentes VR sean especiales y cómo funcionan? ¿Hay diferentes tipos de lentes disponibles, y cuál es el mejor?

Cómo funciona un ojo humano

Para entender por qué los lentes son un componente crítico de los cascos de RV, primero debemos entender cómo funcionan nuestros ojos. Vemos objetos a través de los rayos de luz que se reflejan en ellos. Estos rayos de luz son recibidos por nuestros ojos, y es en la forma en que nuestros ojos reciben estos rayos de luz y transmiten esta información a nuestro cerebro así percibimos la forma, tamaño, color, textura y ubicación de cualquier objeto.

Con tanta información visual a nuestro alrededor, nuestros ojos tienen la extraordinaria característica de «enfocar» un objeto a la vez. Esto es posible gracias a un conjunto de «lentes» en nuestros ojos que se colocan justo detrás de la pupila. Estos lentes toman los rayos de luz que vienen de diferentes direcciones y los enfocan en un solo punto detrás de nuestros ojos. Al igual que el objetivo de una cámara, el enfoque en un objeto cercano puede hacer que los objetos a distancia se vuelvan borrosos, y viceversa.

¿Alguna vez te has preguntado por qué es tan relajante mirar por la ventana de vez en cuando mientras estás en el trabajo? ¿O cómo tus ojos se sienten refrescados después de sentarte en la playa y mirar el horizonte? Esto se debe a que al enfocar la vista en algo a distancia (acercándose al infinito) significa que los rayos de luz incidentes entran en tus ojos en una dirección paralela. Por lo tanto, la forma naturalmente convexa de las lentes en sus ojos no necesita hacer tanto trabajo para enfocar los rayos de luz.

En contraste, enfocarse en objetos cercanos puede ser muy agotador durante largos períodos de tiempo. Cuando los rayos de luz convergen en las lentes de tus ojos desde un objeto cercano, las lentes necesitan flexionarse y ajustarse para enfocar los rayos de luz que llegan desde diferentes ángulos. Esto requiere mucho trabajo, aunque puede que no lo hagamos conscientemente.

Como nota al margen, las lentes de nuestros ojos pierden esta flexibilidad a medida que envejecemos. Esta es la razón por la que las personas mayores tienen más dificultades para enfocar objetos, ya sea que estén demasiado cerca o demasiado lejos.

¿Por qué las gafas de Realidad Virtual necesitan lentes?

Ahora, veamos las lentes de RV. Tanto si utilizas gafas de RV con pantalla integrada como si utilizas tu smartphone como pantalla, el hecho es que la pantalla está a menos de cinco centímetros (más o menos) de tus ojos. ¿Alguna vez has usado tu teléfono a 5 cm de tu cara? Por supuesto que no, ya que será imposible que tus ojos se concentren en algo tan cercano.

gafas de cartón de realidad virtual

Aquí es donde entra en juego la magia de los objetivos de RV. Las lentes de RV hacen el trabajo que las lentes de nuestros ojos no pueden hacer. Los lentes corrigen los ángulos de los rayos de luz de la pantalla y los dirigen a tus ojos en ángulos paralelos. Así, tus ojos perciben los objetos en su pantalla mucho más lejos de lo que realmente están. Al transmitir los rayos de luz en ángulos paralelos, las lentes VR también ayudan a que la experiencia de la RV sea menos agotadora para sus ojos.

El efecto puerta o screen door y las lentes Fresnel

En las primeras épocas de la tecnología de auriculares VR, el efecto puerta era uno de sus mayores problemas. Puedes imaginarte esto como una imagen si la miras a través de una malla muy fina – pequeños cuadrados separados por una cuadrícula en blanco. Esto no tiene nada que ver con los objetivos, sino que es un artefacto de cómo se presentan las imágenes en cualquier tipo de pantalla digital.

En una pantalla digital, cualquier dato visual es representado por píxeles. Se trata de unidades discretas, y sólo un número limitado de ellas puede visualizarse en una sola pantalla. Mientras que la distinción entre píxeles apenas se puede ver en cualquier monitor estándar, mirar una pantalla desde una distancia muy pequeña – como en los cascos VR – puede exagerar enormemente la degradación visual debida a los píxeles.

Hoy en día, el efecto de puerta no es un problema tan grande debido al desarrollo de pantallas de mayor resolución. Los píxeles de estas pantallas son más pequeños, lo que permite que más de ellos se muestren en una sola pantalla. Al reducir la distancia entre píxeles, el efecto puerta se ha minimizado en gran medida.

Sin embargo, los fabricantes de gafas VR también han encontrado una forma innovadora de abordar el efecto puerta, y es a través del uso de lentes Fresnel.

¿Qué son las lentes Fresnel? ¿Son mejores?

Las lentes Fresnel, conceptualizadas por el físico francés Augustin-Jean Fresnel, se utilizaron por primera vez para disminuir el tamaño y el peso de las lentes utilizadas para concentrar los haces de luz en los faros. Son capaces de lograr esta hazaña sustituyendo una sola lente gruesa por una serie de lentes pequeñas. Debido a que hay poca variación en los ángulos de incidencia de los rayos de luz que reciben estos pequeños lentes, también pueden ser mucho más delgados que los lentes asféricos simples.

Las lentes Fresnel se han convertido en el nuevo estándar para los modernos cascos de Realidad Virtual a partir del HTC Vive y el Oculus Rift CV1. Gracias al uso de las lentes Fresnel, las nuevos gafas VR se han vuelto mucho más ligeras, lo que las hace más cómodas para pasar muchas horas de juego de VR. Las lentes Fresnel también han ayudado a los cascos VR a mantener un diseño elegante, en contraste con sus predecesores «más robustos».

Se ha observado que Oculus utiliza la tecnología de lentes Fresnel para mitigar el efecto puerta. Contorneando las lentes individuales para maximizar el número de píxeles en el campo de visión del usuario, Oculus es capaz de minimizar el espacio entre píxeles en un grado casi imperceptible.

mujer usando gafas de realidad virtual

El jurado aún no ha decidido si las lentes Fresnel son una mejora general con respecto a las lentes individuales, pero la industria de los auriculares VR parece concentrada en mejorar esta tecnología e implementarla en todas las versiones futuras. Sin embargo, las lentes de Fresnel todavía tienen un defecto evidente y se han convertido en una fuente principal de frustración entre los entusiastas de la RV.

El efecto Rayos de Dios o God Rays y las limitaciones de las lentes Fresnel

Los lentes Fresnel utilizan una serie de lentes pequeños para mantener el tamaño y el peso de los cascos VR bajos. Sin embargo, las lentes mismas siguen siendo unidades discretas separadas por un espacio, no importa cuán pequeño sea. Cuando la luz llega a estos huecos, llamados «crestas», la luz se dispersa en lugar de enfocarse.

La dispersión involuntaria de la luz alrededor de estos bordes resulta en lo que en la industria se llama «efecto de los rayos de dios». Esto puede observarse fácilmente como rayos difusos de luz que emanan hacia el exterior de secciones particulares de una imagen de RV. Bajo ciertas condiciones, el efecto de los rayos de dios puede incluso empeorar hasta convertirse en destellos de lente completa.

El efecto de los rayos de dios es fácilmente uno de las cosas más odiadas en el entretenimiento de la RV, hasta el punto de que la gente ha estado modulando sus auriculares Oculus Rift CV1 con piezas de repuesto del Samsung Gear VR para eliminarlo. La reducción de los rayos de dios también se ha convertido en una de las principales áreas de enfoque en la investigación de productos y en los esfuerzos de innovación de las principales empresas de RV, como Samsung y Oculus.

Reducir el efecto de los rayos de dios no es tan simple como diseñar una lente de Fresnel con menos segmentos. Aunque esta solución puede reducir el número de crestas donde la luz puede dispersarse, tener secciones más grandes de lentes delgadas puede reducir significativamente la nitidez de la imagen de RV. Considerando cuánto del costo de estos cascos VR van a parar a pantallas de alta resolución, arruinar la calidad de la imagen debido a los objetivos parece un paso atrás.

Más recientemente, Facebook presentó una patente para una lente híbrida Fresnel, presumiblemente para sus auriculares Oculus. El diseño híbrido tiene una lente estándar, no de Fresnel, cerca del centro para reducir el efecto de los rayos de dios. Las lentes Fresnel se utilizan a lo largo de la periferia, donde el efecto de los rayos de dios no será tan atroz. Este diseño puede no ser tan pequeño y ligero como una lente de Fresnel completa, pero puede tratar uno de los artefactos ópticos más grandes que han persistido a través de esta generación de gafas VR.

Conclusión

Es fácil pasar por alto el papel que desempeñan las lentes en las gafas de Realidad Virtual debido a su bajo perfil en comparación con las pantallas y sensores OLED de lujo. Sin embargo, estas lentes de RV han existido desde la época en que los auriculares de RV sólo consistían en una montura de cartón y un par de correas. Básicamente, actúan como la interfaz entre nuestros ojos y la pantalla de alta resolución que se encuentra a unos pocos centímetros de distancia.

Por muy simples que parezcan, las lentes se han convertido en un punto central de los esfuerzos de innovación de las empresas de tecnología de RV. Las aberraciones ópticas siguen siendo un problema incluso en la actual generación de auriculares de RV. Sin embargo, en realidad es sólo cuestión de tiempo antes de que el hardware se ponga al día para resolver estos problemas.

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