Introdução aos HUDs (Head Up Displays) e HMDs (Head Mounted Displays) – PARTE I

On 23 de agosto de 2015 by Thiago D'Angelo

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  1. HUD vs HMD

Nesta sequência de três artigos, faremos uma breve introdução aos HUDs e HMDs, ferramentas importantes para interação humano-computador com aplicabilidade em diversos problemas e situações. Através de uma abordagem teórica, vamos mostrar um pouco sobre a história, os principais conceitos e os princípios básicos de funcionamento dos HUD vs HMD.

Neste primeiro artigo, iremos abordar os HUDs, no segundo artigo iremos abordar os HMDs e, por último, faremos uma comparação entre essas duas ferramentas.

 

1. HUDs

Os Head Up Displays foram inicialmente desenvolvidos para aplicação em aeronaves militares com intuito de fornecer informações visuais a respeito de parâmetros de voo e sensores da aeronave para o piloto. Através dos HUDs, os pilotos não precisam desviar o foco do alvo à frente da aeronave ao buscar por informações em displays no interior da aeronave. Vale ressaltar que é necessário um segundo ou mais para alterar o foco da visão de um objeto distante para um objeto próximo aos olhos de um indivíduo e esse tempo é considerado alto em situações de risco, como no caso de aeronaves militares em situação de combate.

A primeira produção e aplicação de HUDs, de fato, começou em 1962 na aeronave de ataque Buccaneer utilizada pela força aérea do Reino Unido. Desde então, o uso do HUD possibilitou uma grande melhora na interação Homem-Máquina, uma vez que o piloto se tornou capaz de ver e assimilar informações de voo fundamentais gerados por sensores e sistemas da aeronave ao mesmo tempo em que, com a cabeça erguida, consegue manter completa concentração visual no mundo exterior à aeronave.

Um Head Up Display basicamente projeta um display colimado na linha de visão do piloto de forma que ele possa ver a informação do display e o mundo exterior ao mesmo tempo. Devido ao fato do display ser colimado, ou seja, focado no infinito (ou em uma longa distância à frente), o ângulo de visão do piloto sobre os símbolos apresentados pelo display não se altera com o movimento da cabeça e, desta forma, a simbologia sobreposta se mantém estável em relação ao mundo exterior. Assim, o piloto se torna capaz de observar os objetos distantes (no mundo exterior) e as informações apresentada pelo display sem ter que alterar a linha ou o foco de sua visão.

O uso de um HUD para apresentação de dados essenciais sobre o voo da aeronave (como o horizonte artificial, ângulo de arfagem, ângulo de inclinação, trajetória de voo, altura, velocidade do ar, direção) durante a etapa de pouso da aeronave pode ser visto na Figura 1.

Figura 1: Head Up Display durante pouso da aeronave [1].

Figura 1: Head Up Display durante pouso da aeronave [1].

Além da aplicação em aeronaves militares, os HUDs recentemente começaram a ser implantados em aeronaves de uso civil e isso se deve ao fato de apresentarem incontáveis vantagens, como: guia automático de pouso em condições de baixa visibilidade, projeção de vídeo, gerado a partir de sensores de radar para detecção de obstáculos, em condições de visibilidade nula (Figura 2), apresentação de informações de voo em display colimado com linha de visão do piloto.

Figura 2

Figura 2: Imagem gerada a partir de radar mostrada através de um HUD [1].

 

1.1. Conceitos

Nesta seção, iremos apresentar alguns conceitos fundamentais para entender o princípio básico de funcionamento dos HUDs.

1.1.1. Colimador e Colimação

Um colimador pode ser definido como um sistema ótico de distância focal finita com uma fonte de imagem localizada no plano focal. Raios de luz emanados de um determinado ponto no plano focal saem do sistema de colimação como um grupo de raios paralelos (Figura 3), como se viessem de uma fonte de luz no infinito [1].

Figura 3

Figura 3: Funcionamento de um colimador ótico simples [1].

1.1.2. Campo de Visão (FOV)

O Campo de Visão (FOV, do inglês “Field of View”) é um importante parâmetro que deve ser mensurado para qualquer HUD existente. O FOV deve ser o maior possível e deve levar em consideração todas as restrições de espaço impostas pela geometria do cockpit da aeronave [1]. Um grande FOV horizontal é particularmente importante para permitir que o piloto tenha visão ampla quando o HUD é responsável por mostrar toda imagem do mundo exterior, como em condições de baixa visibilidade (devido à neblina ou à noite, por exemplo – Figura 2) [1].

É importante distinguir outros dois conceitos existentes. O Campo de visão Instantâneo (IFOV, do inglês “Instantaneous Field of View”) corresponde à cobertura angular da imagem que pode ser vista por um observador em um instante qualquer [1]. O Campo de Visão Total (TFOV, do inglês “Total Field of View”) corresponde à cobertura angular total da imagem do CRT que pode ser vista movendo-se a posição do olho do observador. Uma explicação visual desses conceitos está presente na Figura 4 [1].

Figura 4

Figura 4: Campos de Visão Instantâneo e Total [1].

Na Figura 4(a), é apresentado o IFOV para um observador localizado a uma distância L em relação ao HUD. Na Figura 4(b), percebe-se que, diminuindo a distância L do observador em relação ao HUD, é possível aumentar o substancialmente o valor do IFOV. Na Figura 4(c), é possível verificar a relação entre o IFOV e TFOV conforme a posição do olho do observador é alterada. Vale ressaltar que, geralmente, o IFOV é de apenas 2/3 do TFOV e isso se deve às restrições impostas pela geometria do cockpit da aeronave [1].

 

1.2. Princípios Básicos de Funcionamento

Nessa seção vamos apresentar os princípios básicos de funcionamento dos HUDs, diferenciando os dois principais tipos utilizados em aeronaves, os HUDs Refrativos (Convencional) e Difrativos (Holográfico). Posteriormente, será apresentada uma breve análise comparativa evidenciando as vantagens do uso de um tipo de HUD em detrimento do outro.

1.2.1. HUD Refrativo (Convencional)

Figura 5

Figura 5: Princípio de funcionamento dos HUDs Refrativos Convencionais [1].

A Figura 5 mostra a configuração básica de um HUD refrativo convencional. O piloto vê o mundo exterior através do combinador ótico (Combiner Glass, na imagem). O combinador ótico é um espelho translúcido com alta eficiência de transmissão ótica e possui esse nome, pois é responsável por combinar oticamente a imagem colimada do display com a visão do mundo exterior, de forma que a imagem do display é transmitida com 30% de eficiência e a imagem do mundo exterior é transmitida com 70% de eficiência. A simbologia do display, gerada a partir dos sensores e sistemas da aeronave, é mostrada na superfície do tubo de raios catódicos (CRT, do inglês Cathode Ray Tube). As imagens do display são, então, transmitidas através do sistema de lentes de aumento de transmissão (Magnifying Lenses, na imagem). As imagens transmitidas são refletidas em um ângulo próximo a 90º e passam pelas lentes colimadoras (Collimating Lenses, na imagem), que são responsáveis por colimar a imagem. Posteriormente, a imagem colimada é refletida pelo combinador ótico no campo de visão frontal do piloto. Por fim, o piloto enxerga a simbologia da imagem virtual, inicialmente gerada na superfície do CRT, como se estivesse sobreposta ao mundo exterior. [1]

1.2.2. HUD Difrativo (Holográfico)

Figura 6

Figura 6: Princípio de funcionamento de HUDs Difrativos (Holográficos) [1].

A Figura 6 mostra a configuração básica de um HUD difrativo, também conhecido como HUD holográfico. O princípio de funcionamento desse tipo de HUD é semelhante ao princípio de funcionamento do HUD convencional. A principal diferença entre ambos reside no fato de que, no HUD holográfico, a imagem do display gerada a partir do CRT, após ser transmitida pelo sistema de lentes de aumento de transmissão, é colimada através de uma superfície esférica refletora contida no combinador ótico [1]. A colimação a partir de uma superfície esférica é mostrada pela Figura 7.

Figura 7

Figura 7: Colimação realizada por superfície esférica refletora [1].

1.2.3. Comparação entre HUD Refrativo e HUD Difrativo

Devido ao fato do elemento colimador estar localizado dentro do combinador ótico na configuração do HUD difrativo (Figura 6), ocorre o efeito descrito pela Figura 4(b) onde a distância ótica entre observador e a imagem virtual é reduzida, fazendo com que o IFOV aumente consideravelmente. Além disso, nessa configuração o colimador pode ser muito maior que a lente colimadora do HUD refrativo convencional, considerando-se as mesmas restrições geométricas de um cockpit. Desta forma, o IFOV pode atingir o dobro do IFOV do HUD convencional e, inclusive, pode atingir a mesma abrangência do TFOV. A Figura 8 ilustra o que foi dito anteriormente.

Figura 8

Figura 8: Diferença entre o IFOV do HUD Refrativo (a) e do HUD Difrativo (b) [1].

Uma vez que o IFOV do HUD Difrativo chega a ser o dobro do IFOV do HUD refrativo, o seu uso é fundamental em condições de baixa visibilidade, como em operações noturnas, onde a única informação visual do mundo exterior, fornecida ao piloto, é provida pelas imagens geradas pelo sensor de radar que são exibidas através do HUD [1].

 

1.3. Considerações Finais

No presente artigo foi apresentada uma abordagem teórica a respeito dos Head Up Displays baseada no livro Introduction to Avionics Systems (COLLINSON, 2011). Foram destacados os principais conceitos, os diferentes tipos e os princípios de funcionamento dos HUDs disponíveis para sistemas de aviação na atualidade. No próximo artigo será apresentada uma abordagem teórica a respeito dos Head Mounted Displays e, posteriormente, será feita uma comparação entre essas duas ferramentas.

 

Referências Bibliográficas

[1] COLLINSON, R. P. G. “Introduction to Avionics Systems”. Editora Springer, 3a Ed. 2011.

 

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