Un dispositivo de visualización montado 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 óptica de visualización frente a uno ( HMD monocular ) o cada ojo ( HMD binocular ). Los HMD tienen muchos usos, incluidos los juegos, la aviación, la ingeniería y la medicina. [1]
Los cascos de realidad virtual son un tipo de HMD que rastrean la posición y la rotación en 3D para proporcionar un entorno virtual al usuario. Los cascos de realidad virtual 3DOF 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 ella. [2]
Un HMD típico tiene una o dos pantallas pequeñas, con lentes y espejos semitransparentes integrados en anteojos (también llamados 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 difieren en si pueden mostrar solo imágenes generadas por computadora (CGI), o solo imágenes en vivo del mundo físico, o una combinación de ambas. La mayoría de los HMD pueden mostrar solo una imagen generada por computadora, a veces denominada imagen virtual. Algunos HMD pueden permitir que una CGI se superponga a la vista del mundo real. Esto a veces se conoce como realidad aumentada (RA) o realidad mixta (RM). La combinación de la vista del mundo real con CGI se puede hacer proyectando la CGI a través de un espejo parcialmente reflectante y viendo el mundo real directamente. Este método a menudo se llama visión óptica. La combinación de la vista del mundo real con CGI también se puede hacer electrónicamente aceptando video 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]
Un visor óptico montado en la cabeza utiliza un mezclador óptico que está hecho de espejos parcialmente plateados. Puede reflejar imágenes artificiales y dejar que las imágenes reales crucen la lente y que el usuario pueda mirar a través de él. Han existido varios métodos para los visores ópticos 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. Durante años han existido varios métodos de guía de ondas. Estos incluyen la óptica de difracción, la óptica holográfica, la óptica polarizada y la óptica reflectante.
Las principales aplicaciones de HMD incluyen el ámbito militar, gubernamental (bomberos, policía, etc.) y civil-comercial (medicina, videojuegos, deportes, etc.).
En 1962, Hughes Aircraft Company reveló el Electrocular, un CRT compacto (7" de largo), pantalla monocular montada en la cabeza que reflejaba una señal de TV en un ocular transparente. [4] [5] [6] [7] Los HMD reforzados se están integrando cada vez más 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 viseras protectoras, dispositivos de visión nocturna y pantallas de otra simbología.
Los militares, la policía y los bomberos utilizan HMD para mostrar información táctica, como mapas o datos de imágenes térmicas, mientras ven una escena real. Las aplicaciones recientes han incluido el uso de HMD para paracaidistas . [8] En 2005, el Liteye HMD se presentó para tropas de combate terrestre como una pantalla liviana, resistente e impermeable que se sujeta a un soporte de casco militar PVS-14 estadounidense estándar. La pantalla de diodo orgánico emisor de luz (OLED) monocular en color autónoma reemplaza el tubo NVG y se conecta a un dispositivo informático móvil. El LE tiene capacidad de ver a través y se puede usar 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, funciona con cuatro baterías AA durante 35 horas o recibe energía a través de una conexión USB ( Universal Serial Bus ) estándar. [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 de realidad aumentada transparentes de solo unos pocos milímetros de espesor. [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 podrían no haber sido visibles hasta la creación de prototipos físicos. El uso de HMD para VR se considera un complemento al uso convencional de CAVE para la simulación de VR. 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 en la cabeza también se utilizan en el mantenimiento de sistemas complejos, ya que pueden proporcionar a un técnico una visión de rayos X simulada mediante la combinación de gráficos de computadora, como diagramas de sistema e imágenes, con la visión natural del técnico (realidad aumentada o modificada).
También existen aplicaciones en cirugía, donde se combina una combinación de datos radiográficos ( tomografías computarizadas con rayos X (TCA) e imágenes por resonancia magnética (IRM)) con la visión natural del cirujano de la operación, y en anestesia, donde los signos vitales del paciente 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. A partir de 2010, se estaba estudiando el uso de la medición predictiva del seguimiento visual para identificar lesiones cerebrales traumáticas leves. 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]
Existen dispositivos HMD de bajo costo disponibles para su uso con juegos 3D y aplicaciones de entretenimiento. Uno de los primeros HMD disponibles comercialmente fue el Forte VFX1 , que se anunció en la feria 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 de posición que permitía al usuario ver los alrededores, con la perspectiva moviéndose a medida que se movía la cabeza, lo que proporcionaba una profunda sensación de inmersión. Una aplicación novedosa de esta tecnología fue en el juego MechWarrior 2 , que permitía a los usuarios del Sony Glasstron o de las iGlasses de Virtual I/O adoptar una nueva perspectiva visual desde el interior de la cabina de la nave, utilizando sus propios ojos como 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 las cámaras de vídeo y DSLR modernas, lo que las hace aptas 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 visor de realidad virtual (RV) creado por Palmer Luckey que la empresa Oculus VR desarrolló para simulaciones de realidad virtual y videojuegos. [16] HTC Vive es un visor de realidad virtual montado en la cabeza. El auricular es producido por una colaboración entre Valve y HTC , y su característica definitoria es el seguimiento preciso a escala de la habitación y los controladores de movimiento de alta precisión. PlayStation VR es un auricular de realidad virtual para consolas de juegos, dedicado a la 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 de HTC Vive. Utiliza solo seguimiento de adentro hacia afuera para sus controladores.
Algunas pantallas montadas en la cabeza están diseñadas para presentar contenido de video y películas tradicionales en un cine virtual. Estos dispositivos suelen tener 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 tenía 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 incluyeron el 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, así como un campo de visión de 66°. El Cinera Prime, bastante grande, usaba un brazo de soporte estándar o un soporte para la cabeza opcional. Se esperaba que estuviera disponible a fines de 2021 el Cinera Edge, [22] que presenta el mismo campo de visión y resolución de 2560 × 1440 por ojo que el modelo Cinera Prime anterior, pero con un factor de forma mucho más compacto . Otros productos disponibles en 2021 fueron el Cinemizer OLED, [23] con una resolución de 870x500 por ojo, el VISIONHMD Bigeyes H1, [24] con una resolución de 1280x720 por ojo, y el Dream Glass 4K, [25] con una resolución de 1920x1080 por ojo. Todos los productos mencionados aquí incorporaban auriculares o audífonos de audio excepto el Goovis G2, el Cinera Prime, el VISIONHMD Bigeyes H1 y el Dream Glass 4K, que en su lugar ofrecían un conector para auriculares de audio.
El vuelo de 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 utilizan comúnmente para carreras de drones , ya que ofrecen la latencia de video más baja. Pero las gafas FPV digitales (como las producidas por DJI ) se están volviendo cada vez más populares debido a su video de mayor resolución.
Desde la década de 2010, el vuelo de drones FPV se utiliza ampliamente en cinematografía aérea y fotografía aérea . [28]
Kopin Corp. y BMW Group han desarrollado un sistema HMD para los pilotos de Fórmula 1. El HMD muestra datos críticos de la carrera y permite al piloto seguir concentrándose en la pista mientras los equipos de boxes controlan los datos y mensajes enviados a sus pilotos a través de una 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, esta última basada en un sistema operativo Android. [30]
Una de las principales aplicaciones de los HMD es la formación y la simulación, que permiten poner virtualmente a un alumno en una situación que es demasiado cara o demasiado peligrosa para reproducir en la vida real. La formación con HMD abarca una amplia gama de aplicaciones, desde conducción, soldadura y pintura en aerosol, simuladores de vuelo y de vehículos, formación de soldados desmontados, formación en procedimientos médicos y mucho más. Sin embargo, el uso prolongado de ciertos tipos de pantallas montadas en la cabeza ha provocado una serie de síntomas no deseados, y estos problemas deben resolverse antes de que sea posible una formación y una simulación óptimas. [31]
La percepción de profundidad dentro de un HMD requiere imágenes diferentes para el ojo izquierdo y el derecho. Existen varias formas de proporcionar estas imágenes por separado:
La ventaja de las entradas de vídeo duales es que proporcionan la máxima resolución para cada imagen y la máxima velocidad de cuadros para cada ojo. La desventaja de las entradas de vídeo duales es que requieren salidas de vídeo y cables independientes del dispositivo que genera el contenido.
La multiplexación basada en el tiempo conserva la resolución completa de cada imagen, pero reduce la frecuencia de cuadros a la mitad. Por ejemplo, si la señal se presenta a 60 Hz, cada ojo recibe actualizaciones de solo 30 Hz. Esto puede convertirse en un problema para presentar con precisión imágenes de movimiento rápido.
La multiplexación lado a lado y de arriba a abajo proporciona actualizaciones de velocidad completa para cada ojo, pero reduce la resolución presentada a cada ojo. Muchas transmisiones 3D, como ESPN , optaron por proporcionar 3D lado a lado, 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 relación con los métodos de multiplexación basados en el tiempo.
No todos los HMD ofrecen percepción de profundidad. Algunos módulos de gama baja son básicamente dispositivos binoculares en los que ambos ojos ven 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.