Displej na hlavu - Head-mounted display

Letecké aplikace najdete na displeji na přilbě .
Voják britské vojenské rezervy předvádí náhlavní soupravu pro virtuální realitu

Hlavy namontované displej ( HMD ) je zobrazovací zařízení, nosí na hlavě nebo jako součást přilby (viz Přilba stavění displej pro letecké aplikace), který má malý displej optiku před jedním ( monokulární HMD), nebo každý oko ( binokulární HMD). HMD má mnoho využití, včetně her, letectví, strojírenství a medicíny. Náhlavní soupravy pro virtuální realitu jsou HMD kombinované s IMU . K dispozici je také optický displej namontovaný na hlavě (OHMD), což je nositelný displej, který může odrážet promítaný obraz a umožňuje uživateli vidět přes něj.

Přehled

Monitor HMD s LED osvětlením a kamerami pro měření pohybů očí

Typický HMD má jeden nebo dva malé displeje s čočkami a poloprůhlednými zrcadly zabudovanými v brýlích (nazývaných také datové brýle), hledí nebo helmě. Zobrazovací jednotky jsou miniaturizované a mohou zahrnovat katodové trubice (CRT), displeje z tekutých krystalů (LCD), tekuté krystaly na křemíku (LCos) nebo organické diody emitující světlo (OLED). Někteří prodejci používají ke zvýšení celkového rozlišení a zorného pole více mikro displejů .

HMD se liší v tom, zda mohou zobrazovat pouze počítačem generované snímky (CGI), nebo pouze živé snímky z fyzického světa nebo kombinace. Většina HMD může zobrazit pouze počítačem generovaný obraz, někdy označovaný jako virtuální obraz. Některé HMD mohou umožnit superponování CGI na pohled v reálném světě. Někdy se tomu říká rozšířená realita (AR) nebo smíšená realita (MR). Kombinaci pohledu v reálném světě s CGI lze provést promítáním CGI prostřednictvím částečně reflexního zrcadla a přímým zobrazením skutečného světa. Tato metoda se často nazývá optické průhledné. Sloučení pohledu v reálném světě s CGI lze také provést elektronicky přijetím videa z kamery a jeho elektronickým smícháním s CGI.

Optický HMD

Hlavní článek: Optický displej namontovaný na hlavě

Optický displej namontovaný na hlavě používá optický směšovač, který je vyroben z částečně postříbřených zrcadel. Může odrážet umělé obrazy a nechat skutečné obrazy procházet objektivem a nechat uživatele, aby se na něj podíval. Různé metody existují pro průhledné HMD, z nichž většina je možné shrnout do dvou hlavních skupin založených na zakřivených zrcadel nebo vlnovodů . Zakřivená zrcadla používala společnost Laster Technologies a Vuzix ve svém produktu Star 1200. Různé metody vlnovodu existují již roky. Patří sem difrakční optika, holografická optika, polarizovaná optika a reflexní optika.

Aplikace

Mezi hlavní aplikace HMD patří armáda, vláda (hasiči, policie atd.) A civilně-komerční (medicína, videohry, sport atd.).

Letecké a taktické, pozemní

Hlavní článek: Displej namontovaný na helmě
Technik letového vybavení amerického letectva testující integrovaný zaměřovací systém namontovaný na přilbě Scorpion

V roce 1962 společnost Hughes Aircraft Company odhalila kompaktní monokulární displej CRT (7 "dlouhý) s hlavou umístěný na hlavě, který odrážel televizní signál do průhledného okuláru. Robustní HMD jsou stále více integrovány do kokpitů moderních helikoptér a stíhacích letadel. Ty jsou obvykle plně integrovány do létající přilby pilota a mohou zahrnovat ochranné štíty, zařízení pro noční vidění a zobrazení jiné symboliky.

Armáda, policie a hasiči používají HMD k zobrazení taktických informací, jako jsou mapy nebo termovizní data, při sledování skutečné scény. Nedávné aplikace zahrnovaly použití HMD pro výsadkáře . V roce 2005 byl Liteye HMD představen pro pozemní bojové jednotky jako robustní, vodotěsný lehký displej, který se připevňuje ke standardnímu americkému držáku vojenské přilby PVS-14. Samostatný barevný monokulární displej s organickými světelnými diodami (OLED) nahrazuje trubici NVG a připojuje se k mobilnímu výpočetnímu zařízení. LE má průhlednou schopnost a lze jej použít jako standardní HMD nebo pro aplikace rozšířené reality . Konstrukce je optimalizována tak, aby poskytovala data ve vysokém rozlišení za všech světelných podmínek, v krytých nebo průhledných provozních režimech. LE má nízkou spotřebu energie, pracuje na čtyři baterie AA po dobu 35 hodin nebo přijímá energii prostřednictvím standardního připojení USB ( Universal Serial Bus ).

Agentura DARPA (Defence Advanced Research Projects Agency ) pokračuje v financování výzkumu HMD s rozšířenou realitou v rámci programu PCAS (Persistent Close Air Support). Vuzix v současné době pracuje na systému pro PCAS, který bude používat holografické vlnovody k výrobě průhledných brýlí pro rozšířenou realitu, které jsou silné jen několik milimetrů.

Inženýrství

Inženýři a vědci používají HMD k poskytnutí stereoskopických pohledů na schémata počítačem podporovaného návrhu (CAD). Když je virtuální realita aplikována na inženýrství a design, je klíčovým faktorem integrace člověka do designu. Umožněním technikům interagovat se svými návrhy v plném měřítku v životní velikosti mohou být produkty validovány na problémy, které nemusely být viditelné až do fyzického prototypování. Použití HMD pro VR je považováno za doplněk ke konvenčnímu použití CAVE pro simulaci VR. HMD se používají převážně pro interakci jedné osoby s designem, zatímco CAVE umožňují více spolupráce ve virtuální realitě.

Hlavové zobrazovací systémy se také používají při údržbě komplexních systémů, protože mohou technikovi poskytnout simulované rentgenové vidění kombinací počítačové grafiky, jako jsou systémové diagramy a snímky, s přirozeným zrakem technika (rozšířená nebo upravená realita).

Lékařství a výzkum

Existují také aplikace v chirurgii, kde kombinace radiografických dat ( rentgenová počítačová tomografie (CAT) a zobrazování magnetickou rezonancí (MRI)) je kombinována s přirozeným pohledem chirurga na operaci a anestezií, kde pacient vitální funkce jsou neustále v zorném poli anesteziologa.

Výzkumné univerzity často používají HMD k provádění studií týkajících se zraku, rovnováhy, poznávání a neurovědy. V roce 2010 bylo studováno použití prediktivního vizuálního sledování k identifikaci mírného traumatického poranění mozku . Při testech vizuálního sledování jednotka HMD se schopností sledování očí zobrazuje objekt pohybující se v pravidelném vzoru. Lidé bez poranění mozku jsou schopni sledovat pohybující se objekt hladkými pronásledujícími pohyby očí a správnou trajektorií .

Hraní a video

Viz také: Náhlavní souprava pro virtuální realitu

Pro 3D hry a zábavné aplikace jsou k dispozici levné zařízení HMD. Jedním z prvních komerčně dostupných HMD byl Forte VFX1, který byl vyhlášen na výstavě Consumer Electronics Show (CES) v roce 1994. VFX-1 měl stereoskopické displeje, 3osé sledování hlavy a stereo sluchátka. Dalším průkopníkem v této oblasti byla společnost Sony, která vydala Glasstron v roce 1997. Jako volitelné příslušenství měl polohový snímač, který uživateli umožňoval prohlížet okolí, přičemž perspektiva se pohybovala při pohybu hlavy a poskytovala hluboký pocit ponoření. Jedna nová aplikace této technologie byla ve hře MechWarrior 2 , která umožnila uživatelům Sony Glasstron nebo iGlasses Virtual I/O převzít novou vizuální perspektivu zevnitř kokpitu plavidla, používat vlastní oči jako vizuální a vidět bojiště přes vlastní kokpit jejich plavidla.

K moderním video a DSLR kamerám lze připojit mnoho značek video brýlí, díky čemuž jsou použitelné jako monitor nového věku. Díky schopnosti brýlí blokovat okolní světlo mohou filmaři a fotografové vidět jasnější prezentace svých živých obrazů.

Oculus Rift je virtuální realita průhledový displej stavění (VR) vytvořil Palmer Luckey , že společnost Oculus VR vyvinut pro virtuální reality simulace a videoher. HTC Vive je zobrazení virtuální reality hlava-nasedl. Náhlavní souprava je vyrobena na základě spolupráce mezi společnostmi Valve a HTC a její hlavní funkcí je přesné sledování prostorového měřítka a vysoce přesné ovladače pohybu. PlayStation VR je virtuální realita headset pro herní konzole, určených pro PlayStation 4 . Windows Mixed Reality je platforma vyvinutá společností Microsoft, která zahrnuje širokou škálu sluchátek vyráběných společnostmi HP, Samsung a dalšími a je schopna hrát většinu her HTC Vive. Pro své řadiče používá pouze sledování naruby .

Virtuální kino

Některé displeje namontované na hlavě jsou navrženy tak, aby prezentovaly tradiční video a filmový obsah ve virtuálním kině. Tato zařízení obvykle disponují relativně úzkým zorným polem (FOV) 50–60 °, takže jsou méně pohlcující než náhlavní soupravy pro virtuální realitu, ale nabízejí odpovídajícím způsobem vyšší rozlišení v pixelech na stupeň. Sony HMZ-T1, který byl vydán v roce 2011, měl rozlišení 1 280 x 720 na jedno oko. Mezi produkty vydané od roku 2020 s rozlišením 1920 × 1080 na oko patřily Goovis G2 a Royole Moon. K dispozici byl také Avegant Glyph, který obsahoval 720P sítnicovou projekci na oko, a Cinera Prime, který představoval rozlišení 2560 × 1440 na oko a také 66 ° FOV. Poměrně velká Cinera Prime používala buď standardní podpůrné rameno, nebo volitelný držák na hlavu. Očekává se, že bude k dispozici na konci roku 2021 Cinera Edge se stejným FOV a rozlišením 2560 × 1440 na oko jako předchozí model Cinera Prime, ale s mnohem kompaktnějším tvarem . Dalšími produkty dostupnými v roce 2021 byly Cinemizer OLED s rozlišením 870 × 500 na oko a VISIONHMD Bigeyes H1 s rozlišením 1280 x 720 na oko. Všechny zde uvedené produkty obsahují zvuková sluchátka nebo sluchátka kromě Goovis G2, Cinera Prime a VISIONHMD Bigeyes H1, které místo toho nabízely konektor pro sluchátka.

Sportovní

Společnost Kopin Corp. a BMW Group vyvinula pro řidiče Formule 1 systém HMD . HMD zobrazuje kritická data závodu a zároveň umožňuje řidiči pokračovat v soustředění na trať, zatímco posádky v boxech kontrolují data a zprávy zasílané jejich řidičům prostřednictvím obousměrného rádia . Společnost Recon Instruments vydala dne 3. listopadu 2011 dva displeje pro lyžařské brýle montované na hlavu , MOD a MOD Live, přičemž druhý z nich je založen na operačním systému Android.

Trénink a simulace

Klíčovou aplikací pro HMD je školení a simulace, což umožňuje virtuálně umístit účastníka do situace, která je buď příliš drahá, nebo příliš nebezpečná na to, aby se dala replikovat v reálném životě. Školení s HMD pokrývá širokou škálu aplikací od řízení, svařování a nástřiku, leteckých simulátorů a simulátorů vozidel, výcviku sesazeného vojáka, školení lékařských postupů a dalších. Řada nežádoucích symptomů však byla způsobena dlouhodobým používáním určitých typů displejů namontovaných na hlavě a tyto problémy musí být vyřešeny, než bude možné optimální školení a simulace.

Parametry výkonu

  • Schopnost zobrazovat stereoskopické snímky. Binokulární HMD má potenciál zobrazit pro každé oko jiný obraz. Toho lze využít k zobrazení stereoskopických obrázků. Je třeba mít na paměti, že takzvaní „Optical Infinity“ obvykle berou letoví chirurgové a odborníci na zobrazení asi 9 metrů. Toto je vzdálenost, ve které vzhledem k průměrné „základní linii“ dálkoměru lidského oka (vzdálenost mezi očima nebo mezipupilární vzdálenost (IPD)) mezi 6 a 8 cm) se úhel objektu v této vzdálenosti stane v podstatě stejný z každého oka. U menších rozsahů je perspektiva každého oka výrazně odlišná a náklady na generování dvou různých vizuálních kanálů prostřednictvím počítačem generovaného systému zobrazování (CGI) se vyplatí.
  • Interpupilární vzdálenost (IPD). Toto je vzdálenost mezi oběma očima, měřená na zorničkách, a je důležitá při navrhování displejů namontovaných na hlavě.
  • Zorné pole (FOV) - Lidé mají zorné pole kolem 180 °, ale většina HMD nabízí mnohem méně než toto. Větší zorné pole má obvykle za následek větší pocit ponoření a lepší situační povědomí. Většina lidí nemá dobrý pocit z toho, jak by konkrétní citovaný FOV vypadal (např. 25 °), takže výrobci často citují zjevnou velikost obrazovky. Většina lidí sedí asi 60 cm od svých monitorů a mají docela dobrý pocit z velikosti obrazovky v této vzdálenosti. Chcete-li převést zdánlivou velikost obrazovky výrobce na polohu monitoru stolního počítače, vydělte velikost obrazovky vzdáleností ve stopách a poté vynásobte 2. HMD na úrovni spotřebitele obvykle nabízejí zorné pole přibližně 110 °.
  • Rozlišení - HMD obvykle uvádějí buď celkový počet pixelů, nebo počet pixelů na stupeň. Seznam celkového počtu pixelů (např. 1600 × 1200 pixelů na oko) je převzat z toho, jak jsou uvedeny specifikace počítačových monitorů. K určení zrakové ostrosti se však také používá hustota pixelů, obvykle specifikovaná v pixelech na stupeň nebo v arcminutách na pixel. 60 pixelů/° (1 arcmin/pixel) se obvykle označuje jako rozlišení omezující oči , nad kterým si lidé s normálním zrakem zvýšené rozlišení nevšimnou. HMD obvykle nabízejí 10 až 20 pixelů/°, i když pokroky v mikro displeji pomáhají tento počet zvýšit.
  • Binokulární překrytí - měří oblast, která je společná pro obě oči. Binokulární překrytí je základem pro smysl pro hloubku a stereo, což lidem umožňuje vycítit, které objekty jsou blízko a které objekty jsou daleko. Lidé mají binokulární přesah asi 100 ° (50 ° vlevo od nosu a 50 ° vpravo). Čím větší je binokulární překrytí nabízené HMD, tím větší je smysl pro stereo. Překrývání se někdy uvádí ve stupních (např. 74 °) nebo jako procento udávající, jak velká část zorného pole každého oka je pro druhé oko společná.
  • Dálkové zaostření (kolimace). Optické metody mohou být použity k prezentaci obrázků na vzdálené ohnisko, což vypadá, že zlepšuje realismus obrázků, které by v reálném světě byly na dálku.
  • Palubní zpracování a operační systém. Někteří prodejci HMD nabízejí integrované operační systémy, jako je Android, což umožňuje lokální běh aplikací na HMD a eliminuje nutnost připojení k externímu zařízení pro generování videa. Někdy se jim říká chytré brýle . Aby byla konstrukce HMD lehčí, mohou výrobci přesunout systém zpracování na připojený inteligentní náhrdelník, což by také poskytlo další výhodu většího akumulátoru. Takové řešení by umožnilo navrhnout lite HMD s dostatečnou dodávkou energie pro duální video vstupy nebo multiplexování na základě času s vyšší frekvencí (viz níže).

Podpora 3D video formátů

Sekvenční multiplexování snímků
Multiplexování vedle sebe a shora dolů

Vnímání hloubky uvnitř HMD vyžaduje různé obrazy pro levé a pravé oko. Existuje několik způsobů, jak poskytnout tyto samostatné obrázky:

  • Používejte duální video vstupy, čímž zajistíte zcela oddělený video signál pro každé oko
  • Multiplexování na základě času. Metody, jako je sekvenční snímkování, kombinují dva samostatné video signály do jednoho signálu střídáním levého a pravého obrazu v po sobě jdoucích snímcích.
  • Multiplexování vedle sebe nebo shora dolů. Tato metoda přidělila polovinu obrazu levému oku a druhou polovinu obrazu pravému oku.

Výhodou duálních video vstupů je, že poskytuje maximální rozlišení pro každý obrázek a maximální snímkovou frekvenci pro každé oko. Nevýhodou duálních video vstupů je, že vyžadují oddělené video výstupy a kabely od zařízení generujícího obsah.

Multiplexování založené na čase zachovává plné rozlišení pro každý obrázek, ale snižuje snímkovou frekvenci na polovinu. Pokud je například signál prezentován při 60 Hz, každé oko přijímá aktualizace pouze 30 Hz. To může být problém s přesnou prezentací rychle se pohybujících obrázků.

Multiplexování vedle sebe a shora dolů poskytuje aktualizace pro každé oko v plném rozsahu, ale snižuje rozlišení každého oka. Mnoho 3D vysílání, jako je ESPN , se rozhodlo poskytovat 3D vedle sebe, což šetří potřebu přidělit další šířku přenosového pásma a je vhodnější pro rychlou sportovní akci ve srovnání s metodami multiplexování založených na čase.

Ne všechny HMD poskytují hloubkové vnímání. Některé moduly nižší třídy jsou v podstatě bi-oční zařízení, kde jsou obě oči prezentovány stejným obrazem. 3D video přehrávače někdy umožňují maximální kompatibilitu s HMD tím, že poskytují uživateli výběr 3D formátu, který má být použit.

Periferní zařízení

  • Nejzákladnější HMD jednoduše promítají obraz nebo symboliku na hledí nebo nitkový kříž nositele. Obraz není vázán na skutečný svět, tj. Obraz se nemění na základě polohy hlavy nositele.
  • Sofistikovanější HMD obsahují polohovací systém, který sleduje polohu a úhel hlavy nositele, takže zobrazený obrázek nebo symbol je v souladu s vnějším světem pomocí průhledných snímků.
  • Sledování hlavy - vazba snímků. Displeje namontované na hlavě lze také použít se sledovacími senzory, které detekují změny úhlu a orientace. Když jsou taková data k dispozici v systémovém počítači, lze je použít ke generování příslušných počítačem generovaných snímků (CGI) pro úhel pohledu v konkrétním čase. To umožňuje uživateli rozhlížet se po prostředí virtuální reality jednoduše pohybem hlavy, aniž by pro změnu úhlu snímků potřeboval samostatný ovladač. V rádiových systémech (ve srovnání s dráty) se nositel může pohybovat v mezích sledování systému.
  • Sledování očí - Sledovače očí měří bod pohledu a umožňují počítači rozpoznat, kam se uživatel dívá. Tyto informace jsou užitečné v různých kontextech, jako je navigace v uživatelském rozhraní: Díky snímání pohledu uživatele může počítač změnit informace zobrazené na obrazovce, upozornit na přidané detaily atd.
  • Hand tracking -sledování pohybu ruky z pohledu HMD umožňuje přirozenou interakci s obsahem a pohodlný mechanismus hraní her

Viz také

Reference

Bibliografie