Una pantalla montada en la cabeza ( HMD ) es un dispositivo de visualización, que se usa en la cabeza o como parte de un casco (ver pantalla montada en el casco para aplicaciones de aviación), que tiene una pequeña pantalla óptica delante de uno ( HMD monocular ) o cada uno. ojo ( binocular HMD). Los HMD tienen muchos usos, incluidos juegos, aviación, ingeniería y medicina. [1]
Los cascos de realidad virtual son un tipo de HMD que rastrea la posición y rotación 3D para proporcionar un entorno virtual al usuario. Los auriculares 3DOF VR suelen utilizar una IMU para el seguimiento. Los cascos de realidad virtual 6DOF suelen utilizar la fusión de sensores de múltiples fuentes de datos, incluida al menos una IMU.
Una pantalla óptica montada en la cabeza (OHMD) es una pantalla portátil que puede reflejar imágenes proyectadas y permite al usuario ver a través de ellas. [2]
Un HMD típico tiene una o dos pantallas pequeñas, con lentes y espejos semitransparentes integrados en anteojos (también denominados anteojos de datos), una visera o un casco. Las unidades de visualización están miniaturizadas y pueden incluir tubos de rayos catódicos (CRT), pantallas de cristal líquido (LCD), cristal líquido sobre silicio (LCos) o diodos orgánicos emisores de luz (OLED). Algunos proveedores emplean múltiples micropantallas para aumentar la resolución total y el campo de visión .
Los HMD se diferencian en si pueden mostrar sólo imágenes generadas por computadora (CGI), o sólo imágenes en vivo del mundo físico, o una combinación de ellas. La mayoría de los HMD solo pueden mostrar una imagen generada por computadora, a veces denominada imagen virtual. Algunos HMD pueden permitir que se superponga un CGI a una vista del mundo real. A esto a veces se le llama realidad aumentada (AR) o realidad mixta (MR). Se puede combinar la vista del mundo real con CGI proyectando el CGI a través de un espejo parcialmente reflectante y viendo el mundo real directamente. Este método a menudo se denomina transparencia óptica. La combinación de la vista del mundo real con CGI también se puede hacer electrónicamente aceptando vídeo de una cámara y mezclándolo electrónicamente con CGI.
Al utilizar la tecnología AR, los HMD pueden lograr una pantalla transparente. Al utilizar la tecnología de realidad virtual (VR), los HMD pueden ver las imágenes en 360 grados. [3]
Una pantalla óptica montada en la cabeza utiliza un mezclador óptico que está hecho de espejos parcialmente plateados. Puede reflejar imágenes artificiales y permitir que imágenes reales crucen la lente y permitan al usuario mirar a través de ella. Han existido varios métodos para los HMD transparentes , la mayoría de los cuales se pueden resumir en dos familias principales basadas en espejos curvos o guías de ondas . Laster Technologies y Vuzix han utilizado espejos curvos en su producto Star 1200. Desde hace años existen varios métodos de guía de ondas. Estos incluyen óptica de difracción, óptica holográfica, óptica polarizada y óptica reflectante.
Las principales aplicaciones de HMD incluyen militares, gubernamentales (bomberos, policía, etc.) y civiles-comerciales (medicina, videojuegos, deportes, etc.).
En 1962, Hughes Aircraft Company presentó el Electrocular, una pantalla monocular CRT compacta (7" de largo) montada en la cabeza que reflejaba una señal de televisión en un ocular transparente. [4] [5] [6] [7] Los HMD resistentes son cada vez más integrándose en las cabinas de los helicópteros y aviones de combate modernos. Estos suelen estar completamente integrados con el casco de vuelo del piloto y pueden incluir visores protectores, dispositivos de visión nocturna y visualizaciones de otra simbología.
Los militares, la policía y los bomberos utilizan HMD para mostrar información táctica, como mapas o datos de imágenes térmicas, mientras visualizan una escena real. Las aplicaciones recientes han incluido el uso de HMD para paracaidistas . [8] En 2005, el Liteye HMD se introdujo para las tropas de combate terrestre como una pantalla liviana, resistente e impermeable que se engancha en un soporte para casco militar estándar PVS-14 de EE. UU. La pantalla de diodo emisor de luz orgánico (OLED) monocular en color autónoma reemplaza el tubo NVG y se conecta a un dispositivo informático móvil. El LE tiene capacidad transparente y puede usarse como un HMD estándar o para aplicaciones de realidad aumentada . El diseño está optimizado para proporcionar datos de alta definición en todas las condiciones de iluminación, en modos de operación cubiertos o transparentes. El LE tiene un bajo consumo de energía y funciona con cuatro baterías AA durante 35 horas o recibe energía a través de una conexión estándar de bus serie universal (USB). [9]
La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa ( DARPA ) continúa financiando la investigación en HMD de realidad aumentada como parte del Programa de Apoyo Aéreo Cercano Persistente (PCAS). Vuzix está trabajando actualmente en un sistema para PCAS que utilizará guías de ondas holográficas para producir gafas transparentes de realidad aumentada de sólo unos pocos milímetros de grosor. [10]
Los ingenieros y científicos utilizan HMD para proporcionar vistas estereoscópicas de esquemas de diseño asistido por computadora (CAD). [11] La realidad virtual, cuando se aplica a la ingeniería y el diseño, es un factor clave en la integración del ser humano en el diseño. Al permitir que los ingenieros interactúen con sus diseños a escala real, los productos pueden validarse para detectar problemas que tal vez no hubieran sido visibles hasta la creación del prototipo físico. El uso de HMD para la realidad virtual se considera complementario al uso convencional de CAVE para la simulación de realidad virtual. Los HMD se utilizan predominantemente para la interacción de una sola persona con el diseño, mientras que los CAVE permiten sesiones de realidad virtual más colaborativas.
Los sistemas de visualización montados en la cabeza también se utilizan en el mantenimiento de sistemas complejos, ya que pueden brindarle al técnico una visión de rayos X simulada combinando gráficos por computadora, como diagramas del sistema e imágenes, con la visión natural del técnico (realidad aumentada o modificada).
También hay aplicaciones en cirugía, en las que una combinación de datos radiográficos ( tomografía computarizada (TAC) con rayos X e imágenes por resonancia magnética (IRM)) se combina con la visión natural de la operación que tiene el cirujano y la anestesia, donde el paciente Los signos vitales están dentro del campo de visión del anestesiólogo en todo momento. [12]
Las universidades de investigación suelen utilizar HMD para realizar estudios relacionados con la visión, el equilibrio, la cognición y la neurociencia. En 2010, se estaba estudiando el uso de la medición predictiva de seguimiento visual para identificar una lesión cerebral traumática leve. En las pruebas de seguimiento visual, una unidad HMD con capacidad de seguimiento ocular muestra un objeto que se mueve en un patrón regular. Las personas sin lesión cerebral pueden seguir el objeto en movimiento con movimientos oculares de seguimiento suaves y una trayectoria correcta . [13]
Hay dispositivos HMD de bajo costo disponibles para usar con juegos 3D y aplicaciones de entretenimiento. Uno de los primeros HMD disponibles comercialmente fue el Forte VFX1 , que se anunció en el Consumer Electronics Show (CES) en 1994. [14] El VFX-1 tenía pantallas estereoscópicas, seguimiento de cabeza de 3 ejes y auriculares estéreo. Otro pionero en este campo fue Sony, que lanzó el Glasstron en 1997. Tenía como accesorio opcional un sensor posicional que permitía al usuario ver el entorno, con la perspectiva moviéndose a medida que se movía la cabeza, proporcionando una profunda sensación de inmersión. Una aplicación novedosa de esta tecnología fue en el juego MechWarrior 2 , que permitió a los usuarios de Sony Glasstron o iGlasses de Virtual I/O adoptar una nueva perspectiva visual desde el interior de la cabina de la nave, usando sus propios ojos como elementos visuales y viendo el campo de batalla. a través de la propia cabina de su nave.
Muchas marcas de gafas de vídeo se pueden conectar a cámaras de vídeo y DSLR modernas, lo que las hace aplicables como monitores de la nueva era. Como resultado de la capacidad de las gafas para bloquear la luz ambiental, los cineastas y fotógrafos pueden ver presentaciones más claras de sus imágenes en vivo. [15]
Oculus Rift es un casco de realidad virtual (VR) creado por Palmer Luckey que la empresa Oculus VR desarrolló para simulaciones de realidad virtual y videojuegos. [16] El HTC Vive es una pantalla de realidad virtual montada en la cabeza. Los auriculares son producidos por una colaboración entre Valve y HTC , y su característica definitoria es el seguimiento preciso a escala de habitación y controladores de movimiento de alta precisión. PlayStation VR es un casco de realidad virtual para consolas de juegos, dedicado a PlayStation 4 . [17] Windows Mixed Reality es una plataforma desarrollada por Microsoft que incluye una amplia gama de auriculares producidos por HP, Samsung y otros y es capaz de reproducir la mayoría de los juegos HTC Vive. Utiliza únicamente seguimiento de adentro hacia afuera para sus controladores.
Algunas pantallas montadas en la cabeza están diseñadas para presentar contenido cinematográfico y de vídeo tradicional en un cine virtual. Estos dispositivos suelen presentar un campo de visión (FOV) relativamente estrecho de 50 a 60°, lo que los hace menos inmersivos que los cascos de realidad virtual, pero ofrecen una resolución correspondientemente mayor en términos de píxeles por grado. Lanzado en 2011, el Sony HMZ-T1 presentaba una resolución de 1280x720 por ojo. Aproximadamente en 2015, se lanzaron productos de "cine privado" independientes basados en Android 5 (Lollipop) utilizando varias marcas como VRWorld, Magicsee, basados en software de Nibiru.
Los productos lanzados a partir de 2020 con una resolución de 1920 × 1080 por ojo incluyen Goovis G2 [18] y Royole Moon. [19] También estaba disponible el Avegant Glyph, [20] que incorporaba una proyección de retina de 720P por ojo, y el Cinera Prime, [21] que presentaba una resolución de 2560 × 1440 por ojo y un campo de visión de 66°. La Cinera Prime, bastante grande, utilizaba un brazo de soporte estándar o un soporte para cabeza opcional. Se esperaba que estuviera disponible a finales de 2021 el Cinera Edge, [22] con el mismo campo de visión y resolución por ojo de 2560×1440 que el modelo Cinera Prime anterior, pero con un factor de forma mucho más compacto . Otros productos disponibles en 2021 fueron Cinemizer OLED, [23] con resolución de 870×500 por ojo, VISIONHMD Bigeyes H1, [24] con resolución de 1280x720 por ojo, y Dream Glass 4K, [25] con resolución de 1920x1080 por ojo. Todos los productos mencionados aquí incorporaban audífonos o audífonos, excepto Goovis G2, Cinera Prime, VISIONHMD Bigeyes H1 y Dream Glass 4K, que en su lugar ofrecían un conector para audífonos.
El vuelo con drones con vista en primera persona (FPV) utiliza pantallas montadas en la cabeza que comúnmente se denominan "gafas FPV". [26] [27] Las gafas FPV analógicas (como las producidas por Fat Shark ) se usan comúnmente para carreras de drones, ya que ofrecen la latencia de video más baja. Pero las gafas digitales FPV (como las producidas por DJI ) se están volviendo cada vez más populares debido a su mayor resolución de vídeo.
Desde la década de 2010, el vuelo con drones FPV se utiliza ampliamente en cinematografía y fotografía aérea . [28]
Kopin Corp. y BMW Group han desarrollado un sistema HMD para conductores de Fórmula Uno . El HMD muestra datos críticos de la carrera y al mismo tiempo permite al conductor continuar concentrándose en la pista mientras los equipos de boxes controlan los datos y mensajes enviados a sus conductores a través de radio bidireccional . [29] Recon Instruments lanzó el 3 de noviembre de 2011 dos pantallas montadas en la cabeza para gafas de esquí , MOD y MOD Live, este último basado en un sistema operativo Android. [30]
Una aplicación clave de los HMD es la capacitación y la simulación, que permiten colocar virtualmente a un alumno en una situación que es demasiado costosa o demasiado peligrosa para replicarla en la vida real. El entrenamiento con HMD cubre una amplia gama de aplicaciones, desde conducción, soldadura y pintura con aerosol, simuladores de vuelo y vehículos, entrenamiento de soldados desmontados, entrenamiento de procedimientos médicos y más. Sin embargo, una serie de síntomas no deseados han sido causados por el uso prolongado de ciertos tipos de pantallas montadas en la cabeza, y estos problemas deben resolverse antes de que sea factible un entrenamiento y una simulación óptimos. [31]
La percepción de profundidad dentro de un HMD requiere imágenes diferentes para el ojo izquierdo y derecho. Hay varias formas de proporcionar estas imágenes independientes:
La ventaja de las entradas de vídeo duales es que proporciona la resolución máxima para cada imagen y la velocidad de fotogramas máxima para cada ojo. La desventaja de las entradas de video duales es que requiere salidas de video y cables separados del dispositivo que genera el contenido.
La multiplexación basada en el tiempo conserva la resolución completa de cada imagen, pero reduce la velocidad de fotogramas a la mitad. Por ejemplo, si la señal se presenta a 60 Hz, cada ojo recibe solo actualizaciones de 30 Hz. Esto puede convertirse en un problema al presentar con precisión imágenes en movimiento rápido.
La multiplexación en paralelo y de arriba a abajo proporciona actualizaciones de velocidad completa para cada ojo, pero reduce la resolución presentada a cada ojo. Muchas transmisiones en 3D, como ESPN , optaron por proporcionar 3D en paralelo, lo que ahorra la necesidad de asignar ancho de banda de transmisión adicional y es más adecuado para la acción deportiva de ritmo rápido en comparación con los métodos de multiplexación basados en el tiempo.
No todos los HMD proporcionan percepción de profundidad. Algunos módulos de gama baja son esencialmente dispositivos bioculares en los que a ambos ojos se les presenta la misma imagen. Los reproductores de vídeo 3D a veces permiten la máxima compatibilidad con los HMD al ofrecer al usuario la posibilidad de elegir el formato 3D que se utilizará.