Aspectos de HMD em Realidade Aumentada (Continuação)

 Neste post, iremos continuar a análise dos hardware necessários para a criação de um HMD.

O post anterior pode ser encontrado aqui: HMD

Projetos Óticos Mais Utilizados

Figura 1: Localização da Imagem Virtual em diferentes tipos de HMDs [1].

Existe uma variedade de projetos óticos para HMDs, cada projeto tem suas vantagens e desvantagens. Por exemplo, telas virtuais formadas pelos HMDs aparecem de forma diferente em diferentes projetos óticos, como mostra a Figura 1. Os projetos óticos para HMDs podem ser divididos em duas categorias: com formação de pupila e sem formação de pupila. A arquitetura que apresenta formação de pupila (também conhecida como ótica de transmissão) tem sido frequentemente utilizada desde os primeiros HMDs para permitir amplo campo de visão, apesar de apresentar tamanho e peso maiores. Essa arquitetura produz pelo menos uma imagem intermediária e a pupila de saída é colimada pela ocular. A existência de uma imagem intermediária faz com que o projeto ótico seja flexível, em relação ao tamanho do dispositivo gerador de imagens. Sistemas com formação de pupila são normalmente dobrados e colocados em torno da cabeça, para minimizar ao o momento de inércia rotacional. Em tais sistemas, a pupila de um olho precisa ser posicionada dentro de um determinado volume chamado de eye-box para evitar ocultação da imagem.

Figura 2: Projeto ótico com formação de pupila (figura superior) e sem formação de pupila (figura superior) [2].

Com o advento da alta resolução e pequenos dispositivos geradores de imagens, as arquiteturas sem formação de pupila se tornaram mais comuns, e isso permitiu um campo de visão moderado com uma estrutura leve e compacta. Porém, em arquiteturas sem formação de pupila, o projeto ótico é menos flexível. Figura 3 mostra diversos projetos de ocular com arquitetura sem formação de pupila. Desde os primeiros HMDs, a ótica refrativa tem sido utilizada (Figura 3.a). Nesse caso, pelo menos três lentes são requeridas para correção de aberrações na imagem gerada. O tamanho em profundidade e peso da ótica é difícil de ser reduzido. Dobrando o caminho ótico através de um combinador ótico colocado entre a ocular e o olho é possível construir um HMD com tipo de visualização por sistema ótico.

Figura 3: Projetos típicos das oculares (eyepiece) – (a) refrativo [1]; (b) catadióptrico [1]; (c) prisma de forma livre [1].

Projetos catadióptrico (Figura 3.b) contém um espelho côncavo e um espelho translúcido. A luz emitida de um dispositivo gerador de imagem é primeiramente refletida no espelho translúcido em direção ao espelho côncavo. A luz então reflete no espelho côncavo, passa pelo espelho translúcido e entra no olho. Essa configuração proporciona uma redução significativa no peso e no tamanho do sistema ótico. Além disso, não há a introdução de aberrações cromáticas (incapacidade da lente de focar diferentes cores no mesmo ponto). Para que seja possível ver através desse sistema ótico basta que o espelho côncavo seja semitransparente. Entretanto, o olho recebe no máximo ¼ da luz originalmente gerada pelo dispositivo gerador de imagem, pois a luz deve passar pelo espelho translúcido duas vezes. Um divisor de feixes prismático é frequentemente utilizado no lugar do espelho translúcido para aumentar o campo de visão à custa um de peso pouco maior.

O uso de um prisma de forma livre (Figura 3.c) reduz a espessura e o peso sem perda de  eficiência da luz. Por exemplo, é possível alcançar um campo de visão horizontal de 34º utilizando um prisma de apenas 15mm de espessura. A parte interna da superfície frontal funciona como um espelho côncavo. O lado interno da superfície da parte de trás é cuidadosamente angulada. Primeiramente, a luz produzida pelo dispositivo gerador de imagem é totalmente refletida por essa superfície. Posteriormente, a luz refletida viaja através da superfície em direção ao olho, devido aos pequenos ângulos de incidência. Para que seja possível ver através desse sistema ótico, um prisma de compensação pode ser colocado na parte frontal do dispositivo ótico (ao lado direito da Figura 3.c).

Figura 4: (a) Projeto de HMD baseado em HOE [1]; (b) Projeto de HMD baseado em guia de onda ótico [1].

Um elemento ótico holográfico (HOE, do inglês Holographic Optical Element), uma espécie de grade de difração, tem sido utilizado para obtenção de um sistema ótico de baixo peso. Devido ao seu poder de refracção, uma variedade de formas de espelho curvo pode ser formada sobre um substrato plano. Um HOE também pode funcionar como um combinador ótico extremamente transparente, devido à sua seletividade comprimento de onda. Com base nessas características únicas, é possível projetar HMDs muito finos, leves, brilhantes e translúcidos com o uso de um HOE. Um exemplo de HMD estereoscópico baseado em um HOE é ilustrado na Figura 4.a.

Um guia de onda ótico ou um elemento ótico de guia de luz, em conjunto com acoplamento ótico de entrada e saída, oferecem uma possibilidade de projeto de HMD compacto, leve e com amplo campo de visão. Como mostra a Figura 4.b., componentes da imagem da fonte de imagem são primeiramente acoplados dentro do guia de onda com reflexão interna total. Então, esses componentes da imagem acoplados para fora do guia de onda usando materiais refletores semitransparentes cuidadosamente projetados, tais como HOEs.  Alguns HMDs recentes como o Google Glass e a série ESPSON Moverio utilizam projetos baseados em guia de onda.

Figura 5: (a) Google Glass [3]; (b) Epson Moverio [4].

Enquanto HMDs típicos apresentam uma tela virtual a certa distância a frente dos olhos do usuário, alguns outros modelos de HMD não formam nenhuma tela virtual (Figura 1.b). O Visor Virtual Retinal (VRD, do inglês Virtual Retinal Display), desenvolvido na Universidade de Washington, realiza varreduras de luz modulada diretamente na retina do olho com base no princípio de visão de Maxwell. O VRD elimina a necessidade da ótica de formação de imagens e telas, permitindo, teoricamente, resolução extremamente alta e amplo campo de visão. O VRD garante imagens focadas o tempo todo, independentemente de acomodação do olho, em troca de uma pequena pupila de saída.

Outros Projetos Óticos

Figura 6: (a) Projeto de um HMPD (Head-Mounted Projective Display) [1]; (b) Projeto de um VRD (Virtual Retinal Display) [1].

Enquanto HMDs típicos apresentam uma tela virtual a certa distância a frente dos olhos do usuário, alguns outros modelos de HMD não formam nenhuma tela virtual (Figura 1.b). O Visor Virtual Retinal (VRD, do inglês Virtual Retinal Display), desenvolvido na Universidade de Washington, realiza varreduras de luz modulada diretamente na retina do olho com base no princípio de visão de Maxwell. O VRD elimina a necessidade da ótica de formação de imagens e telas, permitindo, teoricamente, resolução extremamente alta e amplo campo de visão. O VRD garante imagens focadas o tempo todo, independentemente de acomodação do olho, em troca de uma pequena pupila de saída.

Figura 7: Virtual Retinal Display desenvolvido pela Avegant [5].

Head-Mounted Projective Displays (HMPD) apresentam uma imagem estereoscópica no ambiente real a partir de um par de miniprojetores. Uma configuração típica de HMPDs é mostrada na Figura 6.a. A partir de regiões do ambiente real que são cobertas por materiais retro refletivos, a imagem estereoscópica projetada é refletida de volta, separadamente, para os olhos correspondentes. Sem a necessidade de uma ocular, esse projeto é menos invasivo e fornece menores aberrações e amplo campo de visão binocular, de até 120º na horizontal.

Figura 8: Visão frontal (a) e lateral (b) de um protótipo de um HMPD [6].

Em 2013, foram propostos dois novos HMDs com tecnologia de campo de luz próximo ao olho (Near-Eye Light Field Display). O campo de luz corresponde a todos os raios de luz em cada ponto do espaço que viajam todas as direções. Em teoria, esses displays de campo de luz podem reproduzir a acomodação, a convergência, e a disparidade binocular das informações de profundidade, eliminando um problema comum do conflito entre acomodação e convergência dentro de uma dada profundidade de campo. O display desenvolvido pela NVIDIA é capaz de apresentar essas informações de profundidade utilizando um dispositivo gerador de imagem e um arranjo de microlentes perto do olho, mais perto do que a distância acomodação do olho (Figura 6.b). Por causa da estrutura simples e de uma curta distância entre o olho e o dispositivo gerador de imagem, um display de campo luz perto dos olhos pode, potencialmente, fornecer uma alta resolução, um amplo campo de visão com uma estrutura muito fina (~10mm) e leve (~100g). O display desenvolvido pela Universidade de Carolina do Norte (UNC, do inglês University of North Carolina) apresenta um sistema ótico de visualização, através do qual se pode ver o mundo real, e suporta amplo campo de visão, oclusão seletiva, e várias profundidades focais simultâneas em uma estrutura compacta similar a anterior. Sua abordagem não requer reflexão, refração, ou componentes de difração, mas conta com um conjunto de padrões otimizados para produzir uma imagem focalizada quando exibida em um conjunto de moduladores espaciais de luz (painéis LCD). Embora a qualidade da imagem desses displays de campo de luz próximos ao olho não seja atualmente satisfatória, eles são extremamente promissores por causa das vantagens únicas mencionadas anteriormente.

Figura 9: Near-eye Light Field Display da NVIDIA [7].

Em 2014, UNC e NVIDIA propuseram, em conjunto, mais uma nova arquitetura, chamado pinlight. Um display pinlight é simplesmente composto por um modulador espacial de luz (um painel LCD) e um arranjo de fontes de luz pontuais. É formado um arranjo de miniprojetores, oferecendo assim um amplo e arbitrário campo de visão através de uma estrutura compacta. O protótipo do display renderiza um amplo campo de visão (110º na diagonal) em tempo real usando um shader para reorganizar as imagens para cada um dos projetores miniaturizados.

Figura 10: Protótipo do Display Pinlight desenvolvido pela UNC em parceria com a NVIDIA [8].

Considerações Finais

No presente artigo continuamos a apresentar 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  os projetos óticos mais utilizados no desenvolvimento de HMDs para Realidade Aumentada e para Realidade Virtual. No próximo artigo  apresentaremos as principais características que definem a qualidade de um HMD.

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]       DIEZ, Flavio. Head Mounted Display. Dez. 2013. Disponível em: < http://www.flaviodiez.com/2013/12/head-mounted-display/>.

[3]       HATHWAY. Wearable technology that brings friends closer. Disponível em: < http://wearehathway.com/work/notify/>.

[4]       URBAN. Epson Moverio BT-200 Smart Glasses. Disponível em: < http://urbanwearables.technology/epson-moverio-bt-200-smart-glasses/>.

[5]       TEW, Sarah. CNET – Avegant’s Virtual Retinal Display prototype takes Oculus Rift-style immersion to the next level. 2013. Disponível em: < http://www.cnet.com/products/avegant-virtual-retinal-display/>.

[6]       HUA, Hong; GAO, Chunyu. Design of a bright polarized head-mounted projection display. Applied Optics. Vol 46, No. 14. Maio, 2007.

[7]       Nvidia Near-Eye Light Field Display. Julho, 2013. Disponível em: < http://lightfield-forum.com/light-field-camera-prototypes/nvidia-near-eye-light-field-display/>.

[8]       HRUSKA, Joel. UNC and Nvidia collaborate on ‘pinlight display’ augmented reality breakthrough. ExtremeTech. Agosto, 2014. Disponível em: <http://www.extremetech.com/computing/187649-unc-research-team-collaborates-with-nvidia-on-augmented-reality-breakthrough>.

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Thiago D'Angelo

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