Aspectos de Hardware na Construção de HMD para Realidade Aumentada

Para os HMD , existem dois tipos principais de Visualização Aumentada em Realidade Aumentada: visualização aumentada por sistema ótico ou visualização aumentada por sistema de vídeo. A discussão de ambos se torna um aspecto importante na criação de “Eyewares” dentro das Wearable Technology. Utilizando um sistema ótico, as imagens real e virtual são combinadas utilizando um dispositivo ótico que é parcialmente transmissivo e reflexivo, normalmente utiliza-se um espelho translúcido como dispositivo ótico. A imagem do mundo real é vista de maneira integral através desse combinador ótico, enquanto que a imagem virtual é sobreposta na imagem real. Na maioria dos HMDs que utilizam sistemas óticos de visualização aumentada, o combinador ótico é normalmente colocado no fim do caminho ótico, logo em frente aos olhos do usuário.  No caso do espelho translúcido, a cena real é simplesmente vista através do espelho e a imagem virtual é refletida no espelho. A estrutura do dispositivo gerador de imagens nunca deve impedir o usuário de ver o mundo real. Sendo assim, ela é normalmente colocada acima do combinador ótico, ou na lateral da cabeça do usuário, utilizando ótica de transmissão para imagem virtual chegue ao combinador ótico.

Tipos de Visualização Aumentada

Figura 1: (a) Configuração típica de Visualização Aumentada por Sistema Ótico [1]; (b) Configuração típica de Visualização Aumentada por Sistema de Vídeo [1].

As vantagens do sistema ótico de visualização aumentada incluem: visão natural e instantânea do mundo real, e estruturas geralmente simples e leves.

Figura 2: Exemplos de HMDs que utilizam visualização aumentada por sistema ótico: (a) Lumus [4]; (b) ARTUR [3]; (c) Google Glass [5].

A Figura 1.b mostra uma configuração típica de um HMD com visualização aumentada por sistema de vídeo.  Utilizando um sistema de vídeo, a imagem do mundo real é primeiramente capturada por uma câmera de vídeo, então, a imagem capturada e imagem virtual (sintética) são combinadas eletronicamente (digitalmente), e finalmente a imagem combinada (aumentada) é mostrada ao usuário. A junção eletrônica das imagens podem ser feitas por “frame grabbers” (como câmeras digitais) ou dispositivos de chroma-keying. Comparado com a visualização aumentada por sistema ótico, são poucos os sistemas de realidade aumentada por vídeo disponíveis comercialmente. Como um resultado imediato, pesquisadores frequentemente têm que construí-los “manualmente”, usando um HMD para Realidade Virtual (VR) em conjunto com uma ou duas câmeras de vídeo pequenas (como webcams). As vantagens do sistema de vídeo em relação ao sistema ótico incluem a consistência pictórica (sobreposição exata da imagem virtual sobre a imagem real) e a disponibilidade de inúmeras técnicas de processamento de imagens. Com um rastreamento baseado na visão e com um processamento síncrono das imagens real e virtual, é possível obter também consistência geométrica e temporal.

Figura 3: Exemplos de HMDs que utilizam visualização aumentada por sistema de vídeo: (a) Visette45 SXGA [6]; (b) SIMVIZ, foi construído utilizando um Oculus Rift e uma Playstation 4 Eye Camera [7].

Ocularidade

A ocularidade é outro critério para categorizar os HMDs. Existem três tipos de ocularidade: monocular, biocular e binocular. Essas categorias são independentes do tipo de visualização aumentada. A Tabela 1 mostra a aplicabilidade de cada combinação de ocularidade e tipo de visualização aumentada que pode ser utilizada em AR (Realidade Aumentada).

TABELA 1 – Análise Qualitativa das Combinações entre Ocularidade e Tipo de Visualização Aumentada.

Um HMD monocular tem um único dispositivo de visualização, seja um sistema ótico ou por vídeo. Esse modelo é relativamente pequeno e fornece a visualização aumentada para apenas um olho, de forma que o outro olho vê o mundo real de maneira integral. O HMD monocular é recomendado para uso em ambientes externos, nessa situação se torna crucial a menor obstrução na visualização do mundo real e a visão estereoscópica da imagem virtual não é necessária. Computação vestível e aviação militar são bons exemplos de aplicação desse tipo de HMD. Como foi dito anteriormente, ao utilizar um HMD monocular, os dois olhos vêm imagens bastante diferentes. Isso causa um incômodo visual chamado de rivalidade binocular. Esse incômodo fica ainda mais evidente caso seja utilizado um HMD monocular com visualização aumentada através do sistema de vídeo.

Figura 4: Exemplo de HMD Monocular: Google Glass [5].

O HMD biocular provê uma única imagem para os dois olhos. Como ambos os olhos observam sempre a mesma imagem virtual, o problema de rivalidade binocular não ocorre. Essa é a configuração comum de HMDs para consumidores finais, onde a apresentação de imagens 2D, como as imagens de televisões e videogames, é objetivo principal. Alguns HMDs bioculares apresentam o sistema ótico para visualização aumentada por motivos de segurança. De qualquer forma, o sistema ótico de visualização aumentada para HMD biocular apresenta um incômodo, pois só é possível fazer a sobreposição da imagem virtual com a imagem real para apenas um dos olhos. Em Realidade Aumentada, os HMDs bioculares com visualização aumentada por sistema ótico são recomendados para aplicações casuais, onde a geração de imagem estereoscópica não é necessária e uma sobreposição convincente da imagem virtual na imagem real é crucial. Entretenimento é uma boa área de aplicação para esses dispositivos.

Figura 5: Exemplo de HMD Biocular: AIRO [6].

O HMD binocular possui dois displays separados com dois canais de entrada, uma para cada olho. Devido a sua capacidade de geração de imagens estereoscópicas, os HMDs binoculares são altamente recomendados para a maioria das aplicações em Realidade Aumentada. Frequentemente os termos binocular e estéreo são confundidos. Um HMD binocular pode funcionar como um HMD estereoscópico apenas quando duas fontes de imagens diferentes forem utilizadas.

Figura 6: Exemplo de HMD Binocular: Lumus [7].

Distância entre Olho e Combinador Ótico (Eye-Relief)

Na maioria dos HMDs é necessário ampliar uma pequena imagem, provida pelo dispositivo gerador de imagens, e transformá-la em uma tela virtual de tamanho maior a certa distância do olho do usuário, de forma que cubra o seu campo de visão (Figura 7). Para obter tamanho total e momento de inércia rotacional reduzidos, é desejado que a distância entre o combinador ótico e o olho do usuário, também chamada de chamada de Eye-Relief, seja pequena. Entretanto, caso o Eye-Relief seja muito pequeno, o campo de visão do HMD é prejudicado e uma parte dele pode ser obstruída, o que é inconveniente para usuários do óculos. Dessa forma, o Eye-Relief de um HMD deve ser configurado para uma distância entre 20mm e 40mm.

Figura 7: (a) Eye-Relief e distância de visualização [1]; (b) Localização da Imagem Virtual em diferentes tipos de HMDs [1].

O Eye-Relief e a distância entre o olho e dispositivo gerador de imagem estão interligados entre si, pois a lente (utilizada como combinador ótico) geralmente possui o mesmo comprimento focal frontal e traseiro. Por exemplo, se o Eye-Relief for 30mm então a distância entre o olho e o dispositivo de gerador de imagens deve ser de 60mm.

Figura 8: Modelo da Ótica Estereoscópica (Binocular) [2].

De forma análoga, quanto maior o Eye-Relief, maior deve ser o diâmetro do combinador ótico, introduzindo uma ótica mais pesada, mas um maior tamanho de pupila de saída. A pupila de saída deve ser tão ampla quanto possível e deve apresentar, pelo menos, cerca de 10 mm de diâmetro. O diâmetro do combinador ótico não deve ser maior que a distância interpupilar (IPD – Figura 8 – do inglês, Interpupillary Distance), que normalmente varia de 53mm até 73mm entre indivíduos.

Considerações Finais

No presente artigo foi apresentada uma abordagem teórica a respeito das tecnologias de Head Mounted Displays utilizados em sistemas Realidade Aumentada, com foco nos aspectos construtivos dos HMDs. A visão aqui apresentada é baseada no capítulo 4 “Head-Mounted Display Technologies for Augmented Reality” presente no livro “Fundamentals of Wearable Computing and Augmented Reality” [1]. Destacamos a influência do Tipo de Visualização, da Ocularidade e do Eye-Relief no desenvolvimento de HMDs para Realidade Aumentada. No próximo artigo  continuaremos a apresentar os principais aspectos construtivos de diferentes tipos de HMDs.

Referências

[1]       KIYOKAWA , Kiyoshi. Head-Mounted DisplayTechnologies for Augmented Reality, In: BARFIELD, Woodrow. Fundamentals of Wearable Computing and Augmented Reality. Boca Raton, FL: CRC Press, 2015. p.59-84.

[2]       ROBINETT, W., ROLLAND, J. P. A computational model for the stereoscopic optics of a head-mounted display, Presence: Teleoperators and Virtual Environments (MIT Press),1(1), p. 45–62.

[3]       BROLL, Wolfgang Broll, et al. ARTHUR: A Collaborative Augmented Environment for Architectural Design and Urban Planning. JVRB – Journal of Virtual Reality and Broadcasting, 1(2004), no. 1.

[4]       LANG, Ben. Lumus Offers 720p LOE Head Mounted Display Development Kit. Road To VR. Disponível em: <http://www.roadtovr.com/lumus-offers-720p-loe-head-mounted-display-development-kit/>. Janeiro, 2012.

[5]       Wikipedia. Google Glass. Disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Google_Glass>.

[6]       Cinoptics Products. AIRO and Visette45 SXGA Video See-Through HMD. Disponível em: <http://www.epicos.com/EPCompanyProfileWeb/Products.aspx?id=731>.

[7]       FOLMER, Eelke. SIMVIZ: Simulation of Visual Impairments With a Wearable See-through Display. Disponível em: < https://www.youtube.com/watch?v=XQ6fehkula8 >.

Summary

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Tecnologias HMD para Realidade Aumentada – PARTE 2

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Existem dois tipos principais de Visualização Aumentada em Realidade Aumentada: visualização aumentada por sistema ótico ou visualização aumentada por sistema de vídeo.

Author

Thiago D'Angelo

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iMobilis

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