Tecnologias HMDs para Realidade Aumentada – PARTE 4 – AR

On 24 de fevereiro de 2016 by Thiago D'Angelo

Características dos HMDs e AR

Neste post apresentaremos as principais características que definem a qualidade de um HMD como AR. Primeiramente, trataremos sobre as seguintes características dos HMDs:  resolução, campo de visão e oclusão. Além disso, vamos mostrar como essas características se relacionam com os aspectos construtivos dos HMDs, fornecendo exemplos de HMDs que já foram desenvolvidos. Nos próximos posts continuaremos a abordar outras características de grande importância na construção de HMDs.

Resolução de um HMD

A resolução de um sistema de visualização determina a integridade da imagem virtual em relação à imagem real. A resolução do total do sistema é limitada pelo sistema ótico e pelo dispositivo gerador de imagem. No caso de um HMD com sistema de visualização por vídeo, a resolução da câmara também deve ser levada em consideração. Uma função de transferência de modulação (MTF, do inglês Modulation Transfer Function) é muitas vezes utilizada para quantificar a forma como a modulação é transferida através do sistema. Se o sistema é linear, convolução das MTFs dos componentes individuais resulta na MTF do sistema como um todo. No entanto, a resolução angular e o número total de pixels são convenientemente utilizados para avaliar cada componente. Em relação à resolução da imagem virtual, um HMD ideal precisará ter até 12.000×7200 pixels para competir com a visão humana (60 pixels por grau – PPD, do inglês Pixel Per Degree – para o campo de visão total de 200° na horizontal e 120° na vertical). Infelizmente, isso ainda não é facilmente alcançado considerando-se a tecnologia atual.

Figura 1: Comparação entre as diferentes resoluções dos HMDs [2].

Figura 1: Comparação entre as diferentes resoluções dos HMDs [2].

Para se atingir uma boa solução, é preciso escolher uma das três opções; (1) resolução angular maior e um estreito campo de visão, (2) resolução angular menor e um amplo campo de visão, e (3) arranjo de múltiplas telas (chamado telha). A visualização médica e aviação militar são adequadas, respectivamente, para primeira e segunda opção. A fronteira entre a primeira e a segunda opção não é muito clara, mas campo de visão de 50° na horizontal é um limite aceitável para ser considerado como limiar. A terceira opção é promissora, mas muitas vezes sofre de descontinuidades geométricas e de cores nos limites das unidades de display, aumento dos custos de produção, e maiores peso e tamanho do dispositivo. Por exemplo, piSight de Sensics fornece um grande campo de visão, com cerca de 187º na horizontal e  84° na vertical em uma estrutura com 4×3 arranjos por olho. A resolução total máxima por olho é 1920 × 1200 pixels, produzindo um PPD horizontal de 10,3. Outra forma de utilizar múltiplas telas é uma combinação da primeira e da segunda opções. A ideia consiste em proporcionar uma tela de alta resolução e uma tela de amplo campo de visão numa disposição concêntrica. Imitando o sistema de visão humana, essa configuração oferece maior resolução para onde for necessário.

 

Figura 2: (a) HMD da Sony para aplicação em Medicina [3]; (b) HMD BAE Systems Strike II para aplicação em aviação militar [4].

Figura 2: (a) HMD da Sony para aplicação em Medicina [3]; (b) HMD BAE Systems Strike II para aplicação em aviação militar [4].

No entanto, como a resolução das telas aumentam a cada ano, esse trade-off entre resolução angular e amplitude do campo de visão deve desaparecer no futuro. Por exemplo, se um visor de 4K (3840×2160) for utilizado para cobrir 150° da horizontal do campo de visão, obtemos o PPD é mais 25.6. Com esse PPD, a estrutura do pixel já se torna difícil de observar.

 

Figura 3: Display de múltiplas telas do HMD piSight da Sensics [5].

Figura 3: Display de múltiplas telas do HMD piSight da Sensics [5].

Em sistemas de realidade aumentada, a resolução da cena real é um aspecto diferente. Displays de visualização aumentada por sistemas óticos fornecem algo próximo da melhor resolução de cena que pode ser obtida a olho nu. As aberrações e distorções introduzidas pelo combinador ótico são desprezíveis. Por outro lado, displays de visualização aumentada por sistemas de vídeo exibem imagens reais digitalizadas. HMDs do tipo fechado, mencionados anteriormente, podem ser usados como um HMD com visualização aumentada por sistemas de vídeo, através da adição de uma câmera digital. A resolução da cena real observada será, então, limitada pela resolução da câmera e pela resolução do monitor. Para evitar a deterioração desnecessária da imagem, é preciso que resolução da câmera seja semelhante à resolução do display.

 

Figura 4: SIMVIZ, foi construído utilizando um Oculus Rift e uma Playstation 4 Eye Camera [6].

Figura 4: SIMVIZ, foi construído utilizando um Oculus Rift e uma Playstation 4 Eye Camera [6].

Campo de Visão de um HMD

O campo de visão de um HMD para realidade aumentada pode ser classificado em um certo número de regiões. O campo de visão aumentada (sobreposta)  é o campo visual mais importante em realidade aumentada, pois consiste na região em que a imagem virtual é sobreposta na imagem real. Um campo de visão aumentada de um HMD estéreo, tipicamente, consiste de um campo de visão estéreo e de campos de visão monoculares. Os HMDs com campo de visão estreito (menor que 60° na horizontal) normalmente têm 100% de sobreposição, enquanto que HMDs com amplo campo de visão (maior que 80º na horizontal) muitas vezes têm uma pequena relação de sobreposição, por exemplo, 50%. A parte externa ao campo de visão aumentada consiste no campo de visão periférica e no campo de visão oclusas (visão bloqueada pela estrutura do HMD). A imagem real é vista diretamente através do campo de visão periférica, enquanto que, no campo de visão oclusa, nenhuma da imagem real ou virtual é visualizada, já que essas regiões do campo de visão estão obstruídas. A transição da visualização do campo de visão aumentada para o campo de visão periférica (e vice-versa) deve ser tão simples e natural quanto possível. Já as regiões obstruídas (ou seja, o campo de visão oclusa) devem ser tão pequenas quanto possível.

 

Figura 5: Campo de visão periférica do olho humano [7].

Figura 5: Campo de visão periférica do olho humano [7].

Os HMDs fechados e com amplo campo de visão (HMDs de realidade virtual, como Oculus Rift, piSight – da Sensics – e InfinitEye V2) normalmente têm pouco ou nenhum  campo de visão periférica através do qual é possível ver o mundo real. Através da adição câmeras apropriadas, qualquer um desses HMDs fechados de amplo campo de visão podem se tornar um HMD com visualização aumentada por vídeo, ou seja, podem funcionar como um HMD para realidade aumentada.

 

Figura 6: Comparação entre o Campo de Visão de alguns HMDs [8].

Figura 6: Comparação entre o Campo de Visão de alguns HMDs [8].

Em HMDs de realidade aumentada com visualização aumentada por sistema ótico que  utilizam projetos óticos convencionais, é difícil de atingir campos de visão sobreposta maiores que 60º (na horizontal) devido a fenômenos óticos como  aberrações e distorções. No entanto, esses HMDs óticos tendem a ter uma estrutura simples e compacta, fornecendo um amplo campo de visão periférica para visualização direta do mundo real.

 

Figura 7: IMMY iC 60 – HMD com campo de visão sobreposta de 60º [9].

Figura 7: IMMY iC 60 – HMD com campo de visão sobreposta de 60º [9].

Os recentes avanços em projetos óticos oferecem paradigmas completamente novos para HMDs de visualização aumentada por sistemas óticos. Os displays pinlight, introduzidos na seção anterior, permitem um amplo e arbitrário campo de visão em uma estrutura compacta semelhante à estrutura de óculos comuns. A arquitetura iOptik da Innovega também oferece um amplo e arbitrário campo de visão, através de uma lente de contato personalizada. Através da lente de contato, é possível que o usuário foque sua visão, ao mesmo tempo, na imagem virtual e no ambiente real.

 

Figura 8: (a) Display Pinlight desenvolvido pela UNC em parceria com a NVIDIA [10]; (b) Lente de contato personalizada iOptik da Innovega [11].

Figura 8: (a) Display Pinlight desenvolvido pela UNC em parceria com a NVIDIA [10]; (b) Lente de contato personalizada iOptik da Innovega [11].

Oclusão no HMD

A oclusão é um aspecto da visão conhecido por ser uma importante informação de profundidade. No mundo real, a ordem dos objetos, em profundidade, pode ser reconhecida observando-se as sobreposições entre cada um deles. Em termos de psicologia cognitiva, oclusão incorreta dos objetos pode confundir o usuário. A capacidade de oclusão do display de realidade aumentada é importante para auxiliar a percepção do usuário, a visibilidade e realismo da cena virtual apresentada quando sobreposta na imagem real. Para apresentar oclusão correta, é necessário obter a informação de profundidade das imagens real e virtual.

 

Figura 9: Conceito de Oclusão em HMD com visualização aumentada por sistema ótico (a) e em HMD com visualização aumentada por vídeo (b) [12].

Figura 9: Conceito de Oclusão em HMD com visualização aumentada por sistema ótico (a) e em HMD com visualização aumentada por vídeo (b) [12].

Uma vez que a informação de profundidade é obtida, a oclusão deve ser reproduzida de forma diferente, de acordo com o tipo de visualização aumentada a ser utilizada, que pode ser por ótica ou por vídeo. Em ambos os casos, a sobreposição do objeto virtual parcialmente ocluído sobre a imagem real pode ser realizada através de técnicas de renderização. Da mesma maneira, em um HMD com visualização aumentada por vídeo, é possível apresentar um objeto real parcialmente ocluso. No entanto, em um HMD com visualização aumentada por sistema ótico, a apresentação de um objeto real parcialmente ocluído é algo bastante difícil de conseguir, pois a cena real é sempre vista através do combinador ótico. Qualquer combinador ótico irá refletir alguma porcentagem da luz incidente e transmitir o resto, o que torna impossível a sobreposição de objetos opacos de através da visualização aumentada por sistema ótico. Além disso, no sistema ótico, cada pixel da imagem virtual sobreposta é afetado pela cor da imagem real no ponto correspondente.

 

Figura 10: Diagrama de blocos de um sistema de oclusão ideal [12].

Figura 10: Diagrama de blocos de um sistema de oclusão ideal [12].

Considerações Finais no HMD

No presente artigo foi apresentada uma abordagem teórica a respeito das tecnologias de Head Mounted Displays utilizados em sistemas Realidade Aumentada, com foco nas principais características 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]. Mostramos como os aspectos construtivos  se relacionam com algumas das principais características dos HMDs, destacando a resolução, o campo de visão e a oclusão. No próximo artigo  continuaremos a apresentar 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]       THE VR GEEKS. HMDs – HMD Comparison. Disponível em: <http://www.vrgeeks.org/vr-kits/hmds>.

[3]       SANTOS, Alexis. Sony unveils 3D Head-Mounted Display for surgeons to peer inside you. Engadget. Julho, 2013. Disponível em: <http://www.engadget.com/2013/07/23/sony-surgical-3d-head-mounted-display/>.

[4]       NEWSORIGIN. Now fighters pilots can see in the dark with new Striker II Helmet. Julho, 2014. Disponível em: <http://newsorigin.com/now-fighter-pilots-can-see-in-the-dark-with-new-striker-ii-helmet/>.

[5]       ABSOLUT TECHNOLOGIES. PiSight – Ultra-Panoramic Head-Mounted Display. Disponível em: <http://projectorcentral.com.br/produto.php?id_produto=287>.

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

[7]       WIKIPEDIA. Peripheral Vision. Disponível em: <https://en.wikipedia.org/wiki/Peripheral_vision>.

[8]       VILLAR, Miguel. An Overview to current HMDs. Fevereiro, 2014. Disponível em: <http://www.lemonteam.com/virtual-reality/an-overview-to-current-hmds/>.

[9]       IMMY INC. Immy iC 60. Field of View. Disponível em: <www.immyinc.com>.

[10]     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>.

[11]     INNOVEGA. Innovega – A New Architecture. Disponível em: <http://innovega-inc.com/new-architecture.php>.

[12]     CAKMAKCI, Ozan; HA, Yonggang; ROLLAND, Jannick P. A Compact Optical See-through Head-Worn Display with Occlusion Support. Proceeding of the Third IEEE and ACM International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR 2004). 10 p.  2004. Disponível em: <http://www.creol.ucf.edu/research/publications/1423.pdf>.

Deixe um comentário

O seu endereço de e-mail não será publicado.