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Articulo de referencia

Pantalla montada en la cabeza

Soldado de la Reserva del Ejército Británico con un casco de realidad virtual Samsung Gear VR Un dispositivo de visualización montado en la cabeza ( HMD , por sus siglas en ingl...

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Soldado de la Reserva del Ejército Británico con un casco de realidad virtual Samsung Gear VR

Un dispositivo de visualización montado en la cabeza ( HMD , por sus siglas en inglés) es un dispositivo que se lleva en la cabeza o como parte de un casco y que cuenta con una pequeña lente óptica frente a uno ( HMD monocular ) o ambos ojos ( HMD binocular ). Los HMD tienen múltiples usos, como videojuegos, aviación, ingeniería y medicina. [ 1 ]

Los cascos de realidad virtual son un tipo de dispositivo de realidad virtual que rastrea la posición y rotación en 3D para proporcionar un entorno virtual al usuario. Los cascos de realidad virtual de 3 grados de libertad (3DOF) suelen utilizar una unidad de medición inercial (IMU) para el seguimiento. Los cascos de realidad virtual de 6 grados de libertad (6DOF) suelen utilizar la fusión de sensores de múltiples fuentes de datos, incluyendo 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 ]

Descripción general

Un casco de realidad virtual con seguimiento ocular, iluminador LED y cámaras para medir los movimientos oculares.

Un HMD típico tiene una o dos pantallas pequeñas, con lentes y espejos semitransparentes integrados en gafas (también llamadas gafas 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 fabricantes emplean múltiples micropantallas para aumentar la resolución total y el campo de visión .

Los HMD se diferencian en si pueden mostrar solo imágenes generadas por computadora (CGI), solo imágenes en vivo del mundo físico o una combinación de ambas. La mayoría de los HMD solo pueden mostrar una imagen generada por computadora, a veces denominada imagen virtual. Algunos HMD permiten superponer una CGI a la vista del mundo real. Esto se conoce como realidad aumentada (RA) o realidad mixta (RM). La combinación de la vista del mundo real con la CGI se puede lograr proyectando la CGI a través de un espejo parcialmente reflectante y viendo el mundo real directamente. Este método se suele denominar transparencia óptica. La combinación de la vista del mundo real con la CGI también se puede realizar electrónicamente recibiendo video de una cámara y mezclándolo electrónicamente con la CGI.

Mediante la tecnología de realidad aumentada (RA), los HMD pueden lograr una visualización transparente. Mediante la tecnología de realidad virtual (RV), los HMD pueden visualizar imágenes en 360 grados. [ 3 ]

HMD óptico

Un visor óptico montado en la cabeza utiliza un mezclador óptico compuesto por espejos parcialmente plateados. Este mezclador puede reflejar imágenes artificiales y permitir que las imágenes reales atraviesen la lente, permitiendo al usuario ver a través de ella. Existen diversos métodos para visores transparentes montados en la cabeza, la mayoría de los cuales se pueden agrupar en dos familias principales basadas en espejos curvos o guías de onda . Laster Technologies y Vuzix han utilizado espejos curvos en su producto Star 1200. Diversos métodos de guía de onda existen desde hace años, incluyendo óptica de difracción, óptica holográfica, óptica polarizada y óptica reflectante.

Aplicaciones

Las principales aplicaciones de los dispositivos de visualización montados en la cabeza (HMD, por sus siglas en inglés) incluyen los ámbitos militar, gubernamental (bomberos, policía, etc.) y civil-comercial (medicina, videojuegos, deportes, etc.).

Aviación y tácticas terrestres

Técnico de equipos de vuelo de la Fuerza Aérea de EE. UU. probando un sistema de puntería integrado montado en el casco Scorpion.

En 1962, Hughes Aircraft Company presentó el Electrocular, una pantalla monocular compacta montada en la cabeza con tubo de rayos catódicos (7" de largo) que reflejaba una señal de televisión en un ocular transparente. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Las pantallas montadas en la cabeza reforzadas se están integrando cada vez más en las cabinas de los helicópteros y aviones de combate modernos. Estas suelen estar completamente integradas con el casco de vuelo del piloto y pueden incluir visores protectores, 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 observan una escena real. Entre las aplicaciones recientes se incluye el uso de HMD para paracaidistas . [ 8 ] En 2005, se presentó el HMD Liteye para las tropas de combate terrestre como una pantalla robusta, impermeable y ligera que se acopla a un soporte estándar para casco militar estadounidense PVS-14 . La pantalla monocular a color de diodo orgánico emisor de luz (OLED) autónoma reemplaza el tubo de visión nocturna y se conecta a un dispositivo informático móvil. El LE tiene capacidad de visión a través de objetos y puede utilizarse 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 funcionamiento con o sin visión a través de objetos. El LE tiene un bajo consumo de energía, funcionando con cuatro pilas AA durante 35 horas o recibiendo energía a través de una conexión USB estándar . [ 9 ]

La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa ( DARPA ) continúa financiando la investigación en dispositivos de realidad aumentada (HMD) como parte del Programa de Apoyo Aéreo Cercano Persistente (PCAS). Vuzix está trabajando actualmente en un sistema para PCAS que utilizará guías de onda holográficas para producir gafas de realidad aumentada transparentes de tan solo unos milímetros de grosor. [ 10 ]

Ingeniería

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 el prototipado físico. El uso de HMD para RV se considera complementario al uso convencional de CAVE para simulación de RV. Los HMD se utilizan principalmente 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 proporcionar al técnico una visión de rayos X simulada al combinar gráficos por ordenador, como diagramas e imágenes del sistema, con la visión natural del técnico (realidad aumentada o modificada).

Medicina e investigación

También existen aplicaciones en cirugía, donde se combina una combinación de datos radiográficos ( tomografía computarizada (TC) y resonancia magnética (RM)) con la visión natural del cirujano durante la operación, y en anestesia, donde los signos vitales del paciente se encuentran dentro del campo de visión del anestesiólogo en todo momento. [ 12 ]

Las universidades de investigación suelen utilizar dispositivos de visualización montados en la cabeza (HMD) para realizar estudios relacionados con la visión, el equilibrio, la cognición y la neurociencia. En 2010, se estudiaba el uso de la medición predictiva del seguimiento visual para identificar lesiones cerebrales traumáticas leves. En las pruebas de seguimiento visual, un HMD con capacidad de seguimiento ocular muestra un objeto que se mueve siguiendo un patrón regular. Las personas sin lesiones cerebrales pueden seguir el objeto en movimiento con movimientos oculares de seguimiento suaves y una trayectoria correcta . [ 13 ]

Juegos y vídeo

concepto de ordenador con auriculares

Existen dispositivos HMD de bajo costo para su uso con juegos y aplicaciones de entretenimiento en 3D. Uno de los primeros HMD disponibles comercialmente fue el Forte VFX1 , anunciado en el Consumer Electronics Show (CES) de 1994. [ 14 ] El VFX-1 contaba con pantallas estereoscópicas, seguimiento de cabeza de 3 ejes y auriculares estéreo. Otro pionero en este campo fue Sony, que lanzó el Glasstron en 1997. Este dispositivo incluía como accesorio opcional un sensor de posición que permitía al usuario visualizar el entorno, con la perspectiva moviéndose al mismo tiempo que la cabeza, lo que proporcionaba una profunda sensación de inmersión. Una aplicación novedosa de esta tecnología se dio 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 sistema visual y observando el campo de batalla a través de la cabina de su nave.

Muchas marcas de gafas de vídeo se pueden conectar a cámaras de vídeo y DSLR modernas , lo que las convierte en una opción viable como monitor de última generación. Gracias a su capacidad para bloquear la luz ambiental, los cineastas y fotógrafos pueden obtener imágenes en directo más nítidas. [ 15 ]

El Oculus Rift es un dispositivo de visualización montado en la cabeza de realidad virtual (RV) creado por Palmer Luckey que la empresa Oculus VR desarrolló para simulaciones de realidad virtual y videojuegos. [ 16 ] El HTC Vive es un dispositivo de visualización montado en la cabeza de realidad virtual. El casco es producido por una colaboración entre Valve y HTC , y su característica distintiva es el seguimiento de precisión a escala de habitación y controladores de movimiento de alta precisión. El PlayStation VR es un casco de realidad virtual para consolas de videojuegos, dedicado a PlayStation 4. [ 17 ] Windows Mixed Reality es una plataforma desarrollada por Microsoft que incluye una amplia gama de cascos producidos por HP, Samsung y otros y es capaz de ejecutar la mayoría de los juegos de HTC Vive. Utiliza solo seguimiento interno para sus controladores.

Cine virtual

Algunos visores de realidad virtual están diseñados para presentar contenido de vídeo y cine tradicional en un entorno virtual. Estos dispositivos suelen tener un campo de visión (FOV) relativamente estrecho de 50 a 60°, lo que los hace menos inmersivos que los visores de realidad virtual, pero ofrecen una resolución correspondientemente mayor en términos de píxeles por grado. El Sony HMZ-T1 , lanzado en 2011, ofrecía una resolución de 1280x720 por ojo. Hacia 2015, se lanzaron al mercado productos de "cine privado" independientes basados ​​en Android 5 (Lollipop) de diversas marcas como VRWorld y Magicsee, con software de Nibiru.

Los productos lanzados hasta 2020 con una resolución de 1920×1080 por ojo incluían el Goovis G2 [ 18 ] y el Royole Moon. [ 19 ] También estaba disponible el Avegant Glyph, [ 20 ] que incorporaba proyección retiniana de 720P por ojo, y el Cinera Prime, [ 21 ] que presentaba una resolución de 2560×1440 por ojo, así como un FOV de 66° . El Cinera Prime, bastante grande, utilizaba un brazo de soporte estándar o un soporte para la cabeza opcional. Se esperaba que estuviera disponible a finales de 2021 el Cinera Edge, [ 22 ] que presentaba el mismo FOV 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 870×500 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, excepto el Goovis G2, el Cinera Prime, el VISIONHMD Bigeyes H1 y el Dream Glass 4K, que en su lugar ofrecían una toma para auriculares.

Mando a distancia

Piloto de drones con gafas FPV

El vuelo de drones en primera persona (FPV) utiliza pantallas montadas en la cabeza, comúnmente llamadas "gafas FPV". [ 26 ] [ 27 ] Las gafas FPV analógicas (como las fabricadas por Fat Shark ) se utilizan habitualmente en las carreras de drones , ya que ofrecen la menor latencia de vídeo. Sin embargo, las gafas FPV digitales (como las fabricadas por DJI ) están ganando popularidad debido a su mayor resolución de vídeo.

Desde la década de 2010, el vuelo de drones FPV se utiliza ampliamente en la cinematografía aérea y la fotografía aérea . [ 28 ]

Deportes

Kopin Corp. y el Grupo BMW han desarrollado un sistema HMD para pilotos de Fórmula Uno . El HMD muestra datos críticos de la carrera, permitiendo al piloto seguir concentrado en la pista mientras los equipos de boxes controlan los datos y mensajes enviados a sus pilotos 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, esta última basada en un sistema operativo Android . [ 30 ]

Entrenamiento y simulación

Una aplicación clave de los HMD es el entrenamiento y la simulación, que permiten situar virtualmente a un alumno en una situación demasiado costosa o peligrosa para replicar en la vida real. El entrenamiento con HMD abarca una amplia gama de aplicaciones, desde la conducción, la soldadura y la pintura con aerosol, hasta simuladores de vuelo y vehículos, entrenamiento de soldados a pie, entrenamiento en procedimientos médicos y más. Sin embargo, el uso prolongado de ciertos tipos de pantallas montadas en la cabeza ha provocado una serie de síntomas indeseados, y estos problemas deben resolverse antes de que sea posible un entrenamiento y una simulación óptimos. [ 31 ]

Parámetros de rendimiento

  • Capacidad para mostrar imágenes estereoscópicas . Un HMD binocular tiene el potencial de mostrar una imagen diferente a cada ojo. Esto se puede utilizar para mostrar imágenes estereoscópicas . Debe tenerse en cuenta que la llamada "infinito óptico" generalmente es considerada por los médicos de vuelo y los expertos en pantallas como aproximadamente 9 metros [ 32 ] . Esta es la distancia a la que, dado el telémetro promedio del ojo humano (distancia entre los ojos o distancia interpupilar (DIP)) de entre 2,5 y 3  pulgadas (6 y 8  cm), el ángulo de un objeto a esa distancia se vuelve esencialmente el mismo para cada ojo. A distancias más cortas, la perspectiva de cada ojo es significativamente diferente y el costo de generar dos canales visuales diferentes a través del sistema de imágenes generadas por computadora (CGI) se vuelve rentable.
  • Distancia interpupilar (DIP). Esta es la distancia entre ambos ojos, medida a la altura de las pupilas, y es importante para el diseño de pantallas montadas en la cabeza.
  • Campo de visión (FOV): Los humanos tenemos un FOV de alrededor de 180°, pero la mayoría de los HMD ofrecen mucho menos. Por lo general, un campo de visión mayor se traduce en una mayor sensación de inmersión y una mejor percepción del entorno. La mayoría de las personas no tienen una idea clara de cómo se vería un FOV específico (por ejemplo, 25°), por lo que los fabricantes suelen indicar un tamaño de pantalla aparente. La mayoría de las personas se sientan a unos 60  cm de sus monitores y tienen una buena idea del tamaño de la pantalla a esa distancia. Para convertir el tamaño de pantalla aparente del fabricante a la posición de un monitor de escritorio, divida el tamaño de la pantalla por la distancia en pies y luego multiplique por 2. Los HMD de consumo suelen ofrecer un FOV de aproximadamente 110°.
  • Resolución: Los HMD suelen indicar el número total de píxeles o el número de píxeles por grado. La indicación del número total de píxeles (por ejemplo, 1600 × 1200 píxeles por ojo) se basa en la presentación de las especificaciones de los monitores de ordenador. Sin embargo, la densidad de píxeles, generalmente especificada en píxeles por grado o en minutos de arco por píxel, también se utiliza para determinar la agudeza visual. Se suele denominar resolución límite ocular a 60 píxeles/° (1 minuto de arco/píxel) , por encima de la cual las personas con visión normal no perciben un aumento de la resolución. Los HMD suelen ofrecer entre 10 y 20 píxeles/°, aunque los avances en las micropantallas ayudan a incrementar esta cifra.
  • Superposición binocular : mide el área común a ambos ojos. La superposición binocular es la base de la percepción de profundidad y la visión estereoscópica, lo que permite a los humanos distinguir entre objetos cercanos y lejanos. Los humanos tienen una superposición binocular de aproximadamente 100° (50° a la izquierda de la nariz y 50° a la derecha). Cuanto mayor sea la superposición binocular que ofrece un dispositivo de realidad virtual, mayor será la visión estereoscópica. La superposición se especifica a veces en grados (por ejemplo, 74°) o como un porcentaje que indica qué parte del campo visual de cada ojo es común al otro.
  • Soporte de acomodación: los HMD que ayudan a igualar las distancias de acomodación y vergencia de los ojos son más cómodos que los que no lo hacen. [ 33 ]
  • Enfoque a distancia ( colimación ). Se pueden utilizar métodos ópticos para presentar las imágenes con un enfoque a distancia, lo que parece mejorar el realismo de las imágenes que en el mundo real estarían a cierta distancia.
  • Procesamiento y sistema operativo integrados. Algunos fabricantes de HMD ofrecen sistemas operativos integrados como Android, lo que permite ejecutar aplicaciones localmente en el HMD y elimina la necesidad de estar conectado a un dispositivo externo para generar vídeo. A estos dispositivos se les suele llamar gafas inteligentes . Para aligerar la construcción del HMD, los fabricantes pueden trasladar el sistema de procesamiento a un formato de collar inteligente conectado, que además ofrecería la ventaja de una batería de mayor capacidad. Esta solución permitiría diseñar HMD ligeros con suficiente suministro de energía para entradas de vídeo duales o multiplexación basada en el tiempo de alta frecuencia (véase más abajo).

Compatibilidad con formatos de vídeo 3D

multiplexación secuencial de tramas
Multiplexación lado a lado y de arriba a abajo

La percepción de profundidad dentro de un HMD requiere imágenes diferentes para el ojo izquierdo y el derecho. Hay varias maneras de proporcionar estas imágenes separadas:

  • Utilice entradas de vídeo duales, proporcionando así una señal de vídeo completamente separada para cada ojo.
  • Multiplexación basada en el tiempo. Métodos como la multiplexación secuencial de fotogramas combinan dos señales de vídeo separadas en una sola señal alternando las imágenes izquierda y derecha en fotogramas sucesivos.
  • Multiplexación lado a lado o de arriba a abajo. Este método asignaba la mitad de la imagen al ojo izquierdo y la otra mitad al ojo derecho.

La ventaja de las entradas de vídeo duales es que proporcionan la máxima resolución para cada imagen y la máxima velocidad de fotogramas para cada ojo. La desventaja 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 velocidad de fotogramas a la mitad. Por ejemplo, si la señal se presenta a 60  Hz, cada ojo recibe  actualizaciones de solo 30 Hz. Esto puede dificultar la presentación precisa de imágenes en movimiento rápido.

La multiplexación lado a lado y la multiplexación superior-inferior proporcionan actualizaciones a velocidad completa para cada ojo, pero reducen la resolución que se presenta a cada uno. Muchas transmisiones en 3D, como ESPN , optaron por la multiplexación lado a lado, que evita la necesidad de asignar ancho de banda de transmisión adicional y es más adecuada para la acción deportiva de ritmo rápido en comparación con los métodos de multiplexación basados ​​en el tiempo.

No todos los visores de realidad virtual ofrecen percepción de profundidad. Algunos modelos de gama baja son esencialmente dispositivos binoculares, donde ambos ojos ven la misma imagen. Los reproductores de vídeo 3D a veces permiten la máxima compatibilidad con los visores de realidad virtual, ofreciendo al usuario la posibilidad de elegir el formato 3D.

Periféricos

  • Los visores de realidad virtual más rudimentarios simplemente proyectan una imagen o simbología en la visera o retícula del usuario. La imagen no está ligada al mundo real; es decir, no cambia según la posición de la cabeza del usuario.
  • Los visores de realidad virtual más sofisticados incorporan un sistema de posicionamiento que rastrea la posición y el ángulo de la cabeza del usuario, de modo que la imagen o el símbolo que se muestra sea congruente con el mundo exterior mediante imágenes transparentes.
  • Seguimiento de la cabeza : Integración de imágenes. Los visores de realidad virtual también pueden utilizarse con sensores de seguimiento que detectan cambios de ángulo y orientación. Cuando estos datos están disponibles en el ordenador del sistema, se pueden usar para generar las imágenes generadas por ordenador (CGI) adecuadas para el ángulo de visión en ese momento. Esto permite al usuario explorar un entorno de realidad virtual simplemente moviendo la cabeza, sin necesidad de un controlador independiente para cambiar el ángulo de las imágenes. En los sistemas inalámbricos (a diferencia de los cableados), el usuario puede moverse dentro de los límites de seguimiento del sistema.
  • Seguimiento ocular : Los rastreadores oculares miden el punto de mirada, lo que permite a la computadora detectar hacia dónde mira el usuario. Esta información es útil en diversos contextos, como la navegación de la interfaz de usuario: Al detectar la mirada del usuario, la computadora puede modificar la información que se muestra en la pantalla, resaltar detalles adicionales, etc.
  • Seguimiento de manos : el seguimiento del movimiento de las manos desde la perspectiva del HMD permite una interacción natural con el contenido y un mecanismo de juego conveniente.

Véase también

Referencias

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Bibliografía

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