Warum Curved-Monitore falsch sind: FOV erklärt

Von Misie Gaming · 26. Juni 2019 · ·
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  1. Lesedauer: 8 min       Alternativ: misie.ga/warum-curved-monitore-falsch-sind-fov-erklärt
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    4K, HDR, 144 Hz und Adaptive-Sync – die Ansprüche an einen Monitor sind in den letzten Jahren ziemlich gestiegen. Ein weiteres Feature wäre ein »curved« Display. Gamer stehen doch auf große Kurven*, warum also nicht? Ich möchte dies als Aufhänger verwenden, um euch die Bedeutung von Field of View und Perspektive in Spielen zu erläutern. So wird man erkennen, dass Curved-Monitore für Games mathematisch gesehen falsch sind, jedoch eher die Spieleentwickler dafür gerügt gehören.


    Was genau ist FOV?

    Selbstverständlich dürfte fast jeder PC-Spieler schon einmal etwas vom »Field of View« (FOV), also dem »Sichtfeld« gehört haben. Vermutlich gehen die meisten von euch bei einem neuen First-Person-Spiel direkt in die Optionen und ändern die entsprechende Einstellung, beziehungsweise ärgern sich, falls diese fehlt.

    Allen anderen sei gesagt, FOV drückt einfach aus, wie viel Grad der Umgebung angezeigt wird. Entweder ist ein Slider ohne Werte angegeben oder es lässt sich eine gewisse Gradzahl für das horizontale oder vertikale Sichtfeld einstellen. Anhand des Seitenverhältnisses eures Monitors ergibt sich dann der Wert für das jeweils andere. Teilweise kann es jedoch vorkommen, dass die Optionen einen Wert anzeigen, der eine 16-zu-9-Auflösung (oder 4:3 bei älteren Engines) vermutet und dann bei breiteren Formaten nicht mehr stimmt. Seid den Angaben also lieber etwas skeptisch gegenüber.

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    Hier einmal als Beispiel Dear Esther mit 60° | 90° | 120° | 150° FOV.

    Mit einem Wert um die 90° dürften die meisten PC-Spieler zufrieden sein. Bei 120 oder gar 150 Grad würde der ein oder andere anmerken, wie hässlich verzerrt die Ränder sind. So sieht der Himmel links, beziehungsweise das Mauerwerk rechts extrem gestreckt aus. Das ist allerdings nur eure Meinung und bloß eine Frage der Perspektive!


    Warum sind diese Verzerrungen… nicht schlimm?

    Beginnen wir zur Beantwortung einfach mit einem kleinen Experiment. Unten findet sich ein Bild aus Hellblade, in dem Senuas rechter Unterschenkel stark in die Länge gezogen worden zu scheinen vermag. Bewegt euren Kopf schräg rechts neben den Monitor und fokussiert euch dabei nur auf ihr Bein.

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    Wird schräg auf ihren Schenkel geblickt, erscheinen dessen Proportionen wieder normal.

    Was wie Magie aussieht, lässt sich leicht erklären, wenn man weiß, wie 3D-Computerspiele den sichtbaren Bildausschnitt berechnen. Objekte wie Felsbrocken bestehen aus »Polygonen« (Vielecke); an der GPU kommen diese letztlich immer als Dreiecke an. Vereinfacht gesagt wird jedes Polygon auf die entsprechenden Pixel der virtuellen, zweidimensionalen Bildschirmleinwand abgebildet. Die exakte Position hängt vom Ort des virtuellen Auges ab, welches zusammen mit der Leinwand den Sichtkegel – beziehungsweise eher die Sichtpyramide – bildet. Ausgehend vom Auge nimmt der virtuelle Schirm auch genau das definierte FOV ein.

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    Die Polygone im dreidimensionalen Raum werden auf die flache Leinwand projiziert.

    Ist jetzt ein Objekt weit außen in der Szene, liegt es in einer deutlich schrägeren Sichtlinie und im Vergleich zu zentralen Dreiecken wächst es zu einer ordentlichen Größe heran. Allerdings handelt es sich hier nur um eine perspektivische Täuschung, wenn man die Leinwand lediglich für sich alleine nimmt.

    Damit meine ich, dass es aus Sicht des virtuellen Auges zu keinerlei Verzerrung kommt, da die Bildschirmränder ja gleichzeitig weiter vom Blickpunkt entfernt sind und ebenfalls schräger auf sie geblickt wird. Somit erscheint insgesamt alles wieder normal klein. Im Schaubild genügen wir uns mit 2D.

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    Am Auge nehmen beide Kreise das identische Winkelmaß ein, auch wenn die Leinwand die Objekte unterschiedlich dimensioniert darstellt.

    Diese Perspektive nennen wir geradlinig. Damit sie Sinn ergibt, müssen eure echten Augen als Voraussetzung möglichst mit der virtuellen Position übereinstimmen. Dazu braucht ihr euch nicht in die Matrix einklinken, sondern so nahe vor den Monitor setzten, damit jener genau das Sichtfeld in der echten Welt einnimmt, wie ihr es im Spiel eingestellt habt. Der erste Schritt zu einer CS:GO-Profikarriere wäre damit ebenfalls getätigt.


    Und wie sieht es mit einem Curved-Monitor aus?

    Man kann jetzt schon ahnen, dass wenn das Bild bei zu großer Entfernung zum Bildschirm verzerrt, dasselbe bei krummen Monitoren (trotz passender Distanz) passieren dürfte. Und dem ist freilich so. Wenn die virtuelle Leinwand für einen flachen Bildschirm flach sein muss, müsste sie für einen gebogenen genauso gebogen sein.

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    Diesmal wurde die Leinwand gekrümmt, deckt aber weiterhin das gleiche FOV ab. Die Objekte sind nun auf dem Schirm gleich groß repräsentiert.

    »Na toll, also schon wieder auf diese Clickbait-Überschriften reingefallen!?« – Bevor ihr diesen Gedanken kreiert, werfe ich ein, dass für gewöhnliche Computerspiele solch eine Leinwand nicht möglich ist. Wie vorhin erklärt, arbeitet man mit Polygonen. Einer der Gründe dafür ist, dass es mathematisch simpel ist, aus den Eckpunkten ein Dreieck zu erzeugen und auf jeden Punkt der Oberfläche zu navigieren (zum Beispiel für die Texturierung).

    Projiziert man nun allerdings auf eine gekrümmte Oberfläche, wölben sich die Kanten eines Dreiecks im Zweidimensionalen, was eine Qual wäre, wenn dies mathematisch beschrieben werden müsste. Wir müssen uns also mit einer flachen Leinwand und einem potentiell verzogenen Bild zufriedengeben. Bei einem Curved-Display könnte man sich zur Korrektur jedoch ebenfalls wieder näher hinsetzten.


    Sind Verzerrungen nicht egal?

    Man kann anbringen, dass es doch weitaus Wichtigeres für die Computergrafik gibt. Außerdem verwendet man beim Film oder der Fotografie diverse Linsen, die ähnliche Effekte wie unsere verschiedenen virtuellen Schirme erzeugen, und für unterschiedliche Stimmungen oder optisch vorgetäuschte Größenverhältnisse eingesetzt werden.

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    Filme können gradlinige Weitwinkelobjektive einsetzten, um Gänge länger wirken zu lassen.

    Wie hingegen schon häufiger erwähnt, sollte man nicht blind alles Visuelle aus Filmen nachmachen, auch wenn viele Triple-A-Titel mit ihren zahlreichen Zwischensequenzen so wirken. Bewegt man sich indessen manuell durch die 3D-Welt eines Spiels, hilft einem ein korrektes Sichtfeld bei der Einschätzung von Distanzen und Geschwindigkeiten. Bei simulationslastigen Rennspielen wie DiRT Rally finde ich dies sehr wichtig, auch wenn man bei einem Overwatch wohl eher ein möglichst großes FOV bevorzugt.

    Bewegt sich der Spielercharakter, entsteht an den verzerrten Rändern – also wegen falscher Distanz zum Monitor – nun zusätzlich das Problem, dass Objekte dort nur so vorbeihuschen. Die meisten Personen stört das kaum, je nach Empfindlichkeit kann das allerdings Motion Sickness auslösen.

    Übrigens ist die geradlinige Perspektive ebenfalls ein Problem für Virtual Reality. Wegen den Linsen in VR-Brillen kommt es nämlich trotz übereinstimmendem FOV zu solchen Verzerrungen, weshalb man gerne eine kurvenförmige Perspektive haben möchte, die einer horizontal und vertikal gebogenen Leinwand entspricht. Klickt auf die folgenden Bilder zum Umschalten der beiden Perspektiven – jeweils mit identischem Ingame-FOV.

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    Auf einem flachen, normalgroßen Monitor werden beispielsweise die mittelalterlichen Straßenlaternen links oben gebogen, dafür sind die Größenverhältnisse korrekt (vergleiche die Speere mittig mit rechts).


    Halt! … War gebogen nicht unmöglich?

    Als wir über die gekurvte Leinwand redeten, sagte ich nur, dass dies nicht direkt bei der Rasterisation möglich sei. Bei Raytracing könnte man hingegen die Strahlen durch eine Linse schicken, um dasselbe zu erreichen. Wenn man die Performance von Quake II RTX einmal genauer analysiert, dürfte vernünftiges Raytracing in modernen Games allerdings noch ein ganzes Weilchen brauchen.

    Praktikabel wäre derweil, Frames ganz normal zu rendern und dann lediglich das erzeugte Bild zu biegen, bis es kurvenförmig aussieht. Beim Screenshot oben hab ich das einfach mit GIMP erledigt, aber natürlich kann man dies ebenso in einem ingame Post-Processing-Schritt durchführen. Dank eines Shaders für ReShade ist es sogar in fast jedem Titel möglich.

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    Die Entfernung der einbeinigen Senua lässt sich nun besser einschätzen. Diesmal wurden die überstehenden Wölbungen abgeschnitten.

    Wenn euch die Verzerrungen doch stärker stören oder ihr Probleme mit Übelkeit oder Schwindel beim Spielen habt, empfehle ich euch das auszuprobieren. Die Stärke des Effekts solltet ihr nach Gefühl einstellen und euch etwas Zeit zum daran Gewöhnen geben. Es ist auch möglich beide Achsen unterschiedlich stark zu biegen, da ja ein Curved-Monitor nur in der Horizontalen gekrümmt ist. Die entsprechende Perspektive nennt man zylindrisch und ist beispielsweise in der Unreal Engine einfach zuschaltbar. Bei Fotografien von Architektur wird sie häufig bevorzugt, weil senkrechte Linien nicht gebogen werden (siehe die »F«-Hieroglyphen im folgenden Screenshot).

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    Bei der zylindrischen Perspektive wirkt Senua nicht mehr so gestreckt.

    In jedem Fall haben die Methoden die auf Nachbearbeitung setzten allesamt das Problem, dass Unschärfe in der Bildmitte entsteht, weil einzig mit den vorhandenen Pixeln gearbeitet werden kann. Hier hilft nur eine höhere Auflösung und späteres herunterskalieren.

    Generell ist ein flacher Monitor aber auch sehr unpraktisch, wenn er einen großen Teil des Sichtfeld einnehmen soll. Sagen wir einfach, ihr verlängert euren aktuellen Monitor in die Breite. Für jeden Zentimeter den ihr dranpackt, wird bei gleichbleibendem Abstand zu eurem Sehapparat der Gewinn an FOV ja immer geringer, da sich die Ränder weiter von den Augen entfernen und die dortigen Pixel im Verhältnis schrumpfen. 180 Grad sind gar unmöglich zu erreichen.

    In einem Spiel könnte diese Einschränkung aber umgangen werden, indem man mehrere virtuelle Leinwände in verschiedene Richtungen zeigen lässt, jeweils mit einem kleinen FOV. Diese müssten perspektivisch nur leicht korrigiert und zu einem großen Panorama zusammengesetzt werden. Im Fotomodus einiger weniger Titel wird dies sogar unterstützt.

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    360-Grad-Bilder lassen sich aus mehreren Blickwinkeln zusammensetzten. Hier mit fünf einzeln geknipsten Screenshot aus The Vanishing of Ethan Carter.


    Wie schlimm ist Curved jetzt wirklich?

    Nur weil Curved-Displays in der Theorie nicht zur Grafikausgabe passen, ist mein Beitrag nicht dazu da, um dessen Besitzer zu ärgern. Eigentlich bräuchte ich nichts mehr sagen, da viele Käufer dieser Monitore ohnehin schon längst einen bösen Kommentar dagelassen haben. Nichtsdestotrotz, nur weil es wohl kein bekanntes Spiel gibt das »für Curved optimiert« ist, bedeutet das nicht solche Monitore wären unnötig. Im Gegenteil, die Vorteile der Krümmung sprechen für sich.

    Gleichzeitig ist die Biegung noch relativ entspannt und die meisten Modelle (»1800R«) liegen bei einem Abstand von 1,8 Metern auf einer perfekten Kreisbahn. Normalerweise sitzt man ein gutes Stück näher vor dem Kasten, der Effekt wird also wiederum schwächer. Aber wer weiß, ob es stärkere Krümmungen gäbe, wenn eine kurvenförmige, beziehungsweise zylindrische Perspektive in Spielen besser unterstützt wäre. Wer leicht von Motion Sickness betroffen ist, sollte trotzdem lieber erst Probe kotzen glotzen.

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Kommentare

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  1. dest1ny49
    deswegen ist Triple-Screen doch teilweise besser als ein großer Curved-Monitor.
    Zumindest iRacing berechnet dann für jeden Monitor die korrekte Perspektive, so gibt es weniger Verzerrungen.
      Misie Gaming gefällt das.
    1. Misie Gaming
      Ja, das ist natürlich deutlich besser. Allerdings dürften das wenige Spiele bieten, da Triple-Screen wohl bis auf Renn- und Flugsims ausgestorben sein dürfte.
  2. i.z.
    "was eine Qual wäre, wenn dies mathematisch beschrieben werden müsste"

    Mathematiker hier. So schwierig ist das nun auch wieder nicht.

    Die Position der Leinwand muss, relativ zum virtuellen Auge, sowieso berechnet werden. Für eine Projektion auf eine Zylinderwand anstelle einer flachen Ebene müsste dafür nur eine Formel geändert werden, die fortan vom Krümmungswinkel abhängt. Und den sollte das Spiel ja irgendwie vom System erfragen können; der Monitor wird ja wissen, wie gekrümmt er ist.

    Übrigens ginge diese Berechnungsformel für eine Krümmung von 0° wieder in die ursprüngliche Formel für eine flache Ebene über. Man müsste also nicht mal eine If-Condition bauen.

    So, wie im Beitrag beschrieben, funktioniert es übrigens nur, weil die Mantelfläche eines Zylinders geometrisch immer noch flach ist, d.h. euklidisch. Wäre der Monitor in beide Richtungen gekrümmt (also nicht mehr ein Ausschnitt eines Zylinders, sondern einer Kugel), dann wäre die Geometrie nicht mehr euklidisch, sondern sphärisch.
    Und das macht dann tatsächlich einen Unterschied, weil das euklidische Parallelenaxiom nicht mehr gilt.

    Eine Projektion auf diese Oberfläche wäre aber immer noch möglich - und sogar unumgänglich. Man könnte nicht mehr, wie bei der einfach gekrümmten Zylindermantelfläche, das Bild "nachbiegen"; das lässt der Wechsel der Geometrie nicht zu.

    Das kann auch jeder selber zuhause ausprobieren: Einfach mal ein Blatt Papier oder ein Taschentuch um eine Kugel, wie z.B. einen Fußball oder eine Orange, wickeln. Man wird es nicht knitterfrei hinbekommen.


    Übrigens: Herzlichen Glückwunsch zum User-Artikel des Monats. Ist wirklich ein sehr guter Beitrag, bei dem ich auch was gelernt habe. Ich wusste bisher nämlich nicht, dass die Entwickler allesamt bei der FOV-Berechnung die Krümmung des Displays ignorieren. Jetzt bin ich mir nicht mehr so sicher, ob mein nächster Desktop-PC wirklich einen Curved-Monitor bekommen soll.
      Leondriel und Misie Gaming gefällt das.
    1. View previous replies...
    2. i.z.
      Den Projektionspunkt auf der flachen Ebene kannst du auch nicht einfach so hinschreiben, da brauchst du auch Winkelberechnungen für.
    3. Misie Gaming
      Vor dem eigentlichen Berechnen der Polygonabbildung auf die Leinwand wird auf die Parallelprojektion gegangen (das hatte ich vergessen), so braucht man keine Winkelberechnungnen. Von einer Zylinder- oder Kugeloberfläche darauf zu kommen, dürfte aber deutlich schwerer sein und das sollte damit das eigentliche Problem sein.
    4. i.z.
      Ich sehe nach wie vor kein Problem. Die Geometrie ist simpel und alle Größen sind bekannt. Man muss keine zeitintensive Iteration oder sonstiges draufwerfen.

      Aber wir sind vermutlich an einem Punkt angelangt, an dem uns wohl nur noch ein echter Insider aufzeigen kann, warum die Dinge so gemacht werden, wie sie gemacht werden. Ich zweifle ja nicht an, dass sie dafür ihre Gründe haben; ich kenne sie nur nicht.
  3. VaniKa
    Ich bin zu der Faustformel gelangt, dass der optimale FOV-Wert bei einem (nicht gekrümmten) Bildschirm der tatsächliche Winkel, den der Bildschirm abdeckt, plus 60° ist. Da fühlt es sich natürlich an und man nimmt auch die Verzerrung am Bildschirmrand kaum wahr. Denn die Verzerrung fällt je mehr auf, desto weiter weg man vom Bildschirm ist bzw. desto kleiner der Bildschirm ist (bedeutet ja am Ende optisch das Gleiche). Ist man zu weit weg, wird der Bildinhalt zu klein, sodass man nichts mehr erkennt. Die Formel sorgt für den optimalen Kompromiss aus Übersicht, Details und Verzerrung.
      i.z. und Misie Gaming gefällt das.
  4. Canijo
    Hab zwar einen 34" 21:9 Curved, lasse dir aber trotzdem einen Like da für den tollen Artikel. Subjektiv muss ich sagen, dass ich seit ich den curved habe wesentlich höhere FOV fahre als vorher, was aber mehr an Format der Auflösung liegen dürfte als am curved. Von daher danke für den tollen Input.
      Misie Gaming gefällt das.
    1. Misie Gaming
      Danke! Aber ja, manche Monitore werden mittlerweile echt riesig und man sitzt trotzdem noch so nah vor ihnen wie früher. Da hat man dann auch mit leichter Krümmung kaum Sorgen das FOV zu hoch einzustellen.
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